晶圓減薄工藝與基本原理

1 減薄的目的

直徑150mm（6寸）和200mm（8寸）的晶圓厚度分別為625um和725um，而直徑為300mm硅片平均厚度達到775um。在晶圓中總厚度90%以上的襯底材料是為了保證晶圓在制造，測試和運送過程中有足夠的強度。

晶圓減薄工藝的作用是對已完成功能的晶圓（主要是硅晶片）的背面基體材料進行磨削，去掉一定厚度的材料。有利于后續(xù)封裝工藝的要求以及芯片的物理強度，散熱性和尺寸要求

晶圓減薄后對芯片有以下優(yōu)點

1）散熱效率顯著提高，隨著芯片結(jié)構(gòu)越來越復雜，集成度越來越高，晶體管數(shù)量急劇增加，散熱已逐漸稱為影響芯片性能和壽命的關鍵因素。薄的芯片更有利于熱量從襯底導出。

2）減小芯片封裝體積。微電子產(chǎn)品日益向輕薄短小的方向發(fā)展，厚度的減小也相應地減小了芯片體積。

3）減少芯片內(nèi)部應力。芯片厚度越厚芯片工作過程中由于熱量的產(chǎn)生，使得芯片背面產(chǎn)生內(nèi)應力。芯片熱量升高，基體層之間的熱差異性加劇，加大了芯片內(nèi)應力，較大的內(nèi)應力使芯片產(chǎn)生破裂。

4）提高電氣性能。晶圓厚度越薄背面鍍金使地平面越近，器件高頻性能越好。

5）提高劃片加工成品率。減薄硅片可以減輕封裝劃片時的加工量，避免劃片中產(chǎn)生崩邊、崩角等缺陷，降低芯片破損概率等。

2 減薄的工藝流程

3 減薄的原理

國際當前主流晶圓減薄機的整體技術采用了In-Feed磨削原理設計。該技術基本原理是，采用了晶圓自旋，磨輪系統(tǒng)以極低速進給方式磨削。如圖1

圖1 Schematic of self-rotating grinding mechanism: (a)Experimental set up of wafer grinding; (b) Illustration of the rotating waferand wheel

具體步驟是把所要加工的晶圓粘接到減薄膜上，然后把減薄膜及上面芯片利用真空吸附到多孔陶瓷承片臺上，杯形金剛石砂輪工作面的內(nèi)外圓舟中線調(diào)整到硅片的中心位置，硅片和砂輪繞各自的軸線回轉(zhuǎn)，進行切進磨削。磨削深度Tw與砂輪軸向給進速度f 和硅片轉(zhuǎn)速nw關系為

Tw =f/Nw     （1）

根據(jù)（1）式，對于給定的磨輪軸向進給速度f，提高硅片轉(zhuǎn)速Nw，可以減小晶圓磨削深度。

目前國際主流的晶圓減薄機，其磨輪軸向進給速度可以控制在1um/min以內(nèi)。如果晶圓轉(zhuǎn)速為200r/min，則晶圓每轉(zhuǎn)的磨削深度只有0.005um，達到了微量切深的塑性磨削條件。

磨削過程可以分為三個階段

第一粗磨階段：使用的金剛砂輪磨料粒度大，砂輪每轉(zhuǎn)的進給量大，單個磨粒的切深度大于臨界切削深度。是典型的脆性域磨削。采用相對較大的進給速度，主要考慮提高加工效率。這個階段占總減薄量的94%左右。這個過程會引起較大的晶格損傷，邊緣崩邊。

第二精磨階段：所使用的砂輪磨料力度很小，砂輪每轉(zhuǎn)的給進量很小，一部分磨粒的切深小于臨界切削深度，屬于延性域切削。另一部分的切深大于臨界切削深度，屬于脆性域切削。給進速度降低，可以消除前端粗磨產(chǎn)生的損傷，崩邊等現(xiàn)象。占這總磨削量的6%。

第三拋光：最后數(shù)微米采用精磨拋光，磨削深度小于0.1um，已進入延性域加工范圍，此時材料加工表現(xiàn)為先變形，再撕裂的化學變化的方式。

4 晶圓減薄的質(zhì)量要求

1）晶圓完整性（無破損）

2）晶圓厚度精度及超薄化能力要求

3）晶圓表秒TTV值要求

4）晶圓表面粗糙度要求

5）晶圓表面損傷層厚度（SSD）要求

6）晶圓厚度一致性要求

下表為Disc 減薄機的Spec