摘 要：集成電路芯片不斷向高密度、高性能和輕薄短小方向發(fā)展，發(fā)滿足IC封裝要求，圖形硅片的背面減薄成為半導(dǎo)體后半制程中的重要工序。隨著大直徑硅片的應(yīng)用，硅片的厚度相應(yīng)增大，而先進(jìn)的封裝技術(shù)則要求更薄的芯片，超精密磨削作為硅片背面減薄主要工藝得到廣泛應(yīng)用。本文分析了幾種常用的硅片背面減薄技術(shù)，論述了的基于自旋轉(zhuǎn)磨削法的硅片背面磨削的加工原理、工藝特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，介紹了硅片背面磨削技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和取得的新進(jìn)展。 關(guān)鍵字：硅片；背面減??；磨削；IC 　　 1 引言 　　 為了增大IC芯片產(chǎn)量，降低單元制造成本，要求IC的基礎(chǔ)材料硅片趨向大直徑化?，F(xiàn)在200mm硅片是主流產(chǎn)品，正在向300mm硅片發(fā)展，全世界已經(jīng)陸續(xù)建立了十幾條300mm硅片生產(chǎn)線，到2013年，預(yù)計(jì)將采用直徑450mm（18英寸）硅片。隨著硅片直徑增大，為了保證硅片在電路制作過(guò)程中具有足夠的強(qiáng)度，原始硅片（prime wafer）的厚度也相應(yīng)增加。直徑150mm和200mm硅片的厚度分別為625mm和725mm，而直徑300mm硅片平均厚度將達(dá)到775mm。另一方面，IC的技術(shù)進(jìn)步日新月異，正在向高速化、高集成化、高密度化和高性能化的方向發(fā)展。微電子產(chǎn)品在集成度、速度和可靠性不斷提高的同時(shí)正向輕薄短小的方向發(fā)展，與此相適應(yīng)，新型的芯片封裝技術(shù)不斷涌現(xiàn)，這些先進(jìn)的封裝技術(shù)所需要的芯片厚度越來(lái)越薄。早期的雙列直插式封裝（DIP）對(duì)應(yīng)芯片的厚度為600mm左右，BGA封裝所用的芯片厚度為375mm，而（AFCP）所用的芯片厚度為125mm左右，一些智能卡所用的芯片厚度已減到100mm以下，高性能電子產(chǎn)品的立體封裝甚至需要厚度小于50mm超薄的芯片。 　　 2 硅片背面減薄技術(shù) 　　 硅片上電路層的有效厚度一般為5-10mm,為了保證其功能，有一定的支撐厚度是必要的，因此，硅片的厚度極限為20-30mm。這只占總厚度的一小部分，占總厚度90％左右的襯底材料是為了保證硅片在制造、測(cè)試和運(yùn)送過(guò)程中有足夠的強(qiáng)度。因此，電路層制作完成后，需要對(duì)硅片進(jìn)行背面減?。╞ackside thinning），使其達(dá)到所需的 對(duì)硅片進(jìn)行劃片（Dicing）加工，形成一個(gè)個(gè)減薄的裸芯片。減薄后的芯片有如下優(yōu)點(diǎn)： （1）提高熱擴(kuò)散效率隨著半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜、集成度越來(lái)越高，晶體管體積不斷減小，散熱已逐漸成為影響芯片性能和壽命的關(guān)鍵因素，薄的芯片更有利于散熱。 （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，減小芯片封裝體積是適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)的必由之路。 （3）提高機(jī)械性能減薄后的芯片機(jī)械性能顯著提高，硅片越薄，其柔韌性越好，受外力沖擊引起的應(yīng)力也越小。 （4）氣性能晶片的厚度越薄元件之間的連線將越短，元件導(dǎo)通電阻將越低，信號(hào)延遲時(shí)間越短，從而實(shí)現(xiàn)更高的性能。 （5）減輕劃片加工量減薄以后再切割，可以減小劃片（Dicing）時(shí)的加工量，降低芯片崩邊的發(fā)生率。 　　 未來(lái)硅片背面減薄將趨向20-30mm的極限厚度。當(dāng)芯片厚度小于50mm時(shí)，可以彎曲到一定程度而不斷裂，特殊的超薄芯片甚至可以隨意彎曲，可用來(lái)做成閃存芯片和電子標(biāo)簽等。 　　 目前，硅片的背面減薄技術(shù)主要有磨削、研磨、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、干式拋光（dry polishing）、電化學(xué)腐蝕（electrochemical etching）、濕法腐蝕（wet etching）、等離子輔助化學(xué)腐蝕（PACE）、常壓等離子腐蝕 （atmospheric downstream plasma etching,ADPE）等，其中最常用的背面減薄技術(shù)有磨削、CMP、濕法腐蝕、ADPE和干式拋光五種。 　　 磨削的加工效率高，加工后的硅片平整度好，成本低，但是硅片表面會(huì)產(chǎn)生深達(dá)幾微米的損傷層，導(dǎo)致硅片的強(qiáng)度降低，容易發(fā)生碎片，磨削表面還存在殘余應(yīng)力,使硅片發(fā)生翹曲,給搬運(yùn)和后續(xù)處理帶來(lái)困儺，一般需要后續(xù)工藝來(lái)消除損傷層和殘余應(yīng)力，化學(xué)機(jī)械拋光是利用化學(xué)和機(jī)械復(fù)合作用去除材料的，硅片表面的損傷很小，缺點(diǎn)是材料去除率低、工作壓力高。濕法蝕刻是將硅片浸入酸性化學(xué)溶液（HN03/HF/HP04）中，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)去除硅片表層材料,硅片表面無(wú)損傷和無(wú)晶格位錯(cuò)，能極大地提高硅片的強(qiáng)度，減小翹曲,其缺點(diǎn)是需 對(duì)硅片的正面進(jìn)行保護(hù)，對(duì)磨削條紋的校正能力弱，不適合加工有凸起硅片（bumped wafer），腐蝕速度快去除率為5-40mm/min，腐蝕速度不均勻，為腐蝕量的5%-10％，環(huán)境污染問(wèn)題。常壓等離子腐蝕是最新發(fā)展起來(lái)的、利用磁力控制的在大氣壓力下工作的一種純化學(xué)作用的干式腐蝕技術(shù)，在氬氣環(huán)境下ADP系統(tǒng)將氣體（CF-4引入等離子區(qū)，使之100％分解，F(xiàn)與硅片表面的材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成SiF 4，達(dá)到去除材料的目的。加工時(shí)，利用Bernoulli效應(yīng)產(chǎn)生的壓力將硅片懸置于等離子區(qū)上方，硅片的正面不必像濕式腐蝕那樣需用膠帶保護(hù)，因此，適合加工較薄的硅片，也適合加工有凸起的硅片。ADPE能夠去除硅片背面由于磨削引起的損傷層，加工速度為1-4mm／min，背面去除量可達(dá)50-100mm，加工后的表面平整性比濕式腐蝕好。干式拋光是新出現(xiàn)的去除硅片應(yīng)力的技術(shù)，其加工原理類似于硅片磨削，與磨削不同之處是用纖維和金屬氧化物制成的拋光輪取代了金剛石砂輪。干式拋光能有效地去除硅片背面磨削引起的殘余應(yīng)力，成本低，但加工效率低，加工速度僅為1mm／min，只適合去除較淺的損傷層。 　　 硅片背面減薄過(guò)程。硅片的原始厚度一般為675-775mm，最終要減薄到100-200mm，有時(shí)甚至要減薄到50mm。在硅片減薄工藝中一般不能將硅片磨削到很薄的尺寸，因?yàn)槿绻麑⒐杵苯幽ハ鞯叫酒庋b所需的厚度，由于機(jī)械損傷層的存在，在運(yùn)輸和后序工藝中碎片率非常高。因此，實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于200mm的硅片，如果需要100mm的薄硅片，首先先用磨削的方式去除絕大部分余量，背面減薄到180mm左右，然后CMP、濕法腐蝕、ADPE和干式拋光中的一種或兩種消除磨削引起的損傷層和殘余應(yīng)力，得到無(wú)損傷的片表面。因此，一般硅片的背面減薄可以有背面磨削+CMP、背面磨削+濕式化學(xué)腐蝕、背面磨削+ADPE、背面磨削+干式拋光四種工藝方案。 　　 3 三片背面磨削減薄技術(shù) 　　 3．1 硅片背面磨削減薄的原理 　　 早在上個(gè)世紀(jì)70年代，就已經(jīng)采用旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)磨削（surface gring on a rotary table）法進(jìn)行直徑100mm以下硅片的背面減薄。隨著硅片直徑的增大，對(duì)硅片背面減薄的要求越來(lái)高，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)磨削技術(shù)具有一定的局限性。1984年S．Matsui提出了硅片自旋轉(zhuǎn)磨削（wafer ro□tat□ing grinding）法，并開始逐漸取代旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)磨削。 硅片自旋轉(zhuǎn)磨削法的加工原理。采用略大于硅片的工件轉(zhuǎn)臺(tái)，硅片通過(guò)真空吸盤夾持在工件轉(zhuǎn)臺(tái)的中心，杯形金剛石砂輪工作面的內(nèi)外圓周中線調(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(jìn)行切入磨削（in-feed grinding）。磨削深度tw與砂輪軸向進(jìn)給速度f(wàn)和硅片轉(zhuǎn)速nw關(guān)系為：tw=f／nw（1） 　　 硅片自旋轉(zhuǎn)磨削法的優(yōu)點(diǎn)： （1）可實(shí)現(xiàn)延性域磨削。在加工脆性材料時(shí)，當(dāng)磨削深度小于某一臨界值時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)延性域磨削。對(duì)于自旋轉(zhuǎn)磨削，由公式（1）可知，對(duì)給定的軸向進(jìn)給速度，如果工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速足夠高，就可以實(shí)現(xiàn)極微小磨削深度。 （2）可實(shí)現(xiàn)高效磨削。由公式（1）可知，通過(guò)同時(shí)提高硅片轉(zhuǎn)速和砂輪軸向進(jìn)給速度，可以在保持與普通磨削同樣的磨削深度情況下，達(dá)到較高的材料去除率，適用于大余量磨削。 （3）砂輪與硅片的接觸長(zhǎng)度、接觸面積、切入角不變，磨削力恒定，加工狀態(tài)穩(wěn)定，可以避免硅片出現(xiàn)中凸和塌邊現(xiàn)象。 （4）磨床只有沿磨削主軸方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，有利于提高機(jī)床的剛度。 （5）通過(guò)調(diào)整砂輪軸線和工件軸線之間的夾角，可以補(bǔ)償由于機(jī)床變形引起的砂輪軸線和工作臺(tái)軸線不平行。 （6）砂輪轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于硅片轉(zhuǎn)速，因此砂輪的磨損對(duì)硅片平整度的影響小。 （7）自旋轉(zhuǎn)磨削每次加工一個(gè)硅片，磨削進(jìn)給不受硅片與硅片之間加工余量不均勻的限制。 （8）硅片自旋轉(zhuǎn)磨削設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，容易實(shí)現(xiàn)多工位集成，甚至可以和拋光裝置集成為一體，實(shí)現(xiàn)磨削拋光一體化。 　　 由于上述優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在直徑200mm以上的大尺寸硅片背面磨削（backgrinding）大都采用基于硅片自旋轉(zhuǎn)磨削原理的超精密磨削技術(shù)。 　　 3．2 硅片背面磨削的工藝過(guò)程 　　 硅片背面磨削一般分為兩步：粗磨和精磨。在粗磨階段，一般采用粒度46#-500#的金剛石砂輪，軸向進(jìn)給速度為100-500mm／min，磨肖深度較大，一般為0．5-lmm。目的是迅速地去除硅片背面絕大部分的多余材料（約占加工余量的90％）。精磨時(shí)，加工余量幾微米直至十幾微米，采用粒度2000#-4000#的金剛石砂輪，軸向進(jìn)給速度 0.5-10mm／min。主要是消除粗磨時(shí)形成的損傷層，達(dá)到所要求的厚度，在精磨階段，材料以延性域模式去除，硅片表面損傷明顯減小。 　　 3．3 硅片背面磨削的性能特點(diǎn) （1）加工效率磨削是效率最高、成本最低的硅片背面減薄方法，用磨削的方式可以迅速地去除硅片背面絕大部分的加工余量。如對(duì)于原始厚度為775mm的300mm直徑硅片，將其減到厚度200mm所需要的時(shí)間約為1分鐘。 （2）加工精度硅片背面磨削能夠達(dá)到極高的厚度均勻性，對(duì)于300mm硅片，厚度變動(dòng)量甚至可達(dá)到0.5mm以下；表面粗糙度Ra可以達(dá)到幾個(gè)納米。 （3）表面和亞表面損傷硅片背面磨削是利用機(jī)械作用實(shí)現(xiàn)材料去除的，不可避免地會(huì)在硅片表面和亞表面產(chǎn)生損傷。亞表面損傷是硅片背面減薄最重要的指標(biāo)之一。硅片磨削后的表面損傷分為3層：頂層為非晶層，并分布有微觀裂紋，接下來(lái)是較深的晶格位錯(cuò)層，然后是彈性變形層，再下面為正常的單晶硅結(jié)構(gòu)。砂輪磨料的粒度對(duì)硅片亞表面損傷的程度影最大，設(shè)備的精度、磨削用量對(duì)亞表面損傷也有重要影響。一般粗磨時(shí)材料是以脆性斷裂的模式去除，在硅片表面留下深度達(dá)20-30mm的損傷層和限大的殘余應(yīng)力。在精磨階段，材料是以延性域的模式去除的，能消除粗磨時(shí)形成的損傷層，精磨后的表面損傷明顯減小，其深度一般為15mm以下。此外，由于磨削時(shí)磨粒的出刃高度不一致，還會(huì)在硅片表面留下磨痕（grinding mark）。大量的數(shù)據(jù)分析表明，芯片在鍵合與測(cè)試時(shí)往往發(fā)生碎裂,碎裂的原因往往是由于在背面減薄時(shí)引起的損傷在后序的腐蝕或化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)沒(méi)有完全去除引起的。 （4）翹曲變形磨削會(huì)在硅片表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使背磨后的硅片發(fā)生翹曲，常常導(dǎo)致硅片碎裂。由于粗磨導(dǎo)致的殘余應(yīng)力較大，最大翹曲一般發(fā)生在粗磨之后。通常需要采用濕法腐蝕、常壓等離子腐蝕、化學(xué)機(jī)械拋光等去除損傷層和殘余應(yīng)力，以減小硅片翹曲。 　　 3.4 硅片背面磨削的關(guān)鍵技術(shù) 　　 由于單晶硅是典型的硬脆材料，為實(shí)現(xiàn)大尺寸硅片的高效率、超精密和超薄化磨削，應(yīng)具備以下關(guān)鍵技術(shù)： （1）高精度、高剛度的主軸系統(tǒng)硅片磨床應(yīng)具有極高的靜、動(dòng)態(tài)剛性和優(yōu)良的熱平衡結(jié)構(gòu)，為此，砂輪主軸和工件轉(zhuǎn)臺(tái)主軸都采用高精度、高剛度、高速度的空氣軸承主軸，內(nèi)置式伺服電機(jī)。砂輪主軸和工件主軸的徑向跳動(dòng)小于O．02mm。 （2）高精度微進(jìn)給系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)硅片的延性域磨削，通過(guò)減小砂輪軸向進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)微小磨削深度，要求磨床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)具有很小的分辨率并能精確控制。目前，國(guó)外先進(jìn)的背面磨床的砂輪軸向進(jìn)給速度最小可達(dá)1mm／min。 （3）微細(xì)粒度的超硬磨料砂輪實(shí)現(xiàn)單晶硅等硬脆材料超精密磨削的關(guān)鍵技術(shù)之一是砂輪的性能。硅片背面磨削使用杯形金剛石砂輪，直徑一般為350mm-200mm，金剛石粒度在300#-4000#之間，砂輪的粒度嚴(yán)格控制，砂輪用特殊結(jié)合劑制作，有較長(zhǎng)的使用壽命。 （4）硅片精密定位夾持裝置為了能夠安全可靠地輸送和加工薄的硅片，一般先將硅片的正面用特殊的雙面膠帶粘結(jié)在一塊剛性支撐基板上，然后通過(guò)真空吸盤夾持在工件轉(zhuǎn)臺(tái)上。 　　 4 硅片背面磨削技術(shù)的新進(jìn)展 由于硅片直徑和厚度以及芯片厚度的變化，硅片背面磨削技術(shù)面臨的主要問(wèn)題是： （1）提高硅片減薄的效率。原始硅片厚度的增大和芯片的超薄化使硅片背面減薄的材料去除量加大。背面磨削作為硅片背面減薄的主要工藝，要求具有很高的加工效率。 （2）減小表面和亞表面損傷。磨削引起的損傷和殘余應(yīng)力極大的降低了硅片的機(jī)械性能，增大了硅片碎裂的風(fēng)險(xiǎn)，為了減小損傷和殘余應(yīng)力，必須采用更微細(xì)粒度的砂輪和更小的磨削用量。 （3）減小或避免硅片翹曲。背面磨削后的硅片會(huì)產(chǎn)生很大的翹曲變形，而且硅片越薄翹曲變形越大。在后續(xù)的濕法腐蝕和CMP等去除殘余應(yīng)力工序中，翹曲硅片的運(yùn)送和處理非常困難，常常導(dǎo)致硅片碎裂。因此必須減小磨削殘余應(yīng)力，以減小硅片翹曲。 　　 為了解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外不斷開展硅片背面磨削技術(shù)研究，取得一些新的進(jìn)展，主要表現(xiàn)在： 　　 ◆a．開發(fā)新型的超精密磨床 　　 近年來(lái)，英國(guó)Cranfield大學(xué)研制的正四面體（Tetraform）新概念磨床具有很高的靜、動(dòng)態(tài)剛性和優(yōu)良的熱平衡結(jié)構(gòu)，可以在隔離環(huán)境振動(dòng)和溫度的條件下進(jìn)行高速超精密磨削。用于磨削單晶硅的表面粗糙度達(dá)到Ral-20nm，亞表面損傷深度只有傳統(tǒng)磨削的1-2％，甚至小于拋光加工產(chǎn)生的亞表面損傷深度。日本Super Silicon研究所和Disco公司提出了“三角柱型五面體構(gòu)造”的概念磨床，這種磨床結(jié)構(gòu)的剛度更高，穩(wěn)定性更好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同磨削深度條件下，加工效率是普通硅片磨床的4倍，磨削后硅片的平整度更好，表面損傷很小。 　　 日本茨城大學(xué)的江田弘等人開發(fā)了基于自旋轉(zhuǎn)磨削原理的集成磨削系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有兩個(gè)自由度（砂輪主軸軸向進(jìn)給、工件主軸徑向進(jìn)給），磨削采用空氣靜壓導(dǎo)軌和空氣主軸支承，砂輪主軸和工件主軸的徑向跳動(dòng)小于O．02mm，超精密定位機(jī)構(gòu)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)0．5mm／min的進(jìn)給率，超磁致伸縮微驅(qū)動(dòng)裝置調(diào)整砂輪軸與工件軸的夾角控制硅片面型精度，可以在一個(gè)工序中完成硅片的延性域磨削和類似拋光的磨削（polishing-like grinding），加工直徑300mm硅片可達(dá)到表面粗糙度Ra＜lnm，TTV＜0．2mm，表面損傷層減小到120m，能源消耗比傳統(tǒng)工藝降低70％。 　　 ◆b．研究超細(xì)粒度金剛石砂輪及其應(yīng)用技術(shù) 　　 日本的H．Ohmori等人將在線電解修整（ELID）技術(shù)應(yīng)用于硅片自旋轉(zhuǎn)磨削工藝，采用粒度為#10，000-#3,000,000的鑄鐵纖維結(jié)合劑微粉金剛石砂輪，仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的磨削。用#3,000,000（平均粒徑8nm）的砂輪磨削硅片，獲得了RMS≤0．47nm的表面，與化學(xué)機(jī)械拋光獲得的表面非常接近。 　　 ◆c．采用先劃片后減薄工藝 　　 背面磨削后硅片的翹曲變形會(huì)給硅片在后序的輸送和夾持定位帶來(lái)困難，在劃片時(shí)易發(fā)生碎裂。Disco公司開發(fā)了DBG（Dicing Be□fore Grinding）技術(shù)，即在背面磨削之前將硅片的正面切割出一定深度的切口，然后再進(jìn)行背面磨削，此工藝避免了硅片的翹曲變形，減小了運(yùn)送大尺寸超薄硅片的碎片風(fēng)險(xiǎn)。采用DBG技術(shù)，300mm尺寸的硅片可以減薄到50um；近來(lái)，又出現(xiàn)了DbyT（Dicing-by Thinning）概念，與DBG技術(shù)相似，在減薄之前先用機(jī)械的或化學(xué)的方式切割出切口，不同之處是用磨削方法減薄到一定厚度以后，采用ADP磨蝕技術(shù)去除掉其余的加工余量，實(shí)現(xiàn)裸芯片的自動(dòng)分離。 　　 ◆d．實(shí)現(xiàn)背面減薄工藝集成 　　 為減少硅片的搬運(yùn)和夾持次數(shù)，以提高加工效率和降低碎片率，先進(jìn)的硅片背面磨床采用多主軸轉(zhuǎn)位工作臺(tái)結(jié)構(gòu)，在同一機(jī)臺(tái)上裝夾一次硅片即可實(shí)現(xiàn)粗磨和精磨；超精密進(jìn)給機(jī)構(gòu)和定位機(jī)構(gòu)以控制微小磨削深度；為保證硅片的平整度，具有主軸角度自動(dòng)調(diào)整裝置；為有效控制硅片厚度，裝有在線厚度測(cè)量裝置；此外還配有干進(jìn)干出，（Dry-in Dry-out）的清洗和烘干系統(tǒng)以及自動(dòng)裝卸硅片的機(jī)械手等。 　　 近幾年日本一些公司還開發(fā)了集硅片背面磨削與CMP或干式拋光為一體的磨拋機(jī)床。東京精密公司生產(chǎn)的PG300／PG200系列磨床硅片在同一機(jī)臺(tái)上只需裝夾一次便可實(shí)現(xiàn)粗磨、精磨和拋光，這到迅速減薄和去除損傷層和殘余應(yīng)力的目的。