半導(dǎo)體制造工藝-晶圓減薄

對(duì)于晶圓減薄工藝做部分補(bǔ)充，這里主要針對(duì)的是晶圓背面減薄工藝部分。

為什么要減薄？

在后道制程階段，晶圓（正面已布好電路的硅片）在后續(xù)劃片、壓焊和封裝之前需要進(jìn)行背面減薄（backthinning）加工以降低封裝貼裝高度，減小芯片封裝體積，改善芯片的熱擴(kuò)散效率、電氣性能、機(jī)械性能及減小劃片的加工量。背面磨削加工具有高效率、低成本的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)取代傳統(tǒng)的濕法刻蝕和離子刻蝕工藝成為最主要的背面減薄技術(shù)。

怎么減薄？

                                                                                                      統(tǒng)封裝工藝的晶圓減薄主要流程

晶圓減薄的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(tái)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(jìn)行切進(jìn)磨削。磨削包括粗磨、精磨和拋光三個(gè)階段。

將從晶圓廠出來(lái)的Wafer進(jìn)行背面研磨，來(lái)減薄晶圓達(dá)到封裝需要的厚度。磨片時(shí)，需要在正面（Active Area）貼膠帶保護(hù)電路區(qū)域，同時(shí)研磨背面。研磨之后，去除膠帶，測(cè)量厚度。

目前已經(jīng)成功應(yīng)用于硅片制備的磨削工藝有轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削、硅片旋轉(zhuǎn)磨削、雙面磨削等。隨著單晶硅片表面質(zhì)量需求的進(jìn)一步提高，新的磨削技術(shù)也不斷提出，如TAIKO磨削、化學(xué)機(jī)械磨削、拋光磨削和行星盤磨削等。

轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削:

轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削（rotarytablegrinding）是較早應(yīng)用于硅片制備和背面減薄的磨削工藝，其原理如圖1所示。硅片分別固定于旋轉(zhuǎn)臺(tái)的吸盤上，在轉(zhuǎn)臺(tái)的帶動(dòng)下同步旋轉(zhuǎn)，硅片本身并不繞其軸心轉(zhuǎn)動(dòng)；砂輪高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿軸向進(jìn)給，砂輪直徑大于硅片直徑。轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削有整面切入式（faceplungegrinding）和平面切向式（facetangentialgrinding）兩種。

整面切入式加工時(shí)，砂輪寬度大于硅片直徑，砂輪主軸沿其軸向連續(xù)進(jìn)給直至余量加工完畢，然后硅片在旋轉(zhuǎn)臺(tái)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)位；平面切向式磨削加工時(shí)，砂輪沿其軸向進(jìn)給，硅片在旋轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)下連續(xù)轉(zhuǎn)位，通過往復(fù)進(jìn)給方式（reciprocation）或緩進(jìn)給方式（creepfeed）完成磨削。

與研磨方法相比，轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削具有去除率高、表面損傷小、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。但磨削加工中實(shí)際磨削區(qū)（activegrinding）面積Ｂ和切入角θ（砂輪外圓與硅片外圓之間夾角）均隨著砂輪切入位置的變化而變化，導(dǎo)致磨削力不恒定，難以獲得理想的面型精度（TTV值較高），并容易產(chǎn)生塌邊、崩邊等缺陷。轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削技術(shù)主要應(yīng)用于200mm以下單晶硅片的加工。單晶硅片尺寸增大，對(duì)設(shè)備工作臺(tái)的面型精度和運(yùn)動(dòng)精度提出了更高的要求，因而轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削不適合300mm以上單晶硅片的磨削加工。

為提高磨削效率，商用平面切向式磨削設(shè)備通常采用多砂輪結(jié)構(gòu)。例如在設(shè)備上裝備一套粗磨砂輪和一套精磨砂輪，旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周依次完成粗磨和精磨加工，該形式設(shè)備有美國(guó)GTI公司的G-500DS（圖2）。

硅片旋轉(zhuǎn)磨削:

為了滿足大尺寸硅片制備和背面減薄加工的需要，獲得具有較好TTV值的面型精度。1988年日本學(xué)者M(jìn)atsui提出了硅片旋轉(zhuǎn)磨削（in-feedgrinding）方法，其原理如圖3所示吸附在工作臺(tái)上的單晶硅片和杯型金剛石砂輪繞各自軸線旋轉(zhuǎn)，砂輪同時(shí)沿軸向連續(xù)進(jìn)給。其中，砂輪直徑大于被加工硅片直徑，其圓周經(jīng)過硅片中心。為了減小磨削力和減少磨削熱，通常把真空吸盤修整成中凸或中凹形狀或調(diào)整砂輪主軸與吸盤主軸軸線的夾角，保證砂輪和硅片之間實(shí)現(xiàn)半接觸磨削。

硅片旋轉(zhuǎn)磨削與轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：①單次單片磨削，可加工300mm以上的大尺寸硅片；②實(shí)際磨削區(qū)面積Ｂ和切入角θ恒定，磨削力相對(duì)穩(wěn)定；③通過調(diào)整砂輪轉(zhuǎn)軸和硅片轉(zhuǎn)軸之間的傾角可實(shí)現(xiàn)單晶硅片面型的主動(dòng)控制，獲得較好的面型精度。另外硅片旋轉(zhuǎn)磨削的磨削區(qū)和切入角θ還具有可實(shí)現(xiàn)大余量磨削、易于實(shí)現(xiàn)在線厚度與表面質(zhì)量的檢測(cè)與控制、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、容易實(shí)現(xiàn)多工位集成磨削、磨削效率高等優(yōu)點(diǎn)。

為了提高生產(chǎn)效率，滿足半導(dǎo)體生產(chǎn)線需求，基于硅片旋轉(zhuǎn)磨削原理的商用磨削設(shè)備采用多主軸多工位結(jié)構(gòu)，一次裝卸即可完成粗磨和精磨加工，結(jié)合其他輔助設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)單晶硅片“干進(jìn)干出（dry-in/dry-out）”和“片盒到片盒（cassettetocassette）”的全自動(dòng)磨削。

雙面磨削:

硅片旋轉(zhuǎn)磨削加工硅片上下表面時(shí)需要將工件翻轉(zhuǎn)分步進(jìn)行，限制了效率。同時(shí)硅片旋轉(zhuǎn)磨削存在面型誤差復(fù)印（copied）和磨痕（grindingmark），無(wú)法有效去除線切割（multi-saw）后單晶硅片表面的波紋度（waviness）和錐度等缺陷，如圖4所示。為克服以上缺陷，在20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了雙面磨削技術(shù)（doublesidegrinding），其原理如圖5所示。兩側(cè)面對(duì)稱分布的夾持器將單晶硅片夾持在保持環(huán)中，在輥?zhàn)拥膸?dòng)下緩慢旋轉(zhuǎn)，一對(duì)杯型金剛石砂輪相對(duì)位于單晶硅片的兩側(cè)，在空氣軸承電主軸驅(qū)動(dòng)下沿相反的方向旋轉(zhuǎn)并沿軸向進(jìn)給實(shí)現(xiàn)單晶硅片的雙面同時(shí)磨削。從圖中可看出，雙面磨削可有效去除去除線切割后單晶硅片表面的波紋度和錐度。按照砂輪軸線布置方向，雙面磨削有臥式和立式兩種，其中臥式雙面磨削能有效降低硅片自重導(dǎo)致的硅片變形對(duì)磨削質(zhì)量的影響，容易保證單晶硅片兩面的磨削工藝條件相同，且磨粒和磨屑不易停留在單晶硅片的表面，是比較理想的磨削方式。

表1所示為上述三種單晶硅片的磨削與雙面研磨的對(duì)比。雙面研磨主要應(yīng)用于200mm以下硅片加工，具有較高的出片率。由于采用固結(jié)磨料砂輪，單晶硅片的磨削加工能夠獲得遠(yuǎn)高于雙面研磨后的硅片表面質(zhì)量，因此硅片旋轉(zhuǎn)磨削和雙面磨削都能夠滿足主流300mm硅片的加工質(zhì)量要求，是目前最主要的平整化加工方法。選擇硅片平整化加工方法時(shí)，需要綜合考慮單晶硅片直徑大小、表面質(zhì)量以及拋光片加工工藝等要求。晶圓的背面減薄加工只能選擇單面加工方法，如硅片旋轉(zhuǎn)磨削方法。

硅片磨削加工中除了選擇磨削方法，還要確定選擇合理的工藝參數(shù)如正向壓力、砂輪粒度、砂輪結(jié)合劑、砂輪轉(zhuǎn)速、硅片轉(zhuǎn)速、磨削液黏度及流量等，確定合理的工藝路線。通常采用包括粗磨削、半精磨削、精磨削、無(wú)火花磨削和緩?fù)说兜饶ハ麟A段的分段磨削工藝獲得高加工效率、高表面平整度、低表面損傷的單晶硅片。

超薄晶圓磨削減薄技術(shù)：

有載片磨削減薄技術(shù)和留邊磨削技術(shù)（圖5）。

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