半導體晶圓加工過程（半導體製造工藝-晶圓減薄）

2023-04-13 06:01:54 1

對於晶圓減薄工藝做部分補充，這裡主要針對的是晶圓背面減薄工藝部分。

為什麼要減薄？

在後道製程階段，晶圓（正面已布好電路的矽片）在後續劃片、壓焊和封裝之前需要進行背面減薄（backthinning）加工以降低封裝貼裝高度，減小晶片封裝體積，改善晶片的熱擴散效率、電氣性能、機械性能及減小劃片的加工量。背面磨削加工具有高效率、低成本的優點，目前已經取代傳統的溼法刻蝕和離子刻蝕工藝成為最主要的背面減薄技術。

減薄後的晶圓（圖片來自網絡）

怎麼減薄？

統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，然後把減薄膜及上面晶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外圓舟中線調整到矽片的中心位置，矽片和砂輪繞各自的軸線迴轉，進行切進磨削。磨削包括粗磨、精磨和拋光三個階段。

將從晶圓廠出來的Wafer進行背面研磨，來減薄晶圓達到封裝需要的厚度。磨片時，需要在正面（Active Area）貼膠帶保護電路區域，同時研磨背面。研磨之後，去除膠帶，測量厚度。

目前已經成功應用於矽片製備的磨削工藝有轉臺式磨削、矽片旋轉磨削、雙面磨削等。隨著單晶矽片表面質量需求的進一步提高，新的磨削技術也不斷提出，如TAIKO磨削、化學機械磨削、拋光磨削和行星盤磨削等。

轉臺式磨削:

轉臺式磨削（rotarytablegrinding）是較早應用於矽片製備和背面減薄的磨削工藝，其原理如圖1所示。矽片分別固定於旋轉臺的吸盤上，在轉臺的帶動下同步旋轉，矽片本身並不繞其軸心轉動；砂輪高速旋轉的同時沿軸向進給，砂輪直徑大於矽片直徑。轉臺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，砂輪寬度大於矽片直徑，砂輪主軸沿其軸向連續進給直至餘量加工完畢，然後矽片在旋轉臺的帶動下轉位；平面切向式磨削加工時，砂輪沿其軸向進給，矽片在旋轉盤帶動下連續轉位，通過往復進給方式（reciprocation）或緩進給方式（creepfeed）完成磨削。

圖1、轉臺式磨削（平面切向式）原理示意圖[1]

與研磨方法相比，轉臺式磨削具有去除率高、表面損傷小、容易實現自動化等優點。但磨削加工中實際磨削區（activegrinding）面積Ｂ和切入角θ（砂輪外圓與矽片外圓之間夾角）均隨著砂輪切入位置的變化而變化，導致磨削力不恆定，難以獲得理想的面型精度（TTV值較高），並容易產生塌邊、崩邊等缺陷。轉臺式磨削技術主要應用於200mm以下單晶矽片的加工。單晶矽片尺寸增大，對設備工作檯的面型精度和運動精度提出了更高的要求，因而轉臺式磨削不適合300mm以上單晶矽片的磨削加工。

為提高磨削效率，商用平面切向式磨削設備通常採用多砂輪結構。例如在設備上裝備一套粗磨砂輪和一套精磨砂輪，旋轉臺旋轉一周依次完成粗磨和精磨加工，該形式設備有美國GTI公司的G-500DS（圖2）。

圖2、美國GTI公司的G-500DS轉臺式磨削設備[1]

矽片旋轉磨削:

為了滿足大尺寸矽片製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年日本學者Matsui提出了矽片旋轉磨削（in-feedgrinding）方法，其原理如圖3所示吸附在工作檯上的單晶矽片和杯型金剛石砂輪繞各自軸線旋轉，砂輪同時沿軸向連續進給。其中，砂輪直徑大於被加工矽片直徑，其圓周經過矽片中心。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整砂輪主軸與吸盤主軸軸線的夾角，保證砂輪和矽片之間實現半接觸磨削。

圖3、矽片旋轉磨削原理示意圖[1]

矽片旋轉磨削與轉臺式磨削相比具有以下優點：①單次單片磨削，可加工300mm以上的大尺寸矽片；②實際磨削區面積Ｂ和切入角θ恆定，磨削力相對穩定；③通過調整砂輪轉軸和矽片轉軸之間的傾角可實現單晶矽片面型的主動控制，獲得較好的面型精度。另外矽片旋轉磨削的磨削區和切入角θ還具有可實現大餘量磨削、易於實現在線厚度與表面質量的檢測與控制、設備結構緊湊、容易實現多工位集成磨削、磨削效率高等優點。

為了提高生產效率，滿足半導體生產線需求，基於矽片旋轉磨削原理的商用磨削設備採用多主軸多工位結構，一次裝卸即可完成粗磨和精磨加工，結合其他輔助設施，可實現單晶矽片「幹進幹出（dry-in/dry-out）」和「片盒到片盒（cassettetocassette）」的全自動磨削。

雙面磨削:

矽片旋轉磨削加工矽片上下表面時需要將工件翻轉分步進行，限制了效率。同時矽片旋轉磨削存在面型誤差複印（copied）和磨痕（grindingmark），無法有效去除線切割（multi-saw）後單晶矽片表面的波紋度（waviness）和錐度等缺陷，如圖4所示。為克服以上缺陷，在20世紀90年代出現了雙面磨削技術（doublesidegrinding），其原理如圖5所示。兩側面對稱分布的夾持器將單晶矽片夾持在保持環中，在輥子的帶動下緩慢旋轉，一對杯型金剛石砂輪相對位於單晶矽片的兩側，在空氣軸承電主軸驅動下沿相反的方向旋轉並沿軸向進給實現單晶矽片的雙面同時磨削。從圖中可看出，雙面磨削可有效去除去除線切割後單晶矽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矽片自重導致的矽片變形對磨削質量的影響，容易保證單晶矽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矽片的表面，是比較理想的磨削方式。

圖4、矽片旋轉磨削中的「誤差複印」和磨痕缺陷[1]

圖4、雙面磨削原理示意圖[1]

表1所示為上述三種單晶矽片的磨削與雙面研磨的對比。雙面研磨主要應用於200mm以下矽片加工，具有較高的出片率。由於採用固結磨料砂輪，單晶矽片的磨削加工能夠獲得遠高於雙面研磨後的矽片表面質量，因此矽片旋轉磨削和雙面磨削都能夠滿足主流300mm矽片的加工質量要求，是目前最主要的平整化加工方法。選擇矽片平整化加工方法時，需要綜合考慮單晶矽片直徑大小、表面質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，如矽片旋轉磨削方法。

矽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如正向壓力、砂輪粒度、砂輪結合劑、砂輪轉速、矽片轉速、磨削液黏度及流量等，確定合理的工藝路線。通常採用包括粗磨削、半精磨削、精磨削、無火花磨削和緩退刀等磨削階段的分段磨削工藝獲得高加工效率、高表面平整度、低表面損傷的單晶矽片。

新的磨削技術可以參考文獻[1]:

圖5、TAIKO磨削原理示意圖[1]

圖6、行星盤磨削原理示意圖 [1]、

超薄晶圓磨削減薄技術：

有載片磨削減薄技術和留邊磨削技術（圖5）。

圖7、有載片磨削減薄工藝流程[4]