硅片減薄技術(shù)研究

木瑞強(qiáng)，劉 軍，曹玉生

（北京微電子技術(shù)研究所，北京 100000）

1 引言

隨著集成電路向著短小輕薄的方向發(fā)展，封裝中使用更薄的硅片已成為必然。目前行業(yè)內(nèi)可以將硅片減薄至50 μm，相當(dāng)于普通人頭發(fā)絲的直徑。通過減薄，可以將硅片背面多余材料去除掉，不僅有效的減小了硅片封裝體積，同時，也提高了器件在散熱、機(jī)械、電氣等方面的性能。目前減薄有以下幾種方法：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，其中最常用的減薄技術(shù)有研磨、CMP、濕法腐蝕等。其中因為研磨的加工效率高，加工后的硅片平整度好，成本低，多被封裝廠所采用。

2 硅片背面研磨減薄技術(shù)

目前，硅片背面研磨減薄技術(shù)主要有旋轉(zhuǎn)工作臺減薄與硅片自旋轉(zhuǎn)減薄兩種。

2.1 旋轉(zhuǎn)工作臺減薄

采用大于硅片的工件轉(zhuǎn)臺，硅片通過真空吸盤夾持，工作臺沿水平方向進(jìn)行移動，磨輪高速旋轉(zhuǎn)，從而對硅片進(jìn)行減薄。但因其研磨輪與工作臺間接觸的面積并不一致，各點(diǎn)的受力并不均勻，減薄后的硅片易產(chǎn)生翹曲，特別是針對較薄的硅片。其減薄原理、磨痕及減薄效果如圖1所示，其中圖1（c）所示的硅片厚度為120 μm。

2.2 硅片自旋轉(zhuǎn)減薄

硅片自旋轉(zhuǎn)研磨法的原理為：采用略大于硅片的工件轉(zhuǎn)臺，硅片通過真空吸盤夾持在工件轉(zhuǎn)臺的中心，磨輪邊緣調(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)行切入減?。╥ n-f e e d grinding）。此種方法的優(yōu)點(diǎn)在于砂輪與硅片的接觸長度、接觸面積、切入角不變，研磨力恒定，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。尤其對較薄的硅片表現(xiàn)較為明顯。其工作原理、研磨痕跡與研磨后的效果如圖2所示，其中，圖2（c）所示的硅片厚度為120 μm。

經(jīng)過上述對比，可以發(fā)現(xiàn)：采用硅片自旋轉(zhuǎn)研磨，當(dāng)硅片薄至一定程度時，可以有效地避免研磨后的硅片翹曲現(xiàn)象的產(chǎn)生。目前，由于所封裝的薄硅片越來越多，更多的封裝廠選擇硅片自旋轉(zhuǎn)工作模式對硅片進(jìn)行減薄。

圖1 旋轉(zhuǎn)工作臺原理、痕跡及研磨效果

圖2 硅片自旋轉(zhuǎn)研磨原理、痕跡及研磨效果

2.3 現(xiàn)有減薄設(shè)備

目前本單位現(xiàn)有一臺德國G&N公司所生產(chǎn)的MULTINANO3-300減薄機(jī)，其加工原理為硅片自旋轉(zhuǎn)研磨，最薄可以磨至50μm，可以實現(xiàn)對100mm、125mm、150mm、200mm、300mm硅片的全自動減薄。對于100mm硅片從630μm減薄至370μm，每5min可以完成減薄一片，一小時可以加工12片左右。設(shè)備的最優(yōu)指標(biāo)為：TTV≤2μm，Ra≤0.005μm（50埃），Rmax≤0.05μm（500埃），TV≤2 μm。

（1）TTV（Total Thickness Variation）=厚度最高值（max）－厚度最低值（min）。指片內(nèi)的厚度偏差，即TTV越小，其片內(nèi)厚度均勻性越好；

（2）Rmax為最大粗糙度，Ra為平均粗糙度；

（3）TV（Thickness Variation）指片與片間厚度偏差，即TV越小，片間厚度一致性越好。

3 減薄主要流程及影響因素

減薄操作的生產(chǎn)過程從圖3中可以看出主要為：貼膜、切膜、減薄、揭膜及測厚等幾個階段。

圖3 減薄生產(chǎn)流程

從生產(chǎn)的整個過程中，均可以引入導(dǎo)致研磨質(zhì)量下降的因素。因此，對生產(chǎn)控制來講，生產(chǎn)中所涉及到的人、機(jī)、料、法、環(huán)均需要作為控制點(diǎn)加以監(jiān)控。圖4為影響減薄質(zhì)量的魚骨圖。主要說明了對減薄質(zhì)量的影響因素，其中減薄速度、主軸轉(zhuǎn)速及膜的質(zhì)量為主要因素。本文主要探討了膜的質(zhì)量對TTV的影響及減薄速度、主軸轉(zhuǎn)速對粗糙度的影響。

4 實驗過程

采用現(xiàn)有設(shè)備，對100mm硅片按以下過程進(jìn)行減薄，并對反應(yīng)減薄質(zhì)量的TTV及粗糙度進(jìn)行測試，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。對減薄后的硅片進(jìn)行五點(diǎn)或九點(diǎn)測試，測試位置如圖5所示。

過程1：通過調(diào)整不同的減薄速度，主軸轉(zhuǎn)速等因素，摸索出對減薄質(zhì)量的影響規(guī)律；

過程2：討論保護(hù)膜對TTV的影響，討論不同厚度的膜對產(chǎn)品TTV的影響；

過程3：對減薄后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，驗證生產(chǎn)過程的可控性。

5 實驗數(shù)據(jù)記錄與分析

5.1 減薄參數(shù)的影響

分別調(diào)整減薄速度、主軸轉(zhuǎn)速等對減薄質(zhì)量影響較大的兩個參數(shù)，摸索出不同參數(shù)對硅片表面粗糙度的影響情況。

（1）不同研磨速度對粗糙度的影響

設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速為4000rpm，調(diào)整研磨速度分別為80/50/30μm /min、60/40/20μm /min、50/30/10μm /min，各加工一片，對粗糙度進(jìn)行5點(diǎn)測試，并計算其平均值，形成柱狀圖如圖6所示。

圖6可以看出，研磨速度為80/60/40μm /min時，其最大粗糙度、平均粗糙度均較大，為9.7nm、7.2nm，當(dāng)研磨速度降為60/40/20μm /min時，其最大粗糙度（Rmax）、平均粗糙度（Ra）分別降為8.0nm、6.3nm，當(dāng)研磨速度繼續(xù)降為50/30/10μm /min，其最大粗糙度、平均粗糙度與研磨速度為60/40/20μm /min時下的結(jié)果相平。因此當(dāng)增大減薄速度至80/60/40 μm /min時，硅片表面的粗糙度會有上升的趨勢，故增大減薄速度會導(dǎo)致硅片表面的粗糙度上升。

圖6 不同減薄速度的影響

（2）不同主軸轉(zhuǎn)速對粗糙度的影響

設(shè)定研磨的速度為60/40/20μm /min，調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速分別為2 000rpm、2 500rpm、3 000rpm、3 500rpm、4 000rpm、4 500rpm，各加工一片，并對粗糙度進(jìn)行5點(diǎn)測試，并計算其平均值，形成柱狀圖如圖7所示。

從圖中可以看出隨著主軸速度的增大（由2 000rpm增至4 500rpm），平均粗糙度與最大粗糙度均下降，因此，增大轉(zhuǎn)速有利于改善所減薄硅片表面的粗糙度。

圖7 不同主軸轉(zhuǎn)速對粗糙度的影響

將5.1的數(shù)據(jù)對比設(shè)備的性能指標(biāo)（Ra=0.005μm（50埃），Rmax=0.05 μm（500埃））可以發(fā)現(xiàn)，Ra值略高于設(shè)備的最優(yōu)指標(biāo)值，Rmax值遠(yuǎn)小于設(shè)備的最優(yōu)指標(biāo)值。

5.2 對比不同膜的影響

（1）使用三種不同厚度的膜進(jìn)行減薄，膜的厚度分別為70μm（A）、120μm（B）及140μm（C），分別加工5片，減薄后揭去膜，裸片厚度為450μm。然對減薄后的硅片進(jìn)行五點(diǎn)測試，計算其TTV并對數(shù)據(jù)進(jìn)行折線圖處理，如圖8所示。

圖8 不同厚度膜對減薄后裸片TTV的影響

從圖8中可以看出菱形（厚度為70 μm）曲線高于另外兩條曲線，說明使用厚度為70 μm的膜對減薄后硅片TTV的影響較大。相比于另外兩種膜（三角形曲線，厚度為140 μm；圓形曲線，厚度為120 μm），可以看出，對于產(chǎn)品質(zhì)量控制來說，由于其過薄，產(chǎn)品的質(zhì)量較差。

（2）探討膜的影響

取25片100mm片進(jìn)行貼膜、切膜、減薄及揭膜，片厚由540μm減薄至300μm。在整個過程中，記錄了各個狀態(tài)下的9點(diǎn)厚度，計算其平均值與TTV，并對各個狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如下所示：

（a）貼膜前與貼膜后、揭膜前與揭膜后的TTV對比

圖9為貼膜前與貼膜后的TTV對比，圖10揭膜前與揭膜后的TTV對比。從圖9可以看出，硅片在貼膜前其TTV的變化基本在2 μm ～4 μm間浮動，貼膜后，其TTV的浮動范圍變?yōu)?μm ～7μm之間；從圖10中可以看出，揭膜前其TTV多在2 μm ～4 μm間浮動，揭膜后其TTV的浮動范圍變?yōu)?μm ～8μm之間。因此，由于膜本身TTV的存在，會對硅片的TTV產(chǎn)生3 μm ～4 μm之間的負(fù)面影響。

圖9 貼膜前后TTV的對比

圖10 揭膜前后TTV的對比

（b）減薄前（含膜）與減薄后（含膜）的TTV對比

圖11為減薄前（含膜）與減薄后（含膜）的TTV對比，從圖中可以看出減薄前（含膜）硅片的TTV均較高，多為4 μm ～8 μm間；減薄后（含膜）硅片的TTV較低，多為2μm ～4μm之間。因此，對于TTV較大的硅片，經(jīng)過減薄，可以在一定的程度上降低TTV，有效地改善硅片厚度的均勻性。但對比設(shè)備的性能指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，減薄后的TTV大于最優(yōu)指標(biāo)（TTV=2 μm），因此，尚未達(dá)到設(shè)備的最佳能力。

（c）減薄前（裸片）與減薄后（裸片）TTV

圖12為減薄前（裸片）與減薄后（裸片）TTV的對比，從圖中可以看出，減薄前（裸片）的TTV多在2 μm ～4 μm間浮動。減薄后（裸片）的TTV多在3 μm ～5 μm間浮動，因此，對比加工前與加工后的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過減薄這一機(jī)械加工，硅片厚度的均勻性略有下降，為1μm ～2μm。但是，作為減薄本身工藝特性考慮，其加工過程是一個擠壓、破損、移除的物理過程，因此，對于1 μm ～2 μm的厚度偏差，可以說基本保持了加工前的均勻性水平。

圖11 減薄前（含膜）與減薄后（含膜）的TTV對比

圖12 減薄前（裸片）與減薄后（裸片）TTV

5.3 減薄過程分析

利用統(tǒng)計技術(shù)對減薄后的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，對5.2（2）中所述的25片減薄揭膜后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。目標(biāo)厚度為300μm，控制上限為310μm，控制下限為290μm，分別繪制運(yùn)行圖及工序能力指數(shù)圖，如圖13與圖14所示。

從圖13中可以看出，數(shù)據(jù)的最大值為302.333 3，數(shù)據(jù)的最小值為295.888 9，數(shù)據(jù)的平均值為299.026 7，減薄后的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均在上下控制限的范圍內(nèi)，說明所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均可接受。根據(jù)“點(diǎn)出界判異準(zhǔn)則”、“6點(diǎn)判異準(zhǔn)則”及“9點(diǎn)判異準(zhǔn)則”，說明此加工過程穩(wěn)定、授控。但對比設(shè)備最優(yōu)指標(biāo)，其TV=302.333 3-295.888 9=6.444 4μm＞2μm，說明并未達(dá)到設(shè)備的最優(yōu)指標(biāo)。

從圖14中同樣可以看出數(shù)據(jù)的最大值、最小值與平均值，此外，由于此數(shù)據(jù)屬于雙限值，觀察CPK，其值為1.521，大于1.33，小于1.67，故工序能力為合格。

圖13 減薄數(shù)據(jù)運(yùn)行圖

圖14 工序能力分析圖

6 結(jié)論

通過對樣品的減薄，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理，發(fā)現(xiàn)：

（1）對粗糙度的影響：減小減薄的速度、增大減薄的主軸轉(zhuǎn)速可以有效的改善研磨的效果?？紤]到生產(chǎn)效率，磨輪消耗等因素，在生產(chǎn)過程中，將參數(shù)設(shè)置為研磨速度：60/40/20μm /min，主軸轉(zhuǎn)速：4 000rpm。

（2）膜的厚度不同，對減薄后的TTV的影響不同，減薄膜不應(yīng)過薄。

（3）通過文中5.2（2）所述，對于型號為A的保護(hù)膜會對減薄硅片的TTV產(chǎn)生3μm ～4 μm之間的負(fù)面影響。對比設(shè)備的最優(yōu)指標(biāo)，目前的加工水平尚未達(dá)到最佳?？紤]到膜本身TTV的存在，因此，對于下一步控制來說，選用優(yōu)質(zhì)的保護(hù)膜，將有可能進(jìn)一步改善減薄的質(zhì)量。

（4）對于TTV較大的硅片，經(jīng)過減薄，可以有效地改善硅片厚度的均勻性。

（5）通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，證明了目前的加工質(zhì)量穩(wěn)定、授控。

［1］康仁科，郭東明，霍風(fēng)偉，等.大尺寸硅片背面磨削技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2003，28（9）：33-38.

［2］王仲康.超薄化芯片[J].電子工藝專用設(shè)備，2006，142：13-18.