淺談晶圓超薄化

楊文杰

(天水華天科技股份有限公司，甘肅天水741000)

為了滿足電子器件微型化，多功能化和智能化的要求，當(dāng)集成電路封裝器件在x-y 平面上的空間有限甚至稀缺時(shí)，封裝業(yè)將焦點(diǎn)放在了第三維（z 軸）上，這樣不僅減小了封裝體積，同時(shí)提高了電路性能，減小了寄生效應(yīng)和時(shí)間延遲。基于此優(yōu)勢(shì)，出現(xiàn)了許多垂直封裝技術(shù)（3D 封裝），如芯片疊層封裝PiP（Package in Package），封裝體堆疊POP（Package on Package），多芯片封裝MCP（Multi Chip Package），系統(tǒng)級(jí)封裝SIP（System in Package），晶圓級(jí)封裝WLP（Wafer Level Packaging），硅通孔TSV（Through-silicon Vias）技術(shù)以及倒裝FC（Flip chip）技術(shù)等。

但是，無(wú)論采用哪種堆疊形式和焊接方式，在封裝整體厚度不變甚至需要降低的趨勢(shì)下，疊層芯片的厚度就不可避免地要求更薄。一般情況下，較為先進(jìn)的疊層封裝所使用的芯片厚度都在100 μm以下。隨著封裝技術(shù)的發(fā)展和電子產(chǎn)品的需求，堆疊的層數(shù)越來(lái)越多，芯片的厚度將越來(lái)越薄。因此，晶圓超薄化在未來(lái)的IC 封裝業(yè)中將扮演更加重要的角色，其適用范圍也越來(lái)越廣，如MEMS 元器件的封裝[1]。

1 超薄化帶來(lái)的問(wèn)題

傳統(tǒng)上，芯片減薄工藝應(yīng)用在晶圓表面電路制造完成后，對(duì)芯片背面硅材料進(jìn)行磨削減薄（Backside grinding），使其達(dá)到所需的厚度?，F(xiàn)在，對(duì)芯片減薄的主流工藝是晶圓自旋轉(zhuǎn)磨削[2]（Wafer rotating grinding）。即把所要加工的晶圓粘結(jié)到減薄藍(lán)膜上，然后把藍(lán)膜及上面芯片利用真空吸附到旋轉(zhuǎn)的多空陶瓷承片臺(tái)上，高速旋轉(zhuǎn)的磨輪從表層開(kāi)始逐層向下對(duì)晶圓進(jìn)行磨削加工，這種磨削方式中，在磨削工位，承片臺(tái)旋轉(zhuǎn)，磨輪進(jìn)給系統(tǒng)帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的磨輪緩慢均勻地向下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)磨削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。這種垂直向下進(jìn)刀磨削方式（In-feed grinding）磨削原理如圖1所示。

圖1 晶圓自旋轉(zhuǎn)磨削

一般情況下，晶圓普通減薄只需將晶圓從晶圓加工完成時(shí)的厚度減薄到280～400 μm。在這個(gè)厚度上，晶圓有足夠的厚度來(lái)容忍減薄過(guò)程中的磨消對(duì)芯片的損傷及應(yīng)力，同時(shí)，其剛性也足以使晶圓保持原有的平整狀態(tài)。晶圓超薄減薄需要將晶圓厚度減薄到100 μm 以下，但是隨著晶圓厚度尺寸的減小，芯片的強(qiáng)度隨之降低，減薄過(guò)程中所形成的微裂紋對(duì)芯片的影響便越來(lái)越大。

由于晶圓太薄，超薄晶圓具有自己的特點(diǎn)，減薄到厚度為50 μm 的晶圓如圖2所示。

圖2 厚度為50 μm 的超薄晶圓

對(duì)于和一張報(bào)紙一樣薄的大晶圓，在其自身重力作用下就會(huì)發(fā)生很大的變形，卷曲，會(huì)在微動(dòng)氣流中發(fā)生顫振；具有鋒利的邊緣，會(huì)與其他平面粘合在一起而難分開(kāi)，同時(shí)無(wú)法置于傳統(tǒng)的晶圓裝載匣內(nèi)等特性，因此任何硬性邊緣接觸都有可能造成致命性的破毀。如果芯片在減薄過(guò)程中，背面形成了較深的微裂紋或有大的崩邊現(xiàn)象，那么晶圓在減薄的過(guò)程中或后道處理工藝中就增加了破碎的可能性。另外，由于減薄本身就是一個(gè)磨削的過(guò)程，磨削下來(lái)的硅粒會(huì)有對(duì)超薄的芯片造成傷害的可能。因此，這就需要在減薄后應(yīng)對(duì)襯底背面進(jìn)行拋光。但是由于超薄晶圓的特點(diǎn)，即會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的翹曲，使表面損傷，進(jìn)而造成破裂，這會(huì)對(duì)晶圓搬到拋光機(jī)和劃片機(jī)上造成困難。

所以，超薄化工藝的問(wèn)題主要有兩個(gè)方面：（1）減薄工藝產(chǎn)生的損傷的去除與應(yīng)力的減??；（2）晶圓減薄工藝到劃片貼片之間的傳送。

2 超薄化的新思路

目前，業(yè)內(nèi)的主要解決方案是采用東京精密公司的一體機(jī)思路，將粗磨，細(xì)磨，拋光等工序集合在一臺(tái)設(shè)備內(nèi)[3]。通過(guò)機(jī)械式搬送方式，晶圓從粗磨到細(xì)磨一直到拋光都始終被吸附在真空吸盤上。圖3是東京精密公司一體機(jī)的基本配置示意圖。圖中的PG 部分是磨片和拋光的集成體。通過(guò)一個(gè)帶有4 個(gè)真空吸盤的大圓盤回轉(zhuǎn)臺(tái)的360°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使晶圓在不用離開(kāi)真空吸盤的情況下就可以順次移送到粗磨、精磨、拋光等不同的加工位，完成整個(gè)減薄的過(guò)程。同時(shí)，通過(guò)機(jī)械式搬送系統(tǒng)使晶圓從磨片一直到粘貼劃片膜為止始終被吸在真空吸盤上，保持平整狀態(tài)。晶圓在劃片貼膜之后，就不會(huì)發(fā)生翹曲、下垂等問(wèn)題，這是因?yàn)閯澠N膜的張力足以應(yīng)付晶圓超薄化后的應(yīng)力。但是，這種設(shè)備的成本很高。

圖3 一體機(jī)示意圖

如何在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)晶圓的超薄化與傳送，又能得到最低的擁有設(shè)備成本，這就需要解決上述兩個(gè)主要問(wèn)題。

2.1 損傷的去除與應(yīng)力的減小

磨削工藝本身就是一種物理?yè)p傷性工藝，其去除硅材質(zhì)的過(guò)程本身就是一個(gè)物理施壓、損傷、破裂、移除的過(guò)程，而這些損傷是造成后續(xù)加工破片的直接原因。通過(guò)電子透鏡TEM 的觀察，我們可以清楚地看到在傳統(tǒng)減薄工藝的325#和2000#粗精磨之后殘留在磨削表面的損傷，如圖4所示[4]。

減薄操作的生產(chǎn)過(guò)程從圖5中可以看出主要為：貼膜、切膜、減薄、揭膜幾個(gè)階段。

圖4 電子透鏡TEM 的磨削面損傷觀察

圖5 減薄生產(chǎn)流程

在生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程中，均可能引入研磨質(zhì)量下降的因素。因此，對(duì)生產(chǎn)控制來(lái)講，生產(chǎn)中所涉及到的人、機(jī)、料、法、環(huán)均需作為控制點(diǎn)加以控制。圖6為影響減薄質(zhì)量因素的魚(yú)骨圖。主要說(shuō)明了減薄質(zhì)量的影響因素，其中磨輪轉(zhuǎn)速、晶圓轉(zhuǎn)速、磨輪粒度及溫度為主要因素。本文主要探討了磨輪轉(zhuǎn)速、晶圓轉(zhuǎn)速及溫度等對(duì)表面粗糙度的影響。

圖6 減薄質(zhì)量因素魚(yú)骨圖

據(jù)現(xiàn)有研究表明[5]，芯片的損傷層厚度主要取決于設(shè)備所采用的技術(shù)手段，也與工藝線上所選用的砂輪金剛砂的基本材料、金剛砂粒度的大小有關(guān)系。結(jié)果整理如下：

（1）磨輪粒度：粒度越大，表面粗糙度越大，裂痕層越深，影響最顯著。

（2）進(jìn)給：進(jìn)給越大，裂痕層越深，表面粗糙度越大，以粗磨較明顯。

（3）晶圓轉(zhuǎn)速：晶圓轉(zhuǎn)速越大，裂痕層越深，表面粗糙度越大。

（4）磨輪轉(zhuǎn)速：磨輪轉(zhuǎn)速越大，裂痕層越淺，表面粗糙度越小。

（5）溫度越高時(shí)，裂痕越不容易產(chǎn)生。

根據(jù)以上研究結(jié)果，可以就如何減少磨削加工中的裂痕層作出一個(gè)合理的推測(cè)：在粗磨過(guò)后的細(xì)磨中，當(dāng)細(xì)磨到一定厚度時(shí)，我們需要減小晶圓轉(zhuǎn)速，增大磨輪轉(zhuǎn)速，以及減小磨輪進(jìn)給系統(tǒng)向下運(yùn)動(dòng)的速度，提高磨削溫度，這樣可以使表面損傷層厚度盡量減小，同時(shí)，提高了晶圓強(qiáng)度。但是，這樣還是無(wú)法消除損傷層及應(yīng)力，存在裂片的可能性。考慮到減薄磨消過(guò)程中，背面所形成的微裂紋對(duì)超薄晶圓的影響，這些微裂紋在一般的IC 晶圓后續(xù)加工中，雖然不能造成太大的影響。但是隨著晶圓的超薄化，就必須考慮這些損傷和微裂紋，這些損傷和微裂紋是造成破片的主要原因。拋光是移除減薄損傷及應(yīng)力的一個(gè)有效方法。拋光結(jié)束后，晶圓的厚度就達(dá)到了所需的厚度，如≤50 μm，還顯著地減小了晶圓的翹曲度，同時(shí)提高了芯片的強(qiáng)度。

2.2 減薄工藝到劃片貼片之間的晶圓傳送

在晶圓被減薄到100 μm 以下后，除了對(duì)減薄自身的挑戰(zhàn)外，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，向后續(xù)工藝的晶圓傳遞、搬送也遇到了很大的問(wèn)題。晶圓在100 μm 以下的厚度，表現(xiàn)出形態(tài)上柔軟、剛性差，實(shí)質(zhì)脆弱的物理特性，而且有應(yīng)力造成的翹曲，隨著晶圓厚度尺寸的減小，晶圓的強(qiáng)度也隨之降低，容易發(fā)生“崩邊”等現(xiàn)象。這樣的特性給晶圓的搬送帶來(lái)了很大的麻煩。以下兩種方案可以實(shí)現(xiàn)晶圓在原有設(shè)備上超薄化后的傳送，即解決減薄工藝到拋光工藝，再到劃片工藝之間的晶圓傳遞問(wèn)題。

第一種解決方案是將兩片晶圓對(duì)準(zhǔn)，利用藍(lán)膜雙面膠粘貼在一起，正面相對(duì)粘貼，如圖7所示。然后分兩次進(jìn)行減薄。第一次減薄時(shí)，一片晶圓被吸附到旋轉(zhuǎn)的多空陶瓷承片臺(tái)上，對(duì)另一片晶圓進(jìn)行粗磨和細(xì)磨，減薄機(jī)參數(shù)的設(shè)定需要考慮到藍(lán)膜和未減薄晶圓的厚度。第二次減薄的參數(shù)設(shè)定則需要將已減薄晶圓的厚度和藍(lán)膜計(jì)算在內(nèi)。粗磨和細(xì)磨時(shí)，要注意減少裂痕層。這樣利用兩層晶圓的厚度來(lái)增強(qiáng)超薄晶圓的強(qiáng)度，防止發(fā)生翹曲。然后就可以轉(zhuǎn)移至拋光工序，消除損傷層及應(yīng)力。但是，由于兩面晶圓背面減薄的參數(shù)不同，每次加工都需要改變參數(shù)，而且減薄后兩片晶圓的分離是一個(gè)難題。

圖7 晶圓粘貼示意圖

所以，第二種方案是制作出一個(gè)特別的支撐系統(tǒng)，取代第一種方案中的一片晶圓，如圖8所示。這個(gè)支撐系統(tǒng)是高剛性的有機(jī)玻璃等材料的圓片，同時(shí)，表面要求光滑、平整，尺寸和需要加工的晶圓相同。

圖8 晶圓與支撐系統(tǒng)粘貼示意圖

簡(jiǎn)單地講，它就相當(dāng)于一體機(jī)的真空吸盤，使晶圓從粗磨到拋光，再到劃片貼膜始終吸附在這個(gè)支撐系統(tǒng)上，這樣我們就可以借助支撐系統(tǒng)的剛性來(lái)克服晶圓超薄化后的翹曲等特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了減薄到拋光，再到劃片貼膜之間的晶圓傳送。另外，減薄時(shí)需要在原有設(shè)備上對(duì)減薄參數(shù)進(jìn)行改動(dòng)，其晶圓減薄前后的厚度需要將支撐系統(tǒng)和UV 膜雙面膠的厚度計(jì)算在內(nèi)。拋光結(jié)束后，連同支撐系統(tǒng)一起粘貼固定在綳膜環(huán)上，然后進(jìn)行光照，使UV 膜的粘貼力降低，最后分離支撐系統(tǒng)和晶圓，這樣超薄化的晶圓就被固定在崩膜環(huán)上，完成了晶圓減薄工藝到拋光工藝，再到劃片工藝之間的晶圓傳遞。

3 結(jié) 論

晶圓超薄化已是一個(gè)必然趨勢(shì)，它不僅能減小封裝體積，而且可以提高電路性能，減小寄生損失和時(shí)間延遲等，也是封裝新技術(shù)的要求，同時(shí)，芯片的超薄化在微生物和微傳感器和軍事上的發(fā)展起著重要作用。

[1]王宇哲.應(yīng)用于MEMS 鳳祖昂的TSV 工藝研究[J].加工、測(cè)量與設(shè)備，2012(1)：61-67.

[2]王仲康.超薄化芯片[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2006(162)：13-18.

[3]董志義.3D IC 集成與硅通空(TSV)互連[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2009(170)：27-34.

[4]廖凱.堆疊/3D 封裝的關(guān)鍵技術(shù)之一-晶圓減薄[J]，中國(guó)集成電路，2007（5）：83-85.

[5]蔣群.硅晶圓表面磨削數(shù)學(xué)模型與硅晶圓表面/ 次表面性質(zhì)的研究[D].上海：上海交通大學(xué).2006.