晶圓減薄表面損傷層對(duì)斷裂強(qiáng)度影響的研究

馮小成，李 峰，李洪劍，荊林曉，賀晉春，井立鵬

（北京時(shí)代民芯科技有限公司，北京 100076）

1 引言

在集成電路封裝行業(yè)中，減薄工藝后晶圓表面加工質(zhì)量直接影響著封裝后器件的性能、成品率以及可靠性。隨著半導(dǎo)體硅晶圓直徑的增大和芯片厚度的超薄化，其表面加工質(zhì)量需要滿足更高的要求。

硅晶圓背面減薄是后道封裝過(guò)程中的關(guān)鍵工藝，晶圓減薄的目的是將其在傳遞過(guò)程中起支撐作用的背面多余材料去除，減小器件封裝尺寸，降低芯片熱阻，改善其寄生電參數(shù)等。常見的減薄方式有機(jī)械磨削、電化學(xué)腐蝕、濕法腐蝕等，其中機(jī)械磨削減薄效率高、成本低，在半導(dǎo)體集成電路封裝領(lǐng)域得到大力發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

本文研究硅晶圓機(jī)械磨削減薄工藝及損傷層厚度的影響因素、損傷層厚度與晶圓斷裂強(qiáng)度的關(guān)系，優(yōu)化減薄工藝，提升封裝可靠性。

2 機(jī)械磨削減薄工藝簡(jiǎn)介

在半導(dǎo)體集成電路前道制造工藝中，晶圓需要經(jīng)過(guò)上百道工藝的微加工，在這上百道工藝的傳遞過(guò)程中，為保證工藝質(zhì)量，晶圓必須具有一定的厚度，從而保證自身的強(qiáng)度能在上百次傳遞過(guò)程中不發(fā)生變形或變形在可接受的范圍內(nèi)。

在集成電路封裝過(guò)程中，考慮到封裝后器件物理尺寸和散熱的要求，需要對(duì)晶圓進(jìn)行減薄，將晶圓背面多余的基體材料去除，提升芯片導(dǎo)熱能力、減小芯片厚度，以達(dá)到減小封裝厚度的目的。

2.1 機(jī)械磨削減薄原理

機(jī)械磨削減薄工藝是一種通過(guò)減薄設(shè)備磨輪對(duì)加工物表面基體施壓、損傷、碎裂、移除的物理研磨工藝，通過(guò)機(jī)械磨削可以降低加工物的厚度，機(jī)械磨削減薄示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械磨削減薄示意圖

2.2 機(jī)械磨削減薄工藝過(guò)程

晶圓機(jī)械磨削減薄工藝中，由于晶圓的初始厚度較厚，一般為780 μm左右，晶圓減薄的最終厚度一般為幾百微米甚至幾十微米，去除量較大，單個(gè)過(guò)程難以兼顧減薄效率、尺寸精度和減薄后的背面狀態(tài)。因此，晶圓減薄一般分為粗磨、精磨和拋光3個(gè)過(guò)程，最終去除晶圓背面多余的基體材料并使晶圓背面達(dá)到良好的表面狀態(tài)。

粗磨工藝的目的是快速去除晶圓背面基體待去除量的80%左右，這個(gè)過(guò)程一般采用300目左右的磨輪，機(jī)械磨削主軸以3500～4000轉(zhuǎn)/min左右的轉(zhuǎn)速、5～10 μm/s左右的進(jìn)給速度進(jìn)行機(jī)械磨削，粗磨后晶圓狀態(tài)如圖2（a）所示。

精磨工藝的目的是精準(zhǔn)地去除粗磨后晶圓背面剩余的基體材料，這個(gè)過(guò)程一般采用2000目左右的磨輪，機(jī)械磨削主軸以3000～3500轉(zhuǎn)/min左右的轉(zhuǎn)速，0.5～1 μm/s左右的進(jìn)給速度進(jìn)行機(jī)械磨削，精磨后晶圓狀態(tài)如圖2（b）所示。

拋光工藝的目的是通過(guò)對(duì)精磨后晶圓背面進(jìn)行超精細(xì)加工，改善其背面物理狀態(tài)，降低其粗糙度、損傷層和殘余應(yīng)力等，主要有化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）和機(jī)械干式拋光兩種方式?；瘜W(xué)機(jī)械拋光是利用化學(xué)腐蝕和機(jī)械力對(duì)加工過(guò)程中的硅晶圓進(jìn)行平滑處理，在研磨過(guò)程中添加研磨液，研磨液與晶圓表面材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將其表層基體材料軟化，通過(guò)拋光墊上磨粒的微機(jī)械摩擦作用將表面反應(yīng)物去除；機(jī)械干式拋光是利用干式拋光輪在主軸壓力作用下對(duì)晶圓進(jìn)行表面拋光，拋光過(guò)程不添加任何液體物質(zhì)，利用磨輪本身特殊的有機(jī)磨粒摩擦作用將晶圓表面基材帶走。本文采用的拋光方式是機(jī)械干式拋光，拋光后晶圓狀態(tài)如圖 2（c）所示。

圖2 晶圓機(jī)械磨削減薄中加工面狀態(tài)

2.3 機(jī)械磨削減薄的風(fēng)險(xiǎn)

如2.1節(jié)所述，機(jī)械磨削減薄工藝是一種物理研磨工藝，晶圓需要承受減薄設(shè)備磨輪的壓力，表面基材經(jīng)歷損傷、碎裂、移除的物理過(guò)程，加工后必定會(huì)在加工面產(chǎn)生一定厚度的損傷層，降低晶圓強(qiáng)度。在后續(xù)的晶圓劃片、分片等傳遞過(guò)程中易發(fā)生碎片事故，甚至在減薄過(guò)程中直接碎片、裂片致使晶圓報(bào)廢。

3 機(jī)械磨削工藝對(duì)晶圓表面損傷層影響研究

機(jī)械磨削減薄工藝中，減薄后晶圓被加工表面狀態(tài)的影響因素有減薄磨輪性能、主軸轉(zhuǎn)速和主軸進(jìn)給速度等工藝參數(shù)，各參數(shù)均會(huì)對(duì)減薄后的晶圓表面狀態(tài)造成影響。

3.1 減薄磨輪的影響

機(jī)械磨削減薄去除晶圓表面基材主要是利用減薄磨輪表面露出的金剛石顆粒將晶圓表面材料打碎移除，如圖3所示，減薄磨輪目數(shù)對(duì)減薄后晶圓表面狀態(tài)會(huì)造成較大的影響。

圖3 機(jī)械磨削減薄

本文采用320目、2000目、6000目磨輪（目數(shù)表征磨輪表面金剛石顆粒大?。?、干式拋光磨輪在主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等工藝條件相同的情況下將8英寸晶圓減薄到470 μm，表1為本實(shí)驗(yàn)工藝條件，圖4～7為使用320目、2000目、6000目磨輪、干式拋光輪機(jī)械磨削后的加工面損傷層狀態(tài)。

表1 機(jī)械磨削工藝條件表

圖4 320目磨輪減薄

圖5 2000目磨輪減薄

圖6 6000目磨輪減薄

圖7 干拋磨輪減薄

本實(shí)驗(yàn)共3組，每組取4種磨輪機(jī)械磨削后的晶圓同一部位的條狀樣品制樣噴金后通過(guò)電鏡測(cè)量其內(nèi)部微裂紋深度，測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同目數(shù)磨輪研磨后晶圓加工面微裂紋深度

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：機(jī)械磨削過(guò)程中選用大目數(shù)的磨輪能夠減小機(jī)械磨削減薄后晶圓被加工面的損傷層深度。

減薄磨輪目數(shù)表征的是磨輪表面粘附的金剛石顆粒的大小，目數(shù)越大顆粒尺寸越小。金剛石顆粒尺寸影響顆粒與磨輪表面結(jié)合劑、晶圓表面材料的接觸面積，金剛石顆粒尺寸較大時(shí)，顆粒與磨輪表面結(jié)合劑的接觸面積大，產(chǎn)生的粘附性較強(qiáng)，顆粒不易脫落；同時(shí)顆粒在機(jī)械磨削過(guò)程中與晶圓表面材料的接觸面積較大，進(jìn)而影響磨輪表面每顆金剛石顆粒在晶圓表面的去除量，去除量大產(chǎn)生的機(jī)械磨削力就會(huì)相應(yīng)增大，晶圓表面損傷就會(huì)變大，使得表面損傷層變大，痕跡明顯。

3.2 主軸轉(zhuǎn)速影響

本文選用 1000 r/min、3500 r/min、7000 r/min 的主軸轉(zhuǎn)速，在磨輪選型、進(jìn)給速度等工藝條件相同的情況下將8英寸晶圓減薄到470 μm，表3為本實(shí)驗(yàn)工藝條件，圖8～10為3種轉(zhuǎn)速下機(jī)械磨削后加工面損傷層狀態(tài)。

表3 不同主軸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)的工藝條件表

圖8 轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)減薄后裂紋

圖9 轉(zhuǎn)速3500轉(zhuǎn)減薄后裂紋

圖10 轉(zhuǎn)速7000轉(zhuǎn)減薄后裂紋

本實(shí)驗(yàn)共3組，每組取3種轉(zhuǎn)速下機(jī)械磨削后的晶圓同一部位的條狀樣品制樣噴金后通過(guò)電鏡測(cè)量其內(nèi)部微裂紋深度，測(cè)量數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同主軸轉(zhuǎn)速研磨后晶圓加工面微裂紋深度

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在一定范圍內(nèi)提高主軸轉(zhuǎn)速能夠減小機(jī)械磨削減薄后晶圓被加工面的損傷層深度。

在一定的進(jìn)給速度下，晶圓機(jī)械磨削減薄過(guò)程采用較高的轉(zhuǎn)速時(shí)，磨輪每轉(zhuǎn)的去除量較小，磨輪表面每顆金剛石顆粒所承受的負(fù)載減小，機(jī)械磨削產(chǎn)生的阻力較小，可以提升機(jī)械磨削表面的質(zhì)量，在一定范圍內(nèi)減小晶圓表面微裂紋深度。但超過(guò)一定的轉(zhuǎn)速后，主軸高速旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的振動(dòng)也會(huì)相應(yīng)增加，振動(dòng)引起機(jī)械磨削過(guò)程中磨輪的抖動(dòng)，會(huì)降低加工質(zhì)量。

3.3 主軸進(jìn)給速度

本文選用 0.5 μm/s、2.0 μm/s、5.0 μm/s 的主軸進(jìn)給速度，在磨輪選型、主軸轉(zhuǎn)速等工藝條件相同的情況下將8英寸晶圓減薄到470 μm，表5為本實(shí)驗(yàn)工藝條件，圖11～13為3種進(jìn)給速度下機(jī)械磨削后加工面損傷層的狀態(tài)。

表5 不同主軸進(jìn)給速度實(shí)驗(yàn)工藝條件

圖11 進(jìn)給速度0.5 μm/s減薄后裂紋

圖12 進(jìn)給速度2.0 μm/s減薄后裂紋

圖13 進(jìn)給速度5.0 μm/s減薄后裂紋

本實(shí)驗(yàn)共3組，每組取3種進(jìn)給速度下機(jī)械磨削后晶圓同一部位的條狀樣品制樣噴金后通過(guò)電鏡測(cè)量其內(nèi)部微裂紋深度，測(cè)量數(shù)據(jù)見表6。

表6 不同進(jìn)給速度研磨后晶圓加工面微裂紋深度

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在機(jī)械磨削過(guò)程中，選用較低的進(jìn)給速度能夠減小機(jī)械磨削減薄后晶圓被加工面的損傷層深度。

進(jìn)給速度較大時(shí)，機(jī)械磨削速度增加，磨輪單位時(shí)間的去除量增大，磨輪表面每顆金剛石顆粒的負(fù)載也會(huì)增加，機(jī)械磨削過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械磨削力相應(yīng)增大，損傷層加深，導(dǎo)致晶圓被加工面的表面質(zhì)量降低。

4 機(jī)械磨削后產(chǎn)生損傷層與晶圓斷裂強(qiáng)度的關(guān)系

減薄后晶圓的斷裂強(qiáng)度是指晶圓在承受載荷的作用下產(chǎn)生斷裂所需的應(yīng)力。由于晶圓經(jīng)過(guò)減薄加工后，晶圓背面出現(xiàn)損傷層，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，降低了晶圓材料本身的斷裂強(qiáng)度，使不同狀態(tài)加工面的晶圓具有不同的斷裂強(qiáng)度。本文采用“三點(diǎn)壓力法”實(shí)驗(yàn)測(cè)量樣品斷裂強(qiáng)度，斷裂強(qiáng)度表達(dá)式可表示為：

式中：σ為斷裂強(qiáng)度，單位MPa；F為最大載荷，單位N；L為工裝的下跨距，單位mm；b為試樣寬度，單位mm；d為平行于加載方向的試樣高度，單位mm。

圖14 “三點(diǎn)壓力法”示意圖

本實(shí)驗(yàn)樣品及工裝的尺寸為：試樣寬度b=15 mm，平行于加載方向的試樣高度d=0.470 mm，工裝的下跨距L=41 mm。

由3.1節(jié)可知，磨輪目數(shù)對(duì)機(jī)械磨削減薄后晶圓被加工表面損傷層厚度影響較大，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)選用320目、2000目、6000目和干拋磨輪獲取損傷層不同的樣品，樣品厚度470 μm。由前述可知4種磨輪獲得樣品的平均損傷層厚度分別為 21 μm、9.45 μm、6.64 μm、0.03 μm。

本實(shí)驗(yàn)共6組，每組取4種磨輪機(jī)械磨削后的晶圓，利用全自動(dòng)劃片機(jī)選用優(yōu)化后的劃片參數(shù)劃成15毫米寬的條狀，根據(jù)國(guó)軍標(biāo)548B中的芯片檢驗(yàn)要求對(duì)樣品進(jìn)行檢驗(yàn)，選取符合要求的樣品作為本實(shí)驗(yàn)樣品。本實(shí)驗(yàn)選用一個(gè)具有2個(gè)固定支撐點(diǎn)的工裝用于試樣的支撐和加載，兩固定支撐點(diǎn)的距離為41 mm。通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)將其壓斷測(cè)量其斷裂力，試驗(yàn)機(jī)壓頭下降速度為0.5 mm/min。通過(guò)上述斷裂強(qiáng)度公式計(jì)算樣品的斷裂強(qiáng)度，斷裂力測(cè)量數(shù)據(jù)見表7，斷裂強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表8。

表7 不同目數(shù)磨輪研磨后晶圓3點(diǎn)壓力實(shí)驗(yàn)斷裂力

表8 不同目數(shù)磨輪研磨后晶圓斷裂強(qiáng)度

不同目數(shù)的磨輪機(jī)械磨削后會(huì)在晶圓被加工面形成不同厚度的損傷層，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得損傷層的厚度直接影響晶圓減薄后的斷裂強(qiáng)度，晶圓損傷層的厚度越大，其斷裂強(qiáng)度越小。

5 機(jī)械磨削減薄工藝優(yōu)化

穩(wěn)定的機(jī)械磨削減薄工藝需要磨輪、工藝參數(shù)相匹配，各階段去除量合理，既保證機(jī)械磨削后的質(zhì)量又能保證機(jī)械磨削的效率。

在磨輪選擇方面，粗磨階段選用目數(shù)較小金剛石顆粒較大的磨輪快速去除晶圓絕大部分待去除材料，精磨階段選用目數(shù)較大金剛石顆粒較小的磨輪優(yōu)化粗磨產(chǎn)生的加工面。

在去除量設(shè)定方面，由3.1節(jié)可知，粗磨磨輪對(duì)晶圓進(jìn)行機(jī)械磨削后的損傷層在20 μm左右，精磨階段的去除量設(shè)定為30 μm即可保證粗磨產(chǎn)生的損傷層能被去除干凈，其余部分在粗磨階段快速去除。

在工藝參數(shù)匹配方面，粗磨階段較高的進(jìn)給速度和較高的主軸轉(zhuǎn)速，在確保機(jī)械磨削效率的同時(shí)盡可能減小機(jī)械磨削力，快速去除材料并且確保加工質(zhì)量；精磨階段較低的進(jìn)給速度和中等轉(zhuǎn)速，在確保機(jī)械磨削質(zhì)量的同時(shí)保證金剛石顆粒能夠及時(shí)更新。

6 結(jié)論

機(jī)械磨削減薄工藝中，晶圓被加工面損傷層厚度的影響因素主要有磨輪目數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速和主軸進(jìn)給速度，在一定范圍內(nèi)，選用大目數(shù)磨輪、提升主軸轉(zhuǎn)速、降低主軸進(jìn)給速度能夠有效減小減薄后晶圓被加工面損傷層的厚度；晶圓被加工面損傷層的厚度越大，其斷裂強(qiáng)度越小，傳遞過(guò)程碎裂風(fēng)險(xiǎn)越大。

通過(guò)減薄工藝的優(yōu)化，我們減小了晶圓減薄后被加工表面的損傷層厚度，降低了表面粗糙度，減少了機(jī)械磨削后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，增大其斷裂強(qiáng)度，一方面提升了晶圓在封裝傳遞過(guò)程中的強(qiáng)度，減小因傳遞帶來(lái)的碎片幾率；另一方面也降低了芯片物理狀態(tài)對(duì)封裝后器件性能的影響，并且提升了器件抗機(jī)械振動(dòng)等能力，提升了器件的壽命和可靠性。