等離子體蝕刻在提高傳感器芯片強(qiáng)度方面的研究

金則清 李萬品

（東莞新科技術(shù)研究開發(fā)有限公司 廣東省東莞市 523087）

隨著傳感器產(chǎn)品在汽車上的廣泛應(yīng)用，傳感器的可靠性和安全性變得尤為重要；而貼片DB 中出現(xiàn)芯片斷裂則具有極大的危害性，輕則導(dǎo)致產(chǎn)品報廢而優(yōu)率降低，重則因產(chǎn)品性能在汽車高速行駛過程中因產(chǎn)品性能喪失引起重大交通事故，導(dǎo)致人員傷亡。鑒于此，改善芯片強(qiáng)度避免芯片斷裂已刻不容緩。

從本文的研究得知，通過減小晶圓減薄工藝中磨輪顆粒的大小能改善芯片的強(qiáng)度，但仍然不能徹底消除此類壞品。進(jìn)一步的實(shí)驗表明，使用等離子體化學(xué)蝕刻的方式能很好的移去晶圓磨削面的損傷層而不產(chǎn)生新的損傷層，從而使得芯片的強(qiáng)度有大幅度的提升并消除了芯片斷裂的風(fēng)險。

1 貼片DB工序中的芯片斷裂的現(xiàn)象描述及分析

本文討論的工序主要是晶圓的減薄劃片及貼片工序,其目的是將切割好的芯片利用貼片機(jī)粘貼到引線框架上。其主要流程：晶圓背面減?。˙G）→晶圓粘貼切割膜（Bonding）→晶圓劃片（Dicing，將晶圓切割成單粒芯片）→貼片（DB），完成了貼片DB 后轉(zhuǎn)移到下工序。通過這些工序之后需要檢測芯片斷裂的情況。

從光學(xué)圖片能探測到芯片斷裂情況，如圖1。

圖1：芯片斷裂的典型的圖片

2 貼片DB工序中的芯片斷裂的形成機(jī)理

通過觀察發(fā)現(xiàn)，芯片的裂痕方向與背面磨的磨痕方向大體一致。磨痕較深的地方是應(yīng)力集中的區(qū)域，因而在貼片DB 過程中容易因頂桿向上的推力而產(chǎn)生斷裂，見示意圖2。

圖2：貼片DB 物料頂升示意圖

3 改善芯片強(qiáng)度的有效方法

3.1 晶圓減薄的磨輪顆粒優(yōu)化

通過查閱相關(guān)的資料及以往實(shí)驗的經(jīng)驗，減小磨輪顆粒的大小，能更好地減小背磨面的表面粗糙度，從而相應(yīng)地減小背磨面的損傷層，達(dá)到提升芯片強(qiáng)度之目的。

將磨輪的顆粒從SD3000 改為SD6000 后，磨輪磨料的表面粗糙度從23.5nm 改善到14.7nm，物料磨削面的損傷層也從387.6nm改善到172.5nm（見表1），結(jié)果顯示芯片斷裂的比率從201 DPPM改到10 DPPM。但由于磨輪顆粒更細(xì)的話，它的磨削能力將會降低，晶圓的除去量也會相應(yīng)的降低，出現(xiàn)所謂磨不動的現(xiàn)象。因此為了進(jìn)一步的提高芯片的抗折強(qiáng)度，我們應(yīng)該考慮如何將磨削面的損傷層減到最少而不只是減小物理表面粗糙度。采用等離子刻蝕的方法去減少磨削面的損傷層是否可行呢？因此我們接下來研究等離子體蝕刻的方法并檢驗其效果。

表1

3.2 等離子體物理蝕刻

等離子物理刻蝕是一種干式刻蝕。它的工作原理是把Ar、Kr或Xe之類的惰性氣體充入離子源放電室并使之電離形成等離子體，然后由柵極將離子呈線狀引出、加速、匯聚成一定能量的離子束進(jìn)入工作室，射向和撞擊工件表面，將能量傳遞給工件材料的原子或分子，其中一部分能量使工件的原子或分子產(chǎn)生濺射，拋出工件表面。當(dāng)這樣的過程連續(xù)進(jìn)行時，可以使工件表面原子或者分子層層銑削，達(dá)到除去損傷層的目的。

這樣通過物理的方法利用Ar離子去轟擊晶圓研磨層的過程中，也可能會產(chǎn)生新的損傷層，使用TEM 測試顯示最終損傷層減薄不明顯（從172.5nm 到150.6nm），測試芯片的抗壓強(qiáng)度改善效果也不明顯，只提高大約10%（從2.64N 到2.91N），見表2。因此不建議采用等離子體物理蝕刻。

表2

3.3 等離子體化學(xué)蝕刻

在半導(dǎo)體、集成電路等電子產(chǎn)品生產(chǎn)中，等離子表面刻蝕是一種常用的工藝。是利用典型的氣體電離形成具有強(qiáng)烈蝕刻性的氣相等離子體與物體表面的基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成如CO,CO2,H2O等氣體，從而達(dá)到蝕刻的目的。四氟化碳（CF4）是實(shí)現(xiàn)刻蝕功能的一種無色無味的氣體，無毒、不燃。四氟化碳（CF4）在電離后會產(chǎn)生含氫氟酸成分的刻蝕性氣相等離子體，能夠?qū)Ω鞣N有機(jī)表面實(shí)現(xiàn)刻蝕達(dá)到去除損傷層的目的。在晶圓制造、線路板制造、太陽能電池板制造等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。工作腔體中通入CF4加O2后等離子體刻蝕硅晶圓Si 的反應(yīng)過程如下：

O2+CF4+Si=SiF4↑+CO2↑

反應(yīng)后產(chǎn)生的SiF4能隨等離子刻蝕機(jī)的工作腔體抽真空抽走。為了比較等離子蝕刻后的效果，采用了投射電子顯微鏡TEM 對SD3000/SD6000 研磨面和等離子刻蝕面損傷層的厚度測試，見表1。以及采用壓力測試計對晶圓進(jìn)行破壞性抗折強(qiáng)度測試，見表2。

結(jié)果顯示，采用四氟化碳做為反應(yīng)氣體的等離子體化學(xué)蝕刻后的磨削面芯片損傷層從SD6000 研磨后的172.5nm 顯著減少到大約1.9nm,見表1?？拐蹚?qiáng)度也因此得到大幅度提升，提升到原來的3倍 （從2.64N 到9.29N），見表2。這將極大的減少芯片在貼片過程中造成的斷裂的風(fēng)險。

3.4 效果的驗證

為了驗證等離子體化學(xué)蝕刻后的效果，我們使用了最嚴(yán)苛的DB 條件去貼片，超過100 萬個芯片樣品都沒有發(fā)現(xiàn)芯片斷裂的現(xiàn)象。這充分的驗證了利用CF4通過化學(xué)的方法除去芯片磨削面損傷層能極大地提升其抗折的強(qiáng)度，效果顯著。計劃引入這一新的工藝到量產(chǎn)生產(chǎn)線中。

4 結(jié)束語

本文通過實(shí)驗分析后采用等離子體化學(xué)蝕刻利用CF4產(chǎn)生活性離子的化學(xué)的方法除去晶圓磨削面的損傷層后能大幅度地提升芯片的抗折強(qiáng)度，成功解決了DB 工序中存在的芯片斷裂問題，減少了芯片因斷裂造成的浪費(fèi)，最重要的是提升了產(chǎn)品的安全性和可靠性，增強(qiáng)了公司傳感器產(chǎn)品在日益競爭激烈的市場上的競爭力。