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，當集成電路封裝器件在x-y 平面上的空間有限甚至稀缺時，封裝業將焦點放在了第三維（z 軸）上，這樣不僅減小了封裝體積，同時提高了電路性能，減小了寄生效應和時間延遲?；诖藘瀯荩霈F了許多垂直封裝技術（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），系統級封裝SIP（System in Package），晶圓級封裝WLP（Wafer Level Packaging），硅通孔TSV（Through-silicon Vias）技術以及倒裝FC（Flip chip）技術等。

但是，無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。隨著封裝技術的發展和電子產品的需求，堆疊的層數越來越多，芯片的厚度將越來越薄。因此，晶圓超薄化在未來的IC 封裝業中將扮演更加重要的角色，其適用范圍也越來越廣，如MEMS 元器件的封裝[1]。

1 超薄化帶來的問題

傳統上，芯片減薄工藝應用在晶圓表面電路制造完成后，對芯片背面硅材料進行磨削減?。˙ackside grinding），使其達到所需的厚度。現在，對芯片減薄的主流工藝是晶圓自旋轉磨削[2]（Wafer rotating grinding）。即把所要加工的晶圓粘結到減薄藍膜上，然后把藍膜及上面芯片利用真空吸附到旋轉的多空陶瓷承片臺上，高速旋轉的磨輪從表層開始逐層向下對晶圓進行磨削加工，這種磨削方式中，在磨削工位，承片臺旋轉，磨輪進給系統帶動高速旋轉的磨輪緩慢均勻地向下運動，從而實現磨削進給運動。這種垂直向下進刀磨削方式（In-feed grinding）磨削原理如圖1所示。

圖1 晶圓自旋轉磨削

一般情況下，晶圓普通減薄只需將晶圓從晶圓加工完成時的厚度減薄到280～400 μm。在這個厚度上，晶圓有足夠的厚度來容忍減薄過程中的磨消對芯片的損傷及應力，同時，其剛性也足以使晶圓保持原有的平整狀態。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，芯片的強度隨之降低，減薄過程中所形成的微裂紋對芯片的影響便越來越大。

由于晶圓太薄，超薄晶圓具有自己的特點，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

對于和一張報紙一樣薄的大晶圓，在其自身重力作用下就會發生很大的變形，卷曲，會在微動氣流中發生顫振；具有鋒利的邊緣，會與其他平面粘合在一起而難分開，同時無法置于傳統的晶圓裝載匣內等特性，因此任何硬性邊緣接觸都有可能造成致命性的破毀。如果芯片在減薄過程中，背面形成了較深的微裂紋或有大的崩邊現象，那么晶圓在減薄的過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磨削的過程，磨削下來的硅粒會有對超薄的芯片造成傷害的可能。因此，這就需要在減薄后應對襯底背面進行拋光。但是由于超薄晶圓的特點，即會發生嚴重的翹曲，使表面損傷，進而造成破裂，這會對晶圓搬到拋光機和劃片機上造成困難。

所以，超薄化工藝的問題主要有兩個方面：（1）減薄工藝產生的損傷的去除與應力的減?。唬?）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，業內的主要解決方案是采用東京精密公司的一體機思路，將粗磨，細磨，拋光等工序集合在一臺設備內[3]。通過機械式搬送方式，晶圓從粗磨到細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。通過一個帶有4 個真空吸盤的大圓盤回轉臺的360°順時針旋轉，使晶圓在不用離開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，完成整個減薄的過程。同時，通過機械式搬送系統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。晶圓在劃片貼膜之后，就不會發生翹曲、下垂等問題，這是因為劃片貼膜的張力足以應付晶圓超薄化后的應力。但是，這種設備的成本很高。

圖3 一體機示意圖

如何在原有設備的基礎上實現晶圓的超薄化與傳送，又能得到最低的擁有設備成本，這就需要解決上述兩個主要問題。

2.1 損傷的去除與應力的減小

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

減薄操作的生產過程從圖5中可以看出主要為：貼膜、切膜、減薄、揭膜幾個階段。

圖4 電子透鏡TEM 的磨削面損傷觀察

圖5 減薄生產流程

在生產的整個過程中，均可能引入研磨質量下降的因素。因此，對生產控制來講，生產中所涉及到的人、機、料、法、環均需作為控制點加以控制。圖6為影響減薄質量因素的魚骨圖。主要說明了減薄質量的影響因素，其中磨輪轉速、晶圓轉速、磨輪粒度及溫度為主要因素。本文主要探討了磨輪轉速、晶圓轉速及溫度等對表面粗糙度的影響。

圖6 減薄質量因素魚骨圖

據現有研究表明[5]，芯片的損傷層厚度主要取決于設備所采用的技術手段，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系。結果整理如下：

（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）進給：進給越大，裂痕層越深，表面粗糙度越大，以粗磨較明顯。

（3）晶圓轉速：晶圓轉速越大，裂痕層越深，表面粗糙度越大。

（4）磨輪轉速：磨輪轉速越大，裂痕層越淺，表面粗糙度越小。

（5）溫度越高時，裂痕越不容易產生。

根據以上研究結果，可以就如何減少磨削加工中的裂痕層作出一個合理的推測：在粗磨過后的細磨中，當細磨到一定厚度時，我們需要減小晶圓轉速，增大磨輪轉速，以及減小磨輪進給系統向下運動的速度，提高磨削溫度，這樣可以使表面損傷層厚度盡量減小，同時，提高了晶圓強度。但是，這樣還是無法消除損傷層及應力，存在裂片的可能性?？紤]到減薄磨消過程中，背面所形成的微裂紋對超薄晶圓的影響，這些微裂紋在一般的IC 晶圓后續加工中，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力的一個有效方法。拋光結束后，晶圓的厚度就達到了所需的厚度，如≤50 μm，還顯著地減小了晶圓的翹曲度，同時提高了芯片的強度。

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，除了對減薄自身的挑戰外，在原有設備的基礎上，向后續工藝的晶圓傳遞、搬送也遇到了很大的問題。晶圓在100 μm 以下的厚度，表現出形態上柔軟、剛性差，實質脆弱的物理特性，而且有應力造成的翹曲，隨著晶圓厚度尺寸的減小，晶圓的強度也隨之降低，容易發生“崩邊”等現象。這樣的特性給晶圓的搬送帶來了很大的麻煩。以下兩種方案可以實現晶圓在原有設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題。

第一種解決方案是將兩片晶圓對準，利用藍膜雙面膠粘貼在一起，正面相對粘貼，如圖7所示。然后分兩次進行減薄。第一次減薄時，一片晶圓被吸附到旋轉的多空陶瓷承片臺上，對另一片晶圓進行粗磨和細磨，減薄機參數的設定需要考慮到藍膜和未減薄晶圓的厚度。第二次減薄的參數設定則需要將已減薄晶圓的厚度和藍膜計算在內。粗磨和細磨時，要注意減少裂痕層。這樣利用兩層晶圓的厚度來增強超薄晶圓的強度，防止發生翹曲。然后就可以轉移至拋光工序，消除損傷層及應力。但是，由于兩面晶圓背面減薄的參數不同，每次加工都需要改變參數，而且減薄后兩片晶圓的分離是一個難題。

圖7 晶圓粘貼示意圖

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

圖8 晶圓與支撐系統粘貼示意圖

簡單地講，它就相當于一體機的真空吸盤，使晶圓從粗磨到拋光，再到劃片貼膜始終吸附在這個支撐系統上，這樣我們就可以借助支撐系統的剛性來克服晶圓超薄化后的翹曲等特性，同時實現了減薄到拋光，再到劃片貼膜之間的晶圓傳送。另外，減薄時需要在原有設備上對減薄參數進行改動，其晶圓減薄前后的厚度需要將支撐系統和UV 膜雙面膠的厚度計算在內。拋光結束后，連同支撐系統一起粘貼固定在綳膜環上，然后進行光照，使UV 膜的粘貼力降低，最后分離支撐系統和晶圓，這樣超薄化的晶圓就被固定在崩膜環上，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 論

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

[1]王宇哲.應用于MEMS 鳳祖昂的TSV 工藝研究[J].加工、測量與設備，2012(1)：61-67.

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

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

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

[5]蔣群.硅晶圓表面磨削數學模型與硅晶圓表面/ 次表面性質的研究[D].上海：上海交通大學.2006.