大尺寸硅片背面磨削技术的应用与发展

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大尺寸硅片背面磨削技术的应用与发展 摘要：集成电路芯片不断向高密度、高性能和轻薄短小方向发展，发满足IC封装要求，图形硅片的背面减薄成为半导体后半制程中的重要工序。随着大直径硅片的应用，硅片的厚度相应增大，而先进的封装技术则要求更薄的芯片，超精密磨削作为硅片背面减薄主要工艺得到广泛应用。本文分析了几种常用的硅片背面减薄技术，论述了的基于自旋转磨削法的硅片背面磨削的加工原理、工艺特点和关键技术，介绍了硅片背面磨削技术面临的挑战和取得的新进展。 1 引言 为了增大IC芯片产量，降低单元制造成本，要求IC的基础材料硅片趋向大直径化。现在200mm硅片是主流产品，正在向300mm硅片发展，全世界已经陆续建立了十几条300mm硅片生产线，到2013年，预计将采用直径450mm(18英寸)硅片。随着硅片直径增大，为了保证硅片在电路制作过程中具有足够的强度，原始硅片(prime wafer)的厚度也相应增加。直径150mm和200mm硅片的厚度分别为625mm和725mm，而直径300mm硅片平均厚度将达到775mm。另一方面，IC的技术进步日新月异，正在向高速化、高集成化、高密度化和高性能化的方向发展。微电子产品在集成度、速度和可靠性不断提高的同时正向轻薄短小的方向发展，与此相适应，新型的芯片封装技术不断涌现，这些先进的封装技术所需要的芯片厚度越来越薄。早期的双列直插式封装(DIP)对应芯片的厚度为600mm左右，BGA封装所用的芯片厚度为375mm，而(AFCP)所用的芯片厚度为125mm左右，一些智能卡所用的芯片厚度已减到100mm以下，高性能电子产品的立体封装甚至需要厚度小于50mm超薄的芯片。硅片直径、厚度以及芯片厚度的变化趋势如图1所示。 2 硅片背面减薄技术 硅片上电路层的有效厚度一般为5-10mm,为了保证其功能，有一定的支撑厚度是必要的，因此，硅片的厚度极限为20-30mm。这只占总厚度的一小部分，占总厚度90％左右的衬底材料是为了保证硅片在制造、测试和运送过程中有足够的强度。因此，电路层制作完成后，需要对硅片进行背面减薄(backside thinning)，使其达到所需的 对硅片进行划片(Dicing)加工，形成一个个减薄的裸芯片。减薄后的芯片有如下优点： （1）提高热扩散效率随着半导体结构越来越复杂、集成度越来越高，晶体管体积不断减小，散热已逐渐成为影响芯片性能和寿命的关键因素，薄的芯片更有利于散热。 （2）减小芯片封装体积微电子产品日益向轻薄短小的方向发展，减小芯片封装体积是适应这一发展趋势的必由之路。 （3）提高机械性能减薄后的芯片机械性能显著提高，硅片越薄，其柔韧性越好，受外力冲击引起的应力也越小。 （4）气性能晶片的厚度越薄元件之间的连线将越短，元件导通电阻将越低，信号延迟时间越短，从而实现更高的性能。 （5）减轻划片加工量减薄以后再切割，可以减小划片（Dicing）时的加工量，降低芯片崩边的发生率。 未来硅片背面减薄将趋向20-30mm的极限厚度。当芯片厚度小于50mm时，可以弯曲到一定程度而不断裂，特殊的超薄芯片甚至可以随意弯曲，可用来做成闪存芯片和电子标签等。 目前，硅片的背面减薄技术主要有磨削、研磨、化学机械抛光(CMP)、干式抛光(dry polishing)、电化学腐蚀(electrochemical etching)、湿法腐蚀(wet etching)、等离子辅助化学腐蚀(PACE)、常压等离子腐蚀 (atmospheric downstream plasma etching,ADPE)等，其中最常用的背面减薄技术有磨削、CMP、湿法腐蚀、ADPE和干式抛光五种。 磨削的加工效率高，加工后的硅片平整度好，成本低，但是硅片表面会产生深达几微米的损伤层，导致硅片的强度降低，容易发生碎片，磨削表面还存在残余应力,使硅片发生翘曲,给搬运和后续处理带来困傩，一般需要后续工艺来消除损伤层和残余应力，化学机械抛光是利用化学和机械复合作用去除材料的，硅片表面的损伤很小，缺点是材料去除率低、工作压力高。湿法蚀刻是将硅片浸入酸性化学溶液(HN03/HF/HP04)中，通过化学反应去除硅片表层材料,硅片表面无损伤和无晶格位错，能极大地提高硅片的强度，减小翘曲,其缺点是需 对硅片的正面进行保护，对磨削条纹的校正能力弱，不适合加工有凸起硅片(bumped wafer)，腐蚀速度快去除率为5-40mm/min，腐蚀速度不均匀，为腐蚀量的5%-10％，环境污染问题。常压等离子腐蚀是最新发展起来的、利用磁力控制的在大气压力下工作的一种纯化学作用的干式腐蚀技术，在氩气环境下ADP系统将气体(CF-4引入等离子区，使之100％分解，F与硅片表面的材料发生化学反应生成SiF 4，达到去除材料的目的。加工时，利用Bernoulli效应产生的压力将硅片悬置于等离子区上方，硅片的正面不必像湿式腐蚀那样需用胶带保护，因此，适合加工较薄的硅片，也适合加工有凸起的硅片。ADPE能够去除硅片背面由于磨削引起的损伤层，加工速度为1-4mm／min，背面去除量可达50-100mm，加工后的表面平整性比湿式腐蚀好。干式抛光是新出现的去除硅片应力的技术，其加工原理类似于硅片磨削，与磨削不同之处是用纤维和金属氧化物制成的抛光轮取代了金刚石砂轮。干式抛光能有效地去除硅片背面磨削引起的残余应力，成本低，但加工效率低，加工速度仅为1mm／min，只适合去除较浅的损伤层。 硅片背面减薄过程。硅片的原始厚度一般为675-775mm，最终要减薄到100-200mm，有时甚至要减薄到50mm。在硅片减薄工艺中一般不能将硅片磨削到很薄的尺寸，因为如果将硅片直接磨削到芯片封装所需的厚度，由于机械损伤层的存在，在运输和后序工艺中碎片率非常高。因此，实际应用中，对于200mm的硅片，如果需要100mm的薄硅片，首先先用磨削的方式去除绝大部分余量，背面减薄到180mm左右，然后CMP、湿法腐蚀、ADPE和干式抛光中的一种或两种消除磨削引起的损伤层和残余应力，得到无损伤的片表面。因此，一般硅片的背面减薄可以有背面磨削+CMP、背面磨削+湿式化学腐蚀、背面磨削+ADPE、背面磨削+干式抛光四种工艺方案。 3 三片背面磨削减薄技术 3．1 硅片背面磨削减薄的原理 早在上个世纪70年代，就已经采用旋转工作台磨削(surface gring on a rotary table)法进行直径100mm以下硅片的背面减薄。随着硅片直径的增大，对硅片背面减薄的要求越来高，旋转工作台磨削技术具有一定的局限性。1984年S．Matsui提出了硅片自旋转磨削(wafer ro□tat□ing grinding)法，并开始逐渐取代旋转工作台磨削。 硅片自旋转磨削法的加工原理。采用略大于硅片的工件转台，硅片通过真空吸盘夹持在工件转台的中心，杯形金刚石砂轮工作面的内外圆周中线调整到硅片的中心位置，硅片和砂轮绕各自的轴线回转，进行切入磨削(in-feed grinding)。磨削深度tw与砂轮轴向进给速度f和硅片转速nw关系为：tw=f／nw(1) 硅片自旋转磨削法的优点： (1)可实现延性域磨削。在加工脆性材料时，当磨削深度小于某一临界值时，可以实现延性域磨削。对于自旋转磨削，由公式(1)可知，对给定的轴向进给速度，如果工作台的转速足够高，就可以实现极微小磨削深度。 (2)可实现高效磨削。由公式(1)可知，通过同时提高硅片转速和砂轮轴向进给速度，可以在保持与普通磨削同样的磨削深度情况下，达到较高的材料去除率，适用于大余量磨削。 (3)砂轮与硅片的接触长度、接触面积、切入角不变，磨削力恒定，加工状态稳定，可以避免硅片出现中凸和塌边现象。 (4)磨床只有沿磨削主轴方向的进给运动，有利于提高机床的刚度。 (5)通过调整砂轮轴线和工件轴线之间的夹角，可以补偿由于机床变形引起的砂轮轴线和工作台轴线不平行。 (6)砂轮转速远高于硅片转速，因此砂轮的磨损对硅片平整度的影响小。 (7)自旋转磨削每次加工一个硅片，磨削进给不受硅片与硅片之间加工余量不均匀的限制。 (8)硅片自旋转磨削设备结构紧凑，容易实现多工位集成，甚至可以和抛光装置集成为一体，实现磨削抛光一体化。 由于上述优点，现在直径200mm以上的大尺寸硅片背面磨削(backgrinding)大都采用基于硅片自旋转磨削原理的超精密磨削技术。 3．2 硅片背面磨削的工艺过程 硅片背面磨削一般分为两步：粗磨和精磨。在粗磨阶段，一般采用粒度46#-500#的金刚石砂轮，轴向进给速度为100-500mm／min，磨肖深度较大，一般为0．5-lmm。目的是迅速地去除硅片背面绝大部分的多余材料(约占加工余量的90％)。精磨时，加工余量几微米直至十几微米，采用粒度2000#-4000#的金刚石砂轮，轴向进给速度 0.5-10mm／min。主要是消除粗磨时形成的损伤层，达到所要求的厚度，在精磨阶段，材料以延性域模式去除，硅片表面损伤明显减小。 3．3 硅片背面磨削的性能特点 （1）加工效率磨削是效率最高、成本最低的硅片背面减薄方法，用磨削的方式可以迅速地去除硅片背面绝大部分的加工余量。如对于原始厚度为775mm的300mm直径硅片，将其减到厚度200mm所需要的时间约为1分钟。 （2）加工精度硅片背面磨削能够达到极高的厚度均匀性，对于300mm硅片，厚度变动量甚至可达到0.5mm以下；表面粗糙度Ra可以达到几个纳米。 （3）表面和亚表面损伤硅片背面磨削是利用机械作用实现材料去除的，不可避免地会在硅片表面和亚表面产生损伤。亚表面损伤是硅片背面减薄最重要的指标之一。硅片磨削后的表面损伤分为3层：顶层为非晶层，并分布有微观裂纹，接下来是较深的晶格位错层，然后是弹性变形层，再下面为正常的单晶硅结构。砂轮磨料的粒度对硅片亚表面损伤的程度影最大，设备的精度、磨削用量对亚表面损伤也有重要影响。一般粗磨时材料是以脆性断裂的模式去除，在硅片表面留下深度达20-30mm的损伤层和限大的残余应力。在精磨阶段，材料是以延性域的模式去除的，能消除粗磨时形成的损伤层，精磨后的表面损伤明显减小，其深度一般为15mm以下。此外，由于磨削时磨粒的出刃高度不一致，还会在硅片表面留下磨痕(grinding mark)。大量的数据分析表明，芯片在键合与测试时往往发生碎裂,碎裂的原因往往是由于在背面减薄时引起的损伤在后序的腐蚀或化学机械抛光时没有完全去除引起的。 （4）翘曲变形磨削会在硅片表面产生残余应力，使背磨后的硅片发生翘曲，常常导致硅片碎裂。由于粗磨导致的残余应力较大，最大翘曲一般发生在粗磨之后。通常需要采用湿法腐蚀、常压等离子腐蚀、化学机械抛光等去除损伤层和残余应力，以减小硅片翘曲。 3.4 硅片背面磨削的关键技术 由于单晶硅是典型的硬脆材料，为实现大尺寸硅片的高效率、超精密和超薄化磨削，应具备以下关键技术： (1)高精度、高刚度的主轴系统硅片磨床应具有极高的静、动态刚性和优良的热平衡结构，为此，砂轮主轴和工件转台主轴都采用高精度、高刚度、高速度的空气轴承主轴，内置式伺服电机。砂轮主轴和工件主轴的径向跳动小于O．02mm。 (2)高精度微进给系统为了实现硅片的延性域磨削，通过减小砂轮轴向进给速度实现微小磨削深度，要求磨床的进给运动具有很小的分辨率并能精确控制。目前，国外先进的背面磨床的砂轮轴向进给速度最小可达1mm／min。 (3)微细粒度的超硬磨料砂轮实现单晶硅等硬脆材料超精密磨削的关键技术之一是砂轮的性能。硅片背面磨削使用杯形金刚石砂轮，直径一般为350mm-200mm，金刚石粒度在300#-4000#之间，砂轮的粒度严格控制，砂轮用特殊结合剂制作，有较长的使用寿命。 (4)硅片精密定位夹持装置为了能够安全可靠地输送和加工薄的硅片，一般先将硅片的正面用特殊的双面胶带粘结在一块刚性支撑基板上，然后通过真空吸盘夹持在工件转台上。 4 硅片背面磨削技术的新进展 由于硅片直径和厚度以及芯片厚度的变化，硅片背面磨削技术面临的主要问题是： (1)提高硅片减薄的效率。原始硅片厚度的增大和芯片的超薄化使硅片背面减薄的材料去除量加大。背面磨削作为硅片背面减薄的主要工艺，要求具有很高的加工效率。 (2)减小表面和亚表面损伤。磨削引起的损伤和残余应力极大的降低了硅片的机械性能，增大了硅片碎裂的风险，为了减小损伤和残余应力，必须采用更微细粒度的砂轮和更小的磨削用量。 (3)减小或避免硅片翘曲。背面磨削后的硅片会产生很大的翘曲变形，而且硅片越薄翘曲变形越大。在后续的湿法腐蚀和CMP等去除残余应力工序中，翘曲硅片的运送和处理非常困难，常常导致硅片碎裂。因此必须减小磨削残余应力，以减小硅片翘曲。 为了解决上述问题，国内外不断开展硅片背面磨削技术研究，取得一些新的进展，主要表现在： ◆a．开发新型的超精密磨床 近年来，英国Cranfield大学研制的正四面体(Tetraform)新概念磨床具有很高的静、动态刚性和优良的热平衡结构，可以在隔离环境振动和温度的条件下进行高速超精密磨削。用于磨削单晶硅的表面粗糙度达到Ral-20nm，亚表面损伤深度只有传统磨削的1-2％，甚至小于抛光加工产生的亚表面损伤深度。日本Super Silicon研究所和Disco公司提出了“三角柱型五面体构造”的概念磨床，这种磨床结构的刚度更高，稳定性更好。实验结果表明，在相同磨削深度条件下，加工效率是普通硅片磨床的4倍，磨削后硅片的平整度更好，表面损伤很小。 日本茨城大学的江田弘等人开发了基于自旋转磨削原理的集成磨削系统，该系统具有两个自由度(砂轮主轴轴向进给、工件主轴径向进给)，磨削采用空气静压导轨和空气主轴支承，砂轮主轴和工件主轴的径向跳动小于O．02mm，超精密定位机构和进给机构可实现0．5mm／min的进给率，超磁致伸缩微驱动装置调整砂轮轴与工件轴的夹角控制硅片面型精度，可以在一个工序中完成硅片的延性域磨削和类似抛光的磨削(polishing-like grinding)，加工直径300mm硅片可达到表面粗糙度Ra＜lnm，TTV＜0．2mm，表面损伤层减小到120m，能源消耗 比传统工艺降低70％。 ◆b．研究超细粒度金刚石砂轮及其应用技术 日本的H．Ohmori等人将在线电解修整(ELID)技术应用于硅片自旋转磨削工艺，采用粒度为#10，000-#3,000,000的铸铁纤维结合剂微粉金刚石砂轮，仍能实现稳定的磨削。用#3,000,000(平均粒径8nm)的砂轮磨削硅片，获得了RMS≤0．47nm的表面，与化学机械抛光获得的表面非常接近。 ◆c．采用先划片后减薄工艺 背面磨削后硅片的翘曲变形会给硅片在后序的输送和夹持定位带来困难，在划片时易发生碎裂。Disco公司开发了DBG(Dicing Be□fore Grinding)技术，即在背面磨削之前将硅片的正面切割出一定深度的切口，然后再进行背面磨削，此工艺避免了硅片的翘曲变形，减小了运送大尺寸超薄硅片的碎片风险。采用DBG技术，300mm尺寸的硅片可以减薄到50um；近来，又出现了DbyT(Dicing-by Thinning)概念，与DBG技术相似，在减薄之前先用机械的或化学的方式切割出切口，不同之处是用磨削方法减薄到一定厚度以后，采用ADP磨蚀技术去除掉其余的加工余量，实现裸芯片的自动分离。 ◆d．实现背面减薄工艺集成 为减少硅片的搬运和夹持次数，以提高加工效率和降低碎片率，先进的硅片背面磨床采用多主轴转位工作台结构，在同一机台上装夹一次硅片即可实现粗磨和精磨；超精密进给机构和定位机构以控制微小磨削深度；为保证硅片的平整度，具有主轴角度自动调整装置；为有效控制硅片厚度，装有在线厚度测量装置；此外还配有干进干出，(Dry-in Dry-out)的清洗和烘干系统以及自动装卸硅片的机械手等。 近几年日本一些公司还开发了集硅片背面磨削与CMP或干式抛光为一体的磨抛机床。东京精密公司生产的PG300／PG200系列磨床硅片在同一机台上只需装夹一次便可实现粗磨、精磨和抛光，这到迅速减薄和去除损伤层和残余应力的目的。 本文摘自《国际电子设备》