文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了晶圓減薄的各種技術(shù)，著重詳細介紹了磨削減薄技術(shù)。

減薄的作用

在半導(dǎo)體制造流程中，晶圓在前端工藝階段需保持一定厚度，以確保其在流片過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免彎曲變形，并為芯片制造工藝提供操作便利。不同規(guī)格晶圓的原始厚度存在差異：4英寸晶圓厚度約為520微米，6英寸晶圓厚度約為670微米，8英寸晶圓厚度約為725微米，12英寸晶圓厚度約為775微米。盡管芯片功能層的制備僅涉及晶圓表面幾微米范圍，但完整厚度的晶圓更有利于保障復(fù)雜工藝的順利進行。直至芯片前制程完成后，晶圓才會進入封裝環(huán)節(jié)進行減薄處理。

晶圓翹曲

封裝階段對晶圓進行減薄主要基于多重考量。從劃片工藝角度，較厚晶圓硬度較高，在傳統(tǒng)機械切割時易出現(xiàn)劃片不均、裂片等問題，顯著提升不良率；而減薄后的晶圓硬度降低，能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)、高效的分離，大幅提升劃片質(zhì)量與效率。隨著電子設(shè)備向輕薄化方向發(fā)展，封裝厚度已成為關(guān)鍵指標(biāo)，尤其在芯片堆疊技術(shù)中，晶圓減薄能夠有效降低整體封裝厚度，滿足可穿戴設(shè)備、移動終端等微型電子產(chǎn)品的需求。同時，晶圓制造過程中背面形成的氧化層會影響芯片鍵合質(zhì)量，減薄工藝可有效去除氧化層，為鍵合提供潔凈、平整的表面，確保電氣連接的可靠性。此外，減薄能夠縮短芯片工作時的熱量傳導(dǎo)路徑，加速散熱，避免因高溫導(dǎo)致的性能衰退與壽命縮短，提升芯片長期運行的穩(wěn)定性。

不同封裝結(jié)構(gòu)對晶圓減薄厚度的要求存在顯著差異。DIP封裝通常將晶圓減薄至約300微米；BGA封裝減薄范圍在120-250微米；而在先進的疊層封裝中，芯片厚度甚至可薄至30微米以下，以滿足高密度集成需求。

在芯片切割環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)流程是先在晶圓背面粘貼藍膜并固定于鋼制框架（即晶圓黏片工藝），隨后采用機械切割或激光切割進行分離。機械切割使用高速旋轉(zhuǎn)的金剛石磨輪刀片，但易在晶圓表面產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致崩裂；激光切割則通過聚焦激光在晶圓內(nèi)部形成變質(zhì)層，配合膠膜擴展實現(xiàn)晶粒分離，顯著降低對硅片的損傷。

隨著工藝創(chuàng)新，“先劃片后減薄”（DBG）與“減薄劃片”（DBT）技術(shù)應(yīng)運而生。DBG工藝先在晶圓正面切割出一定深度的切口，再進行背面磨削；DBT技術(shù)則是預(yù)先形成切割切口，通過磨削減薄后利用ADPE腐蝕去除剩余材料，實現(xiàn)裸芯片自動分離。這兩種方法有效規(guī)避了傳統(tǒng)工藝中減薄導(dǎo)致的硅片翹曲與劃片造成的芯片邊沿損傷問題。其中，DBT技術(shù)憑借各向同性Si刻蝕劑，既能消除背面研磨損傷，又能修復(fù)芯片微裂與凹槽，大幅提升芯片抗碎裂性能。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的DBG加DAF切割技術(shù)，通過在DBG處理后的晶圓背面粘貼DAF（直接黏合膜），并對DAF進行單獨激光切割，進一步優(yōu)化了晶粒對齊精度，顯著提升加工質(zhì)量，成為先進封裝工藝中的關(guān)鍵技術(shù)突破。

如圖所示，晶圓減薄到一定厚度后會像紙張一樣彎曲變形。

主要減薄技術(shù)

目前，硅片的背面減薄技術(shù)種類多樣，主要包括磨削、研磨、干法拋光、化學(xué)機械拋光（CMP）、濕法腐蝕、等離子增強化學(xué)腐蝕（PECE）、常壓等離子腐蝕（ADPE）等方法。

硅片磨削工藝：該工藝通過砂輪在硅片表面旋轉(zhuǎn)施壓，使硅片表面經(jīng)歷損傷、破裂，最終實現(xiàn)材料移除，達到減薄目的。其顯著優(yōu)勢在于加工效率高，減薄后硅片平整度良好，且成本相對較低。然而，這種工藝也存在明顯弊端，磨削后的硅片表面會產(chǎn)生深達幾微米的損傷層，這不僅會降低器件的可靠性和穩(wěn)定性，還會在樣品表面殘留應(yīng)力，致使硅片發(fā)生翹曲。因此，通常需要后續(xù)工藝來消除損傷層和殘余應(yīng)力，以保證硅片的質(zhì)量。

硅片研磨工藝：硅片研磨工藝一般是指在低速條件下，使用松散研磨粉（膏）作為研磨劑進行的多種表面精加工操作。經(jīng)過研磨后的硅片表面通常會呈現(xiàn)出微小的火山坑，表面灰暗而無光亮感。與磨削工藝相比，二者存在一些差異。磨削工藝壓力較大，研磨劑固定在砂輪上；而研磨工藝的研磨劑分布在研磨輪與樣品之間。此外，磨削工藝的材料去除速度比研磨更高。

化學(xué)機械拋光：綜合運用機械、化學(xué)或電化學(xué)作用，通過降低工件表面粗糙度，得到光亮、平整的加工表面。該工藝屬于 “濕” 加工，使用精細的微米或亞微米磨料顆粒與液體，并利用襯墊容納磨料，拋光時材料去除量以微米為單位。它對工件預(yù)處理要求較高，需工件表面預(yù)先達到較低粗糙度，加工后能使樣品表面呈鏡面效果。雖然該工藝能有效改善晶圓表面平整度，減少表面缺陷，但存在加工效率低、成本高的問題。

干式拋光技術(shù)：原理與硅片磨削類似，區(qū)別在于采用纖維和金屬氧化物制成的拋光輪替代金剛石砂輪。它可去除硅片磨削產(chǎn)生的損傷，實現(xiàn)納米和亞納米級鏡面加工，具有成本優(yōu)勢。不過其工藝效率較低，處理速度慢，更適合去除較淺的損傷層，在需要大量減薄材料的情況下難以發(fā)揮主要作用。

濕法化學(xué)腐蝕：通過腐蝕液與硅片發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)減薄，常用的腐蝕液有酸性體系，如硝酸、冰乙酸與氫氟酸混合液，以及堿性體系，如氫氧化鉀溶液。這種工藝的優(yōu)點是化學(xué)腐蝕后的硅片表面無損傷、無晶格位錯，有助于提高硅片強度，減少翹曲變形。但應(yīng)用時需要保護硅片正面，防止受到腐蝕液侵蝕，且對磨削條紋的校正能力較弱，限制了其在復(fù)雜表面處理場景中的單獨使用。

常壓等離子腐蝕：是一種在常壓下工作的純化學(xué)干式腐蝕技術(shù)，以氬氣為環(huán)境氣體，將CF?氣體電離分解，硅片表面材料與氟發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氣態(tài)SiF?，從而實現(xiàn)材料去除。該技術(shù)無需保護硅片正面，特別適合加工較薄硅片和帶有凸起結(jié)構(gòu)的硅片，能有效去除磨削損傷層，背面材料去除量可達50-100μm，加工后的表面平整性優(yōu)于濕法化學(xué)腐蝕。然而，該技術(shù)設(shè)備成本較高，工藝參數(shù)控制要求也很嚴格。

在實際晶圓減薄生產(chǎn)中，多采用組合工藝來確保加工精度與效率。例如，若需將硅片從初始的300μm減薄至120μm，可先通過高效的磨削工藝去除大部分材料，將硅片厚度削減至160μm左右。此時，硅片表面因磨削產(chǎn)生損傷層與殘余應(yīng)力，就需要根據(jù)后續(xù)產(chǎn)品性能要求，從化學(xué)機械拋光、濕法化學(xué)腐蝕、常壓等離子腐蝕或干式拋光等工藝中，選擇一種或多種進行精細處理。

常見的工藝組合方案有“背面磨削+化學(xué)機械拋光”“背面磨削+濕法化學(xué)腐蝕”“背面磨削+常壓等離子腐蝕”“背面磨削+干式拋光”。以“背面磨削+化學(xué)機械拋光”為例，前者快速去除大量材料，后者能有效降低表面粗糙度至納米級，適用于對表面平整度要求極高的芯片制造；而“背面磨削+常壓等離子腐蝕”組合，在處理帶有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的超薄晶圓時更具優(yōu)勢，既能高效減薄，又能保證結(jié)構(gòu)完整性。根據(jù)不同的產(chǎn)品需求與工藝標(biāo)準(zhǔn)，靈活搭配這些組合方案，可實現(xiàn)晶圓減薄的高效化與高質(zhì)量化。

磨削減薄

磨削減薄技術(shù)憑借其高效的材料去除能力、優(yōu)異的表面平整度控制及相對經(jīng)濟的生產(chǎn)成本，成為晶圓減薄工序的核心技術(shù)方案。

1.硅片自旋轉(zhuǎn)磨削技術(shù)的迭代與創(chuàng)新

硅片減薄技術(shù)的發(fā)展歷程反映了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對加工精度與效率的持續(xù)追求。早期，旋轉(zhuǎn)工作臺磨削技術(shù)主要應(yīng)用于小尺寸硅片（直徑100mm以下）的背面減薄，但隨著硅片尺寸向大直徑發(fā)展，該技術(shù)在加工效率、厚度均勻性等方面的局限性日益凸顯。1988年，Matsui等人提出的硅片自旋轉(zhuǎn)磨削減薄技術(shù)，為大尺寸硅片的超薄加工提供了新途徑。

該技術(shù)通過硅片的自主旋轉(zhuǎn)與研磨砂輪的協(xié)同運動，實現(xiàn)了材料的高效去除與表面質(zhì)量的精確控制。以300mm硅片為例，當(dāng)原始厚度為750μm時，采用硅片自旋轉(zhuǎn)磨削技術(shù)，可在約90秒內(nèi)將其厚度減至180μm，厚度均勻性控制在±0.3μm以內(nèi)，表面粗糙度Ra可低至2-4納米，能夠滿足高端芯片制造對晶圓表面質(zhì)量的嚴苛要求。

然而，由于硅片邊緣倒角結(jié)構(gòu)的特殊性，在磨削過程中容易出現(xiàn)邊緣崩碎等缺陷。為解決這一問題，TAIKO工藝應(yīng)運而生。該工藝通過在晶圓工作臺邊緣設(shè)置特殊保護環(huán)，在磨削時保留晶圓邊緣約3mm區(qū)域，有效增強了硅片的機械強度，降低了薄型晶圓的破損風(fēng)險，同時顯著改善了晶圓的翹曲變形問題。

2. 磨削減薄工藝流程

1) 晶圓表面防護貼膜：在進行背面研磨之前，對晶圓正面的精密電路與器件進行保護至關(guān)重要。目前，行業(yè)普遍采用貼膜機完成晶圓貼膜操作。具體流程為：首先將晶圓正面朝上放置于貼膜機工作平臺，隨后將保護膜從卷軸上平穩(wěn)拉出，覆蓋在晶圓表面，通過滾軸的均勻滾壓，使保護膜與晶圓表面緊密貼合，最后利用切割裝置沿晶圓邊緣將多余的保護膜切除，將完成貼膜的晶圓放入晶圓盒備用。

保護膜通常由膜層和膠層組成，膠層的黏性特性決定了其與晶圓表面的貼合效果。根據(jù)解膠方式的不同，保護膜可分為紫外線解膠型和熱解膠型等。紫外線解膠型保護膜在特定波長紫外線照射下，膠層的黏性會迅速降低；而對于對紫外線敏感的集成電路產(chǎn)品，則需采用熱解膠型保護膜，通過加熱的方式實現(xiàn)解膠分離。

2) 背面研磨加工處理：完成貼膜的晶圓被轉(zhuǎn)移至研磨設(shè)備的陶瓷多孔真空貼片盤上，貼片盤通過真空吸附作用固定晶圓，并帶動其高速旋轉(zhuǎn)。與此同時，研磨砂輪在伺服系統(tǒng)的精確控制下，以設(shè)定的壓力與轉(zhuǎn)速對晶圓背面進行研磨加工。

研磨過程分為粗磨和精磨兩個階段。粗磨階段使用大粒度砂輪，以較高的材料去除速率快速削減晶圓厚度；精磨階段則采用小粒度砂輪，對晶圓表面進行精細研磨，進一步降低表面粗糙度，提高表面平整度。通過粗、精磨的配合，能夠在保證加工效率的同時，實現(xiàn)晶圓表面質(zhì)量的精準(zhǔn)控制。

3) 保護膜去除工藝：研磨完成后，首先對晶圓進行清洗和干燥處理，以去除表面殘留的研磨碎屑和冷卻液。隨后，根據(jù)保護膜的類型選擇合適的解膠方式。對于紫外線解膠型保護膜，通過特定波長的紫外線照射，使膠層失去黏性；對于熱解膠型保護膜，則將晶圓加熱至一定溫度，實現(xiàn)膠層的軟化與分離。

解膠后的晶圓正面朝上放置于去膜設(shè)備平臺，利用具有黏性的剝離膜將保護膜從晶圓表面揭除。為防止剝離過程中產(chǎn)生的靜電對晶圓造成損傷，整個操作過程需在離子風(fēng)環(huán)境下進行。隨著晶圓厚度的不斷減薄，其機械強度下降，在加工過程中更易發(fā)生變形，因此在去膜過程中需嚴格控制操作力度與環(huán)境條件，確保晶圓的完整性。