浅谈晶圆超薄化

2014-07-04 01:42杨文杰

电子工业专用设备 2014年4期

杨文杰

(天水华天科技股份有限公司，甘肃天水741000)

为了满足电子器件微型化，多功能化和智能化的要求，当集成电路封装器件在x-y 平面上的空间有限甚至稀缺时，封装业将焦点放在了第三维（z 轴）上，这样不仅减小了封装体积，同时提高了电路性能，减小了寄生效应和时间延迟。基于此优势，出现了许多垂直封装技术（3D 封装），如芯片叠层封装PiP（Package in Package），封装体堆叠POP（Package on Package），多芯片封装MCP（Multi Chip Package），系统级封装SIP（System in Package），晶圆级封装WLP（Wafer Level Packaging），硅通孔TSV（Through-silicon Vias）技术以及倒装FC（Flip chip）技术等。

但是，无论采用哪种堆叠形式和焊接方式，在封装整体厚度不变甚至需要降低的趋势下，叠层芯片的厚度就不可避免地要求更薄。一般情况下，较为先进的叠层封装所使用的芯片厚度都在100 μm以下。随着封装技术的发展和电子产品的需求，堆叠的层数越来越多，芯片的厚度将越来越薄。因此，晶圆超薄化在未来的IC 封装业中将扮演更加重要的角色，其适用范围也越来越广，如MEMS 元器件的封装[1]。

1 超薄化带来的问题

传统上，芯片减薄工艺应用在晶圆表面电路制造完成后，对芯片背面硅材料进行磨削减薄（Backside grinding），使其达到所需的厚度。现在，对芯片减薄的主流工艺是晶圆自旋转磨削[2]（Wafer rotating grinding）。即把所要加工的晶圆粘结到减薄蓝膜上，然后把蓝膜及上面芯片利用真空吸附到旋转的多空陶瓷承片台上，高速旋转的磨轮从表层开始逐层向下对晶圆进行磨削加工，这种磨削方式中，在磨削工位，承片台旋转，磨轮进给系统带动高速旋转的磨轮缓慢均匀地向下运动，从而实现磨削进给运动。这种垂直向下进刀磨削方式（In-feed grinding）磨削原理如图1所示。

图1 晶圆自旋转磨削

一般情况下，晶圆普通减薄只需将晶圆从晶圆加工完成时的厚度减薄到280～400 μm。在这个厚度上，晶圆有足够的厚度来容忍减薄过程中的磨消对芯片的损伤及应力，同时，其刚性也足以使晶圆保持原有的平整状态。晶圆超薄减薄需要将晶圆厚度减薄到100 μm 以下，但是随着晶圆厚度尺寸的减小，芯片的强度随之降低，减薄过程中所形成的微裂纹对芯片的影响便越来越大。

由于晶圆太薄，超薄晶圆具有自己的特点，减薄到厚度为50 μm 的晶圆如图2所示。

图2 厚度为50 μm 的超薄晶圆

对于和一张报纸一样薄的大晶圆，在其自身重力作用下就会发生很大的变形，卷曲，会在微动气流中发生颤振；具有锋利的边缘，会与其他平面粘合在一起而难分开，同时无法置于传统的晶圆装载匣内等特性，因此任何硬性边缘接触都有可能造成致命性的破毁。如果芯片在减薄过程中，背面形成了较深的微裂纹或有大的崩边现象，那么晶圆在减薄的过程中或后道处理工艺中就增加了破碎的可能性。另外，由于减薄本身就是一个磨削的过程，磨削下来的硅粒会有对超薄的芯片造成伤害的可能。因此，这就需要在减薄后应对衬底背面进行抛光。但是由于超薄晶圆的特点，即会发生严重的翘曲，使表面损伤，进而造成破裂，这会对晶圆搬到抛光机和划片机上造成困难。

所以，超薄化工艺的问题主要有两个方面：（1）减薄工艺产生的损伤的去除与应力的减小；（2）晶圆减薄工艺到划片贴片之间的传送。

2 超薄化的新思路

目前，业内的主要解决方案是采用东京精密公司的一体机思路，将粗磨，细磨，抛光等工序集合在一台设备内[3]。通过机械式搬送方式，晶圆从粗磨到细磨一直到抛光都始终被吸附在真空吸盘上。图3是东京精密公司一体机的基本配置示意图。图中的PG 部分是磨片和抛光的集成体。通过一个带有4 个真空吸盘的大圆盘回转台的360°顺时针旋转，使晶圆在不用离开真空吸盘的情况下就可以顺次移送到粗磨、精磨、抛光等不同的加工位，完成整个减薄的过程。同时，通过机械式搬送系统使晶圆从磨片一直到粘贴划片膜为止始终被吸在真空吸盘上，保持平整状态。晶圆在划片贴膜之后，就不会发生翘曲、下垂等问题，这是因为划片贴膜的张力足以应付晶圆超薄化后的应力。但是，这种设备的成本很高。

图3 一体机示意图

如何在原有设备的基础上实现晶圆的超薄化与传送，又能得到最低的拥有设备成本，这就需要解决上述两个主要问题。

2.1 损伤的去除与应力的减小

磨削工艺本身就是一种物理损伤性工艺，其去除硅材质的过程本身就是一个物理施压、损伤、破裂、移除的过程，而这些损伤是造成后续加工破片的直接原因。通过电子透镜TEM 的观察，我们可以清楚地看到在传统减薄工艺的325#和2000#粗精磨之后残留在磨削表面的损伤，如图4所示[4]。

减薄操作的生产过程从图5中可以看出主要为：贴膜、切膜、减薄、揭膜几个阶段。

图4 电子透镜TEM 的磨削面损伤观察

图5 减薄生产流程

在生产的整个过程中，均可能引入研磨质量下降的因素。因此，对生产控制来讲，生产中所涉及到的人、机、料、法、环均需作为控制点加以控制。图6为影响减薄质量因素的鱼骨图。主要说明了减薄质量的影响因素，其中磨轮转速、晶圆转速、磨轮粒度及温度为主要因素。本文主要探讨了磨轮转速、晶圆转速及温度等对表面粗糙度的影响。

图6 减薄质量因素鱼骨图

据现有研究表明[5]，芯片的损伤层厚度主要取决于设备所采用的技术手段，也与工艺线上所选用的砂轮金刚砂的基本材料、金刚砂粒度的大小有关系。结果整理如下：

（1）磨轮粒度：粒度越大，表面粗糙度越大，裂痕层越深，影响最显著。

（2）进给：进给越大，裂痕层越深，表面粗糙度越大，以粗磨较明显。

（3）晶圆转速：晶圆转速越大，裂痕层越深，表面粗糙度越大。

（4）磨轮转速：磨轮转速越大，裂痕层越浅，表面粗糙度越小。

（5）温度越高时，裂痕越不容易产生。

根据以上研究结果，可以就如何减少磨削加工中的裂痕层作出一个合理的推测：在粗磨过后的细磨中，当细磨到一定厚度时，我们需要减小晶圆转速，增大磨轮转速，以及减小磨轮进给系统向下运动的速度，提高磨削温度，这样可以使表面损伤层厚度尽量减小，同时，提高了晶圆强度。但是，这样还是无法消除损伤层及应力，存在裂片的可能性。考虑到减薄磨消过程中，背面所形成的微裂纹对超薄晶圆的影响，这些微裂纹在一般的IC 晶圆后续加工中，虽然不能造成太大的影响。但是随着晶圆的超薄化，就必须考虑这些损伤和微裂纹，这些损伤和微裂纹是造成破片的主要原因。抛光是移除减薄损伤及应力的一个有效方法。抛光结束后，晶圆的厚度就达到了所需的厚度，如≤50 μm，还显著地减小了晶圆的翘曲度，同时提高了芯片的强度。

2.2 减薄工艺到划片贴片之间的晶圆传送

在晶圆被减薄到100 μm 以下后，除了对减薄自身的挑战外，在原有设备的基础上，向后续工艺的晶圆传递、搬送也遇到了很大的问题。晶圆在100 μm 以下的厚度，表现出形态上柔软、刚性差，实质脆弱的物理特性，而且有应力造成的翘曲，随着晶圆厚度尺寸的减小，晶圆的强度也随之降低，容易发生“崩边”等现象。这样的特性给晶圆的搬送带来了很大的麻烦。以下两种方案可以实现晶圆在原有设备上超薄化后的传送，即解决减薄工艺到抛光工艺，再到划片工艺之间的晶圆传递问题。

第一种解决方案是将两片晶圆对准，利用蓝膜双面胶粘贴在一起，正面相对粘贴，如图7所示。然后分两次进行减薄。第一次减薄时，一片晶圆被吸附到旋转的多空陶瓷承片台上，对另一片晶圆进行粗磨和细磨，减薄机参数的设定需要考虑到蓝膜和未减薄晶圆的厚度。第二次减薄的参数设定则需要将已减薄晶圆的厚度和蓝膜计算在内。粗磨和细磨时，要注意减少裂痕层。这样利用两层晶圆的厚度来增强超薄晶圆的强度，防止发生翘曲。然后就可以转移至抛光工序，消除损伤层及应力。但是，由于两面晶圆背面减薄的参数不同，每次加工都需要改变参数，而且减薄后两片晶圆的分离是一个难题。

图7 晶圆粘贴示意图

所以，第二种方案是制作出一个特别的支撑系统，取代第一种方案中的一片晶圆，如图8所示。这个支撑系统是高刚性的有机玻璃等材料的圆片，同时，表面要求光滑、平整，尺寸和需要加工的晶圆相同。

图8 晶圆与支撑系统粘贴示意图

简单地讲，它就相当于一体机的真空吸盘，使晶圆从粗磨到抛光，再到划片贴膜始终吸附在这个支撑系统上，这样我们就可以借助支撑系统的刚性来克服晶圆超薄化后的翘曲等特性，同时实现了减薄到抛光，再到划片贴膜之间的晶圆传送。另外，减薄时需要在原有设备上对减薄参数进行改动，其晶圆减薄前后的厚度需要将支撑系统和UV 膜双面胶的厚度计算在内。抛光结束后，连同支撑系统一起粘贴固定在綳膜环上，然后进行光照，使UV 膜的粘贴力降低，最后分离支撑系统和晶圆，这样超薄化的晶圆就被固定在崩膜环上，完成了晶圆减薄工艺到抛光工艺，再到划片工艺之间的晶圆传递。

3 结论

晶圆超薄化已是一个必然趋势，它不仅能减小封装体积，而且可以提高电路性能，减小寄生损失和时间延迟等，也是封装新技术的要求，同时，芯片的超薄化在微生物和微传感器和军事上的发展起着重要作用。

[1]王宇哲.应用于MEMS 凤祖昂的TSV 工艺研究[J].加工、测量与设备，2012(1)：61-67.

[2]王仲康.超薄化芯片[J].电子工业专用设备，2006(162)：13-18.

[3]董志义.3D IC 集成与硅通空(TSV)互连[J].电子工业专用设备，2009(170)：27-34.

[4]廖凯.堆叠/3D 封装的关键技术之一-晶圆减薄[J]，中国集成电路，2007（5）：83-85.