硅片减薄技术研究

木瑞强，刘 军，曹玉生

（北京微电子技术研究所，北京 100000）

1 引言

随着集成电路向着短小轻薄的方向发展，封装中使用更薄的硅片已成为必然。目前行业内可以将硅片减薄至50 μm，相当于普通人头发丝的直径。通过减薄，可以将硅片背面多余材料去除掉，不仅有效的减小了硅片封装体积，同时，也提高了器件在散热、机械、电气等方面的性能。目前减薄有以下几种方法：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，其中最常用的减薄技术有研磨、CMP、湿法腐蚀等。其中因为研磨的加工效率高，加工后的硅片平整度好，成本低，多被封装厂所采用。

2 硅片背面研磨减薄技术

目前，硅片背面研磨减薄技术主要有旋转工作台减薄与硅片自旋转减薄两种。

2.1 旋转工作台减薄

采用大于硅片的工件转台，硅片通过真空吸盘夹持，工作台沿水平方向进行移动，磨轮高速旋转，从而对硅片进行减薄。但因其研磨轮与工作台间接触的面积并不一致，各点的受力并不均匀，减薄后的硅片易产生翘曲，特别是针对较薄的硅片。其减薄原理、磨痕及减薄效果如图1所示，其中图1（c）所示的硅片厚度为120 μm。

2.2 硅片自旋转减薄

硅片自旋转研磨法的原理为：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，磨轮边缘调整到硅片的中心位置，硅片和砂轮绕各自的轴线回转，进行切入减薄（i n-f e e d grinding）。此种方法的优点在于砂轮与硅片的接触长度、接触面积、切入角不变，研磨力恒定，加工状态稳定，可以避免硅片出现中凸和塌边现象。尤其对较薄的硅片表现较为明显。其工作原理、研磨痕迹与研磨后的效果如图2所示，其中，图2（c）所示的硅片厚度为120 μm。

经过上述对比，可以发现：采用硅片自旋转研磨，当硅片薄至一定程度时，可以有效地避免研磨后的硅片翘曲现象的产生。目前，由于所封装的薄硅片越来越多，更多的封装厂选择硅片自旋转工作模式对硅片进行减薄。

图1 旋转工作台原理、痕迹及研磨效果

图2 硅片自旋转研磨原理、痕迹及研磨效果

2.3 现有减薄设备

目前本单位现有一台德国G&N公司所生产的MULTINANO3-300减薄机，其加工原理为硅片自旋转研磨，最薄可以磨至50μm，可以实现对100mm、125mm、150mm、200mm、300mm硅片的全自动减薄。对于100mm硅片从630μm减薄至370μm，每5min可以完成减薄一片，一小时可以加工12片左右。设备的最优指标为：TTV≤2μm，Ra≤0.005μm（50埃），Rmax≤0.05μm（500埃），TV≤2 μm。

（1）TTV（Total Thickness Variation）=厚度最高值（max）－厚度最低值（min）。指片内的厚度偏差，即TTV越小，其片内厚度均匀性越好；

（2）Rmax为最大粗糙度，Ra为平均粗糙度；

（3）TV（Thickness Variation）指片与片间厚度偏差，即TV越小，片间厚度一致性越好。

3 减薄主要流程及影响因素

减薄操作的生产过程从图3中可以看出主要为：贴膜、切膜、减薄、揭膜及测厚等几个阶段。

图3 减薄生产流程

从生产的整个过程中，均可以引入导致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、环均需要作为控制点加以监控。图4为影响减薄质量的鱼骨图。主要说明了对减薄质量的影响因素，其中减薄速度、主轴转速及膜的质量为主要因素。本文主要探讨了膜的质量对TTV的影响及减薄速度、主轴转速对粗糙度的影响。

4 实验过程

采用现有设备，对100mm硅片按以下过程进行减薄，并对反应减薄质量的TTV及粗糙度进行测试，并对数据进行统计分析。对减薄后的硅片进行五点或九点测试，测试位置如图5所示。

过程1：通过调整不同的减薄速度，主轴转速等因素，摸索出对减薄质量的影响规律；

过程2：讨论保护膜对TTV的影响，讨论不同厚度的膜对产品TTV的影响；

过程3：对减薄后的数据进行统计，验证生产过程的可控性。

5 实验数据记录与分析

5.1 减薄参数的影响

分别调整减薄速度、主轴转速等对减薄质量影响较大的两个参数，摸索出不同参数对硅片表面粗糙度的影响情况。

（1）不同研磨速度对粗糙度的影响

设定主轴转速为4000rpm，调整研磨速度分别为80/50/30μm /min、60/40/20μm /min、50/30/10μm /min，各加工一片，对粗糙度进行5点测试，并计算其平均值，形成柱状图如图6所示。

图6可以看出，研磨速度为80/60/40μm /min时，其最大粗糙度、平均粗糙度均较大，为9.7nm、7.2nm，当研磨速度降为60/40/20μm /min时，其最大粗糙度（Rmax）、平均粗糙度（Ra）分别降为8.0nm、6.3nm，当研磨速度继续降为50/30/10μm /min，其最大粗糙度、平均粗糙度与研磨速度为60/40/20μm /min时下的结果相平。因此当增大减薄速度至80/60/40 μm /min时，硅片表面的粗糙度会有上升的趋势，故增大减薄速度会导致硅片表面的粗糙度上升。

图6 不同减薄速度的影响

（2）不同主轴转速对粗糙度的影响

设定研磨的速度为60/40/20μm /min，调整主轴转速分别为2 000rpm、2 500rpm、3 000rpm、3 500rpm、4 000rpm、4 500rpm，各加工一片，并对粗糙度进行5点测试，并计算其平均值，形成柱状图如图7所示。

从图中可以看出随着主轴速度的增大（由2 000rpm增至4 500rpm），平均粗糙度与最大粗糙度均下降，因此，增大转速有利于改善所减薄硅片表面的粗糙度。

图7 不同主轴转速对粗糙度的影响

将5.1的数据对比设备的性能指标（Ra=0.005μm（50埃），Rmax=0.05 μm（500埃））可以发现，Ra值略高于设备的最优指标值，Rmax值远小于设备的最优指标值。

5.2 对比不同膜的影响

（1）使用三种不同厚度的膜进行减薄，膜的厚度分别为70μm（A）、120μm（B）及140μm（C），分别加工5片，减薄后揭去膜，裸片厚度为450µm。然对减薄后的硅片进行五点测试，计算其TTV并对数据进行折线图处理，如图8所示。

图8 不同厚度膜对减薄后裸片TTV的影响

从图8中可以看出菱形（厚度为70 μm）曲线高于另外两条曲线，说明使用厚度为70 μm的膜对减薄后硅片TTV的影响较大。相比于另外两种膜（三角形曲线，厚度为140 μm；圆形曲线，厚度为120 μm），可以看出，对于产品质量控制来说，由于其过薄，产品的质量较差。

（2）探讨膜的影响

取25片100mm片进行贴膜、切膜、减薄及揭膜，片厚由540μm减薄至300μm。在整个过程中，记录了各个状态下的9点厚度，计算其平均值与TTV，并对各个状态下的数据进行对比，如下所示：

（a）贴膜前与贴膜后、揭膜前与揭膜后的TTV对比

图9为贴膜前与贴膜后的TTV对比，图10揭膜前与揭膜后的TTV对比。从图9可以看出，硅片在贴膜前其TTV的变化基本在2 μm ～4 μm间浮动，贴膜后，其TTV的浮动范围变为3μm ～7μm之间；从图10中可以看出，揭膜前其TTV多在2 μm ～4 μm间浮动，揭膜后其TTV的浮动范围变为5μm ～8μm之间。因此，由于膜本身TTV的存在，会对硅片的TTV产生3 μm ～4 μm之间的负面影响。

图9 贴膜前后TTV的对比

图10 揭膜前后TTV的对比

（b）减薄前（含膜）与减薄后（含膜）的TTV对比

图11为减薄前（含膜）与减薄后（含膜）的TTV对比，从图中可以看出减薄前（含膜）硅片的TTV均较高，多为4 μm ～8 μm间；减薄后（含膜）硅片的TTV较低，多为2μm ～4μm之间。因此，对于TTV较大的硅片，经过减薄，可以在一定的程度上降低TTV，有效地改善硅片厚度的均匀性。但对比设备的性能指标发现，减薄后的TTV大于最优指标（TTV=2 μm），因此，尚未达到设备的最佳能力。

（c）减薄前（裸片）与减薄后（裸片）TTV

图12为减薄前（裸片）与减薄后（裸片）TTV的对比，从图中可以看出，减薄前（裸片）的TTV多在2 μm ～4 μm间浮动。减薄后（裸片）的TTV多在3 μm ～5 μm间浮动，因此，对比加工前与加工后的数据可以发现，经过减薄这一机械加工，硅片厚度的均匀性略有下降，为1μm ～2μm。但是，作为减薄本身工艺特性考虑，其加工过程是一个挤压、破损、移除的物理过程，因此，对于1 μm ～2 μm的厚度偏差，可以说基本保持了加工前的均匀性水平。

图11 减薄前（含膜）与减薄后（含膜）的TTV对比

图12 减薄前（裸片）与减薄后（裸片）TTV

5.3 减薄过程分析

利用统计技术对减薄后的质量进行监控，对5.2（2）中所述的25片减薄揭膜后的数据进行数据统计。目标厚度为300μm，控制上限为310μm，控制下限为290μm，分别绘制运行图及工序能力指数图，如图13与图14所示。

从图13中可以看出，数据的最大值为302.333 3，数据的最小值为295.888 9，数据的平均值为299.026 7，减薄后的所有数据点均在上下控制限的范围内，说明所有数据点均可接受。根据“点出界判异准则”、“6点判异准则”及“9点判异准则”，说明此加工过程稳定、授控。但对比设备最优指标，其TV=302.333 3-295.888 9=6.444 4μm＞2μm，说明并未达到设备的最优指标。

从图14中同样可以看出数据的最大值、最小值与平均值，此外，由于此数据属于双限值，观察CPK，其值为1.521，大于1.33，小于1.67，故工序能力为合格。

图13 减薄数据运行图

图14 工序能力分析图

6 结论

通过对样品的减薄，并对数据进行统计处理，发现：

（1）对粗糙度的影响：减小减薄的速度、增大减薄的主轴转速可以有效的改善研磨的效果。考虑到生产效率，磨轮消耗等因素，在生产过程中，将参数设置为研磨速度：60/40/20μm /min，主轴转速：4 000rpm。

（2）膜的厚度不同，对减薄后的TTV的影响不同，减薄膜不应过薄。

（3）通过文中5.2（2）所述，对于型号为A的保护膜会对减薄硅片的TTV产生3μm ～4 μm之间的负面影响。对比设备的最优指标，目前的加工水平尚未达到最佳。考虑到膜本身TTV的存在，因此，对于下一步控制来说，选用优质的保护膜，将有可能进一步改善减薄的质量。

（4）对于TTV较大的硅片，经过减薄，可以有效地改善硅片厚度的均匀性。

（5）通过对数据的统计分析，证明了目前的加工质量稳定、授控。

［1］康仁科，郭东明，霍风伟，等.大尺寸硅片背面磨削技术的应用与发展[J].半导体技术，2003，28（9）：33-38.

［2］王仲康.超薄化芯片[J].电子工艺专用设备，2006，142：13-18.