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硅片减薄技术现状与分析

发表时间:2014-11-29

  硅片减薄技术现状与分析

  在IC制造的装配与封装阶段,硅片在后续封装之前需要对其进行背面减薄(back thinning),减薄后的硅片厚度甚至达到初始厚度的5%以下,如所图1.5示。为避免硅片减薄后碎裂,要求硅片表面/亚表面没有损伤。目前,国内外已有的硅片减薄技术主要有研磨(Lapping)、化学机械抛光(Chemical mechanical polishing, CMP) ,湿法腐蚀(Wet etching)、常压等离子腐蚀(Atmospheric downstream plasma etching, ADPE)、磨削(Grinding) 等,如图1.6所示,不同硅片减薄技术的分析如下:

  图1.5硅片背面减薄前后的厚度

  硅片减薄技术之研磨

  研磨分为单面研磨和双面研磨,在图案硅片的减簿加工中主要采用单面研磨。采用中-面研磨机对图案硅片进行研磨减薄加工时,首先对硅片的正面进行保护并置 于研磨盘 .1:,然后加入液体研磨料,在研磨盘与硅片之间的相对摩擦运动及研磨液的共同作用K, 完成硅片表面材料的去除。由于游离磨料的运动是无规则的、随机的,避免了桂片有一定方向性的加工痕迹,使桂片表面材料能够均勾被去除但单面研磨存在高精度 面型不易保证、加工效率低,加工成本高、不易实现自动化等公认的缺点,尤其是随着硅片直径和厚度的抬大以及芯片厚度的减小,单面研磨在面型精度和生产效率 等方面的缺点将史加突出。此外,研磨加工的硅片表面粗糙度较大、祥在较大的损伤层和残余应力, 这些缺陷将严重影响硅片的似小减薄厚度,还需耍后续工艺(如化学机械抛光、湿法腐烛、常压等离子腐烛)去除研磨引起的损伤层和残余应力,以防止超薄碎片发 生破碎。

  硅片减薄技术之化学机械抛光

  化学机械抛光是仍助磨粒的机械磨擦作用和抛光液的化学腐烛作用完成对硅片表面材料的去除。化学机械抛光系统与研磨相同,只足采用较软的抛光链和抛光液代替研磨系统的研磨盘和研磨液。采用化学机械抛光减傅硅片时,由磨粒和化学溶液组成的抛光液在硅片勾抛光塾之间流动,在硅片表面发生化学反应,生成一层较软的化学反应膜, 该反应膜在磨粒和抛光绝的机械障擦作下被去除,并被流动的抛光液带走,滿出新的碎片表面,使得化学反应继续进行,在化学成脱和机械去膜的交替过程中实现碎片表面材料的去除化学机械抛光减簿碎片的表面粗糙度低,表面层损伤层很小,但与研磨加工类似,存在材料去除率低、加工成本高、工作压力高等缺点,主耍应用在度大J: 200nm硅片的减薄加工,对厚度200^un以下碰片的减薄加工仅限于实验室,还没面“应用到大批量生产

  硅片减薄技术之湿法腐蚀

  湿法腐蚀原理是将硅片浸入化学溶液中,通过化学反应去除硅片表面材料。采用湿法腐蚀减薄硅片过程中,将酸性化学溶液((HF+HN03)喷洒在旋转的硅 片表面上,使硅片表面能均匀地布化学溶液,硅片表面材料在混合酸液的作用下被连续地蚀掉[[42]。湿法腐蚀减薄硅片的效率高(去除率可达 5μ40μm/min),加工硅片的表面粗糙度小于1 nm,亚表面没有晶格畸变、位错、残余应力等损伤,能极大地提高硅片的强度,减少翘曲,但其缺点是需对硅片的正面进行特殊的保护,对硅片面型的校正能力 弱,不适合加工有凸起的硅片,腐蚀速度难以控制,还有严重的环境污染问题。

  硅片减薄技术之常压等离子腐蚀

  常压等离子腐蚀是利用磁力控制的、在大气压力下工作的一种基于纯化学腐蚀作用的干式腐蚀技术,在氨气环境下常压等离子腐蚀系统将CF;气体引入等离子 区,使之 100%分解,F与硅片表面的材料发生化学反应生成SiF4,达到去除材料的目的。加工时,利用伯努利效应产生的压力将硅片悬置于等离子区上方,硅片的正 面不需要特殊保护,能够加工较薄的硅片和有凸起的硅片,加工效率较高(去除率可达20μm/min),加工硅片的面型较好,但整个硅片表面质量的均匀性较 差,加工成本高。

  硅片减薄技术之磨削

  磨削加工效率高,加工成本低,加工硅片的面型好,是目前主要的硅片减薄技术。磨削减薄工序一般包括粗磨和精磨,通过合理调节参数达到最终所要求的硅片厚 度、厚度变化值((TTV)以及表面粗糙度。以直径300mm硅片为例,首先利用粗磨将厚度775μm的硅片快速地减薄至接近目标厚度,磨削量占总减薄量 的90%以上,粗磨会在硅片表面层引起微裂纹和晶格扭曲等损伤,损伤层深度达20μ30μ,mμ0 4s]。随后精磨去除10μ50μm,磨削量小于总减薄量的10%,精磨将去除粗磨造成的表面层损伤,但同时仍会在硅片表面产生轻微损伤,这将极大降低超 薄硅片的强度,尤其是表面微裂纹会造成硅片碎裂隐患,残余应力使薄硅片产生弯曲和翘曲变形,给硅片的传输和后续处理带来困难,增加碎片率[[46]。因 此,在精磨后还需采用其它减薄工艺(如化学机械抛光、湿法腐蚀、常压等离子腐蚀)去除磨削损伤。

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