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大尺寸硅片背面磨削技术的应用与发展

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世界新能源-太阳能网　2006-6-22　访问人数:　【字体：小 大】
   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，为满足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。 

   
    关键字：硅片；背面减薄；磨削；IC封装 

   
中图分类号： TN305 文献标识码： A 文章编号：1003-353X(2003)09-0033-06

   
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625 mm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375 mm，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100 mm以下，高性能电子产品的立体封装甚至需要厚度小于50m ｍ超薄的芯片。硅片直径。 

   
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20～30 mm。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），使其达到所需的厚度；然后再对硅片进行划片（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）提高电气性能 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难，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（HNO 3/HF/HPO4）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。常压等离子腐蚀是新近发展起来的、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AD

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文章来源：太阳能网　作者：太阳能人

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