木瑞強，劉 軍，曹玉生

（北京微電子技術研究所，北京 100000）

1 引言

隨著集成電路向著短小輕薄的方向發(fā)展，封裝中使用更薄的硅片已成為必然。目前行業(yè)內可以將硅片減薄至50 μm，相當于普通人頭發(fā)絲的直徑。通過減薄，可以將硅片背面多余材料去除掉，不僅有效的減小了硅片封裝體積，同時，也提高了器件在散熱、機械、電氣等方面的性能。目前減薄有以下幾種方法：研磨、化學機械拋光（CMP）、干式拋光（Dry Polishing）、電化學腐蝕（Electrochemical Etching）、濕法腐蝕（Wet Etching）、等離子輔助化學腐蝕（PACE）、常壓等離子腐蝕（Atmospheric Downstream Plasma Etching，ADPE）等，其中最常用的減薄技術有研磨、CMP、濕法腐蝕等。其中因為研磨的加工效率高，加工后的硅片平整度好，成本低，多被封裝廠所采用。

2 硅片背面研磨減薄技術

目前，硅片背面研磨減薄技術主要有旋轉工作臺減薄與硅片自旋轉減薄兩種。

2.1 旋轉工作臺減薄

采用大于硅片的工件轉臺，硅片通過真空吸盤夾持，工作臺沿水平方向進行移動，磨輪高速旋轉，從而對硅片進行減薄。但因其研磨輪與工作臺間接觸的面積并不一致，各點的受力并不均勻，減薄后的硅片易產生翹曲，特別是針對較薄的硅片。其減薄原理、磨痕及減薄效果如圖1所示，其中圖1（c）所示的硅片厚度為120 μm。

2.2 硅片自旋轉減薄

硅片自旋轉研磨法的原理為：采用略大于硅片的工件轉臺，硅片通過真空吸盤夾持在工件轉臺的中心，磨輪邊緣調整到硅片的中心位置，硅片和砂輪繞各自的軸線回轉，進行切入減薄（i n-f e e d grinding）。此種方法的優(yōu)點在于砂輪與硅片的接觸長度、接觸面積、切入角不變，研磨力恒定，加工狀態(tài)穩(wěn)定，可以避免硅片出現中凸和塌邊現象。尤其對較薄的硅片表現較為明顯。其工作原理、研磨痕跡與研磨后的效果如圖2所示，其中，圖2（c）所示的硅片厚度為120 μm。

經過上述對比，可以發(fā)現：采用硅片自旋轉研磨，當硅片薄至一定程度時，可以有效地避免研磨后的硅片翹曲現象的產生。目前，由于所封裝的薄硅片越來越多，更多的封裝廠選擇硅片自旋轉工作模式對硅片進行減薄。

圖1 旋轉工作臺原理、痕跡及研磨效果

圖2 硅片自旋轉研磨原理、痕跡及研磨效果

2.3 現有減薄設備

目前本單位現有一臺德國G&N公司所生產的MULTINANO3-300減薄機，其加工原理為硅片自旋轉研磨，最薄可以磨至50μm，可以實現對100mm、125mm、150mm、200mm、300mm硅片的全自動減薄。對于100mm硅片從630μm減薄至370μm，每5min可以完成減薄一片，一小時可以加工12片左右。設備的最優(yōu)指標為：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）。指片內的厚度偏差，即TTV越小，其片內厚度均勻性越好；

（2）Rmax為最大粗糙度，Ra為平均粗糙度；

（3）TV（Thickness Variation）指片與片間厚度偏差，即TV越小，片間厚度一致性越好。

3 減薄主要流程及影響因素

減薄操作的生產過程從圖3中可以看出主要為：貼膜、切膜、減薄、揭膜及測厚等幾個階段。

圖3 減薄生產流程

從生產的整個過程中，均可以引入導致研磨質量下降的因素。因此，對生產控制來講，生產中所涉及到的人、機、料、法、環(huán)均需要作為控制點加以監(jiān)控。圖4為影響減薄質量的魚骨圖。主要說明了對減薄質量的影響因素，其中減薄速度、主軸轉速及膜的質量為主要因素。本文主要探討了膜的質量對TTV的影響及減薄速度、主軸轉速對粗糙度的影響。

4 實驗過程

采用現有設備，對100mm硅片按以下過程進行減薄，并對反應減薄質量的TTV及粗糙度進行測試，并對數據進行統(tǒng)計分析。對減薄后的硅片進行五點或九點測試，測試位置如圖5所示。

過程1：通過調整不同的減薄速度，主軸轉速等因素，摸索出對減薄質量的影響規(guī)律；

過程2：討論保護膜對TTV的影響，討論不同厚度的膜對產品TTV的影響；

過程3：對減薄后的數據進行統(tǒng)計，驗證生產過程的可控性。

5 實驗數據記錄與分析

5.1 減薄參數的影響

分別調整減薄速度、主軸轉速等對減薄質量影響較大的兩個參數，摸索出不同參數對硅片表面粗糙度的影響情況。

（1）不同研磨速度對粗糙度的影響

設定主軸轉速為4000rpm，調整研磨速度分別為80/50/30μm /min、60/40/20μm /min、50/30/10μm /min，各加工一片，對粗糙度進行5點測試，并計算其平均值，形成柱狀圖如圖6所示。

圖6可以看出，研磨速度為80/60/40μm /min時，其最大粗糙度、平均粗糙度均較大，為9.7nm、7.2nm，當研磨速度降為60/40/20μm /min時，其最大粗糙度（Rmax）、平均粗糙度（Ra）分別降為8.0nm、6.3nm，當研磨速度繼續(xù)降為50/30/10μm /min，其最大粗糙度、平均粗糙度與研磨速度為60/40/20μm /min時下的結果相平。因此當增大減薄速度至80/60/40 μm /min時，硅片表面的粗糙度會有上升的趨勢，故增大減薄速度會導致硅片表面的粗糙度上升。

圖6 不同減薄速度的影響

（2）不同主軸轉速對粗糙度的影響

設定研磨的速度為60/40/20μm /min，調整主軸轉速分別為2 000rpm、2 500rpm、3 000rpm、3 500rpm、4 000rpm、4 500rpm，各加工一片，并對粗糙度進行5點測試，并計算其平均值，形成柱狀圖如圖7所示。

從圖中可以看出隨著主軸速度的增大（由2 000rpm增至4 500rpm），平均粗糙度與最大粗糙度均下降，因此，增大轉速有利于改善所減薄硅片表面的粗糙度。

圖7 不同主軸轉速對粗糙度的影響

將5.1的數據對比設備的性能指標（Ra=0.005μm（50埃），Rmax=0.05 μm（500埃））可以發(fā)現，Ra值略高于設備的最優(yōu)指標值，Rmax值遠小于設備的最優(yōu)指標值。

5.2 對比不同膜的影響

（1）使用三種不同厚度的膜進行減薄，膜的厚度分別為70μm（A）、120μm（B）及140μm（C），分別加工5片，減薄后揭去膜，裸片厚度為450μm。然對減薄后的硅片進行五點測試，計算其TTV并對數據進行折線圖處理，如圖8所示。

圖8 不同厚度膜對減薄后裸片TTV的影響

從圖8中可以看出菱形（厚度為70 μm）曲線高于另外兩條曲線，說明使用厚度為70 μm的膜對減薄后硅片TTV的影響較大。相比于另外兩種膜（三角形曲線，厚度為140 μm；圓形曲線，厚度為120 μm），可以看出，對于產品質量控制來說，由于其過薄，產品的質量較差。

（2）探討膜的影響

取25片100mm片進行貼膜、切膜、減薄及揭膜，片厚由540μm減薄至300μm。在整個過程中，記錄了各個狀態(tài)下的9點厚度，計算其平均值與TTV，并對各個狀態(tài)下的數據進行對比，如下所示：

（a）貼膜前與貼膜后、揭膜前與揭膜后的TTV對比

圖9為貼膜前與貼膜后的TTV對比，圖10揭膜前與揭膜后的TTV對比。從圖9可以看出，硅片在貼膜前其TTV的變化基本在2 μm ～4 μm間浮動，貼膜后，其TTV的浮動范圍變?yōu)?μm ～7μm之間；從圖10中可以看出，揭膜前其TTV多在2 μm ～4 μm間浮動，揭膜后其TTV的浮動范圍變?yōu)?μm ～8μm之間。因此，由于膜本身TTV的存在，會對硅片的TTV產生3 μm ～4 μm之間的負面影響。

圖9 貼膜前后TTV的對比

圖10 揭膜前后TTV的對比

（b）減薄前（含膜）與減薄后（含膜）的TTV對比

圖11為減薄前（含膜）與減薄后（含膜）的TTV對比，從圖中可以看出減薄前（含膜）硅片的TTV均較高，多為4 μm ～8 μm間；減薄后（含膜）硅片的TTV較低，多為2μm ～4μm之間。因此，對于TTV較大的硅片，經過減薄，可以在一定的程度上降低TTV，有效地改善硅片厚度的均勻性。但對比設備的性能指標發(fā)現，減薄后的TTV大于最優(yōu)指標（TTV=2 μm），因此，尚未達到設備的最佳能力。

（c）減薄前（裸片）與減薄后（裸片）TTV

圖12為減薄前（裸片）與減薄后（裸片）TTV的對比，從圖中可以看出，減薄前（裸片）的TTV多在2 μm ～4 μm間浮動。減薄后（裸片）的TTV多在3 μm ～5 μm間浮動，因此，對比加工前與加工后的數據可以發(fā)現，經過減薄這一機械加工，硅片厚度的均勻性略有下降，為1μm ～2μm。但是，作為減薄本身工藝特性考慮，其加工過程是一個擠壓、破損、移除的物理過程，因此，對于1 μm ～2 μm的厚度偏差，可以說基本保持了加工前的均勻性水平。

圖11 減薄前（含膜）與減薄后（含膜）的TTV對比

圖12 減薄前（裸片）與減薄后（裸片）TTV

5.3 減薄過程分析

利用統(tǒng)計技術對減薄后的質量進行監(jiān)控，對5.2（2）中所述的25片減薄揭膜后的數據進行數據統(tǒng)計。目標厚度為300μm，控制上限為310μm，控制下限為290μm，分別繪制運行圖及工序能力指數圖，如圖13與圖14所示。

從圖13中可以看出，數據的最大值為302.333 3，數據的最小值為295.888 9，數據的平均值為299.026 7，減薄后的所有數據點均在上下控制限的范圍內，說明所有數據點均可接受。根據“點出界判異準則”、“6點判異準則”及“9點判異準則”，說明此加工過程穩(wěn)定、授控。但對比設備最優(yōu)指標，其TV=302.333 3-295.888 9=6.444 4μm＞2μm，說明并未達到設備的最優(yōu)指標。

從圖14中同樣可以看出數據的最大值、最小值與平均值，此外，由于此數據屬于雙限值，觀察CPK，其值為1.521，大于1.33，小于1.67，故工序能力為合格。

圖13 減薄數據運行圖

圖14 工序能力分析圖

6 結論

通過對樣品的減薄，并對數據進行統(tǒng)計處理，發(fā)現：

（1）對粗糙度的影響：減小減薄的速度、增大減薄的主軸轉速可以有效的改善研磨的效果?？紤]到生產效率，磨輪消耗等因素，在生產過程中，將參數設置為研磨速度：60/40/20μm /min，主軸轉速：4 000rpm。

（2）膜的厚度不同，對減薄后的TTV的影響不同，減薄膜不應過薄。

（3）通過文中5.2（2）所述，對于型號為A的保護膜會對減薄硅片的TTV產生3μm ～4 μm之間的負面影響。對比設備的最優(yōu)指標，目前的加工水平尚未達到最佳?？紤]到膜本身TTV的存在，因此，對于下一步控制來說，選用優(yōu)質的保護膜，將有可能進一步改善減薄的質量。

（4）對于TTV較大的硅片，經過減薄，可以有效地改善硅片厚度的均勻性。

（5）通過對數據的統(tǒng)計分析，證明了目前的加工質量穩(wěn)定、授控。

［1］康仁科，郭東明，霍風偉，等.大尺寸硅片背面磨削技術的應用與發(fā)展[J].半導體技術，2003，28（9）：33-38.

［2］王仲康.超薄化芯片[J].電子工藝專用設備，2006，142：13-18.