硅片减薄技术研究

- 9 -第 10 卷第 03 期封 装 、 组 装 与 测 试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）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，越来越多的薄芯片将会出现在封装中。此外薄芯片可以提高器件在散热、机械等方面的性能，降低功率器件的电阻。因此，硅片减薄的地位越来越重要。文章简要介绍了减薄的几种方法，并对两种不同研磨减薄技术的优缺点进行了对比。此外，从影响减薄质量的因素如主轴转速、研磨速度及所使用的保护膜等几方面进行了实验的验证，分析了不同参数对质量的影响效果。并根据减薄后的质量情况，使用统计方法，对减薄的过程进行了监控。关键词：硅片；背面减薄；研磨中图分类号 ： TN305.94 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1681-1070（ 2010） 03-0009-05The Study on Silicon Grinding TechnologyMU Rui-qiang, LIU Jun, CAO Yu-sheng（ Beijing Microelectronics Technology Institute , Beijing 100000, China ）Abstract: As IC chips are fast developing toward higher density, higher performance and smaller size, to meetthe demands of IC package， wafer thinning will play a more important role. In this paper, some methods aboutthe thinning are introduced. The grinding parameters are discussed and the influence of tape on grinding qualityis also described. Statistic is applied for grinding process.Key words: silicon; grinding; back thinning收稿日期： 2009-08-18第 10卷， 第 03 期Vol． 10， No ． 03电 子 与 封 装ELECTRONICS & PACKAGING总 第 83 期2010 年 03 月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 μ m ，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（ ElectrochemicalEtching ） 、湿法腐蚀（ Wet Etching ） 、等离子辅助化学腐蚀（ PACE ） 、常压等离子腐蚀（ AtmosphericDownstream 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DOI:10.16257/j.cnki.1681-1070.2010.03.004- 10 -电 子 与 封 装第 10 卷第 ０３ 期夹持，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 μ m。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 ee dgrinding ） 。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 μ m。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。）研磨效果图 1 旋转工作台原理、 痕迹及研磨效果（ a）减薄原理 （ b）研磨痕迹 （ c）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 50 μ m， 可以实现对 100mm 、125mm 、 150mm、 200mm、 300mm 硅片的全自动减薄。对于 100mm 硅片从 630 μ m 减薄至 370 μ m， 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 ≤ 2μ m， Ra≤ 0.005 μ m（ 50埃） ， Rmax ≤ 0.05 μ m（ 500 埃） ， TV ≤ 2 μ m。（ 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。图 4 减薄质量鱼骨图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。- 11 -第 10 卷第 03 期五点及九点测试位置示意图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80/50/30 μ m /min 、 60/40/20 μ m /min 、 50/30/10 μ m /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 80/60/40 μ m /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 60/40/20 μ m /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 50/30/10 μ m /min ， 其最大粗糙度、 平均粗糙度与研磨速度为 60/40/20 μ m /min 时下的结果相平。因此当增大减薄速度至 80/60/40 μ m /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 60/40/20 μ m /min ， 调整主轴转速分别为 2 000rpm、 2 500rpm、 3 000rpm、 3 500rpm、4000rpm、 4500rpm， 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2000rpm 增至 4500rpm ） ， 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=0.005μ m（ 50 埃） ， Rmax =0.05 μ m（ 500 埃） ）可以发现， Ra 值略高于设备的最优指标值， R max 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 70 μ m（ A） 、 120 μ m（ B） 及 140 μ m（ 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 μ m）曲线高于另外两条曲线，说明使用厚度为 70 μ m 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 μ m；圆形曲线，厚度为 120μ m ） ，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 540 μ m 减薄至 300 μ m。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 揭膜木瑞强，刘 军，曹玉生：硅片减薄技术研究- 12 -电 子 与 封 装第 10 卷第 ０３ 期前与揭膜后的 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 μ m ~4 μ m 间浮动，贴膜后， 其 TTV的浮动范围变为 3μ m ~7 μ m 之间；从图 10 中可以看出，揭膜前其 TTV 多在 2 μ m ~4 μ m间浮动， 揭膜后其 TTV 的浮动范围变为 5μ m ~8 μ m之间。因此，由于膜本身 TTV 的存在，会对硅片的TTV 产生 3 μ m ~4 μ m 之间的负面影响。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 μ m ~8 μ m 间；减薄后（含膜） 硅片的 TTV 较低， 多为 2 μ m ~4 μ m 之间。 因此，对于 TT V 较大的硅片，经过减薄，可以在一定的程度上降低 T T V ，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 μ m ） ，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 μ m ~4 μ m 间浮动。减薄后（裸片）的 TTV多在 3 μ m ~5 μ m 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，硅图 11 减薄前（含膜）与减薄后（含膜）的 TTV 对比片厚度的均匀性略有下降，为 1 μ m ~2 μ m。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 μ m ~2μ m 的厚度偏差，可以说基本保持了加工前的均匀性水平。图 12 减薄前（裸片）与减薄后（裸片） TTV5.3 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 300μ m， 控制上限为 310 μ m， 控制下限为 290 μ m， 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=302.3333-295.888 9=6.444 4μ m ＞ 2μ m， 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。- 13 -第 10 卷第 03 期 木瑞强，刘 军，曹玉生：硅片减薄技术研究减薄数据运行图图 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 ： 60/40/20 μ m /min ， 主轴转速 ：4000rpm。（ 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 3 μ m ~4 μ m 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。参考文献：［ 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.作者简介：木瑞强 （ 1981-） ， 男， 北京人， 毕业于电子科技大学，现在北京微电子技术研究所从事科研工作。批量印刷专家得可就其广受欢迎的 Horizon丝网印刷设备， 推出更多的增强功能。 现配备尖端的新型罩盖， Horizon充分提高可用性和操作员使用，达到更高水平的制造灵活性。得可 Horizon 平台提供大量先进的标准配置， 使客户能从大批现场可轻易拆卸及安装的配件中进行选择， 以应对未来的应用、生产需求或技术。而由于新型 Horizon 罩盖的添加， 这一固有灵活性最近更达到新水平。 提供平台前后的方便进入， 轻质罩盖避免更多工具的需求。 此外， 快速上抬罩盖和完全的设备进入， 赋予丝网印刷机所有关键部分的触手可及，而人类工程学设计则避免操作员误差的可能性。得可客户现可进一步扩展其 Horizon信 息 报 道“由快速转换和六西格玛功能驱动， Horizon 行业领先的精度和可重复性使其能与生产需求与时俱进。 我们之所以很高兴地推出新型罩盖， 在于它能更进一步地扩展无与伦比的多功能性， ”得可的市场营销总监 Karen Moore-Watts 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