科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使得集成電路逐漸朝著小型化和高度集成化方向發(fā)展，而這就對(duì)芯片的散熱效率、尺寸提出了更高的要求。為了在較少的面積和整體封裝高度實(shí)現(xiàn)多層密集互聯(lián)，芯片不僅要實(shí)現(xiàn)超薄化，還要保持足夠的平整度，而這也加劇了晶圓翹曲和碎片的風(fēng)險(xiǎn)。為有效打破該問(wèn)題的限制，便產(chǎn)生了晶圓減薄技術(shù)。接下來(lái)，小編將為大家詳細(xì)介紹一下晶圓減薄技術(shù)。

IC制造流程（圖源：文獻(xiàn)1）

什么是晶圓減薄技術(shù)？

廣義的減薄既包含晶圓制備流程中的研磨和拋光，也涵蓋IC制造流程中的化學(xué)機(jī)械拋光和背面研磨。一般而言，晶圓減薄指的是晶圓的背面研磨。在減薄前，通常需要在晶圓的正面固定一層背磨膠帶，以固定晶圓并保護(hù)晶圓的圖形層，后再將晶圓翻轉(zhuǎn)進(jìn)行粗磨和精磨。

（1）粗磨：由于晶圓的厚度遠(yuǎn)大于裸芯片的厚度，因此在粗磨階段往往會(huì)采用粒度為350-500目的金剛砂輪進(jìn)行快速的磨削，此時(shí)磨削量占總減薄量的90%。

（2）精磨：經(jīng)過(guò)粗磨的晶圓表面往往會(huì)存在大量缺陷和裂紋，因此在粗磨后需要對(duì)晶圓進(jìn)行精磨。精磨會(huì)采用粒度為2000-3000目的金剛砂輪，并降低砂輪的給進(jìn)速度，以去除粗磨產(chǎn)生的損傷層，此時(shí)磨削量占總減薄量的6%。

（3）后續(xù)工藝：雖然精磨階段可以消除前端粗磨產(chǎn)生的損傷、崩邊等現(xiàn)象，但這一過(guò)程也極易引入微裂紋和微缺陷。因此，當(dāng)晶圓的目標(biāo)厚度或臨界尺寸較小時(shí)，會(huì)在精磨后通過(guò)后續(xù)工藝去除表面的微損傷，降低表面的殘余應(yīng)力。

晶圓減薄工藝（圖源：文獻(xiàn)2）

分類(lèi)

一、機(jī)械減薄

機(jī)械減薄技術(shù)是一種通過(guò)精密加工減薄設(shè)備對(duì)待加工材料表面基體進(jìn)行物理磨削的工藝技術(shù)，通過(guò)機(jī)械磨削可以降低加工物的厚度。晶圓減薄后的厚度一般為幾十到幾百微米，而機(jī)械研磨的優(yōu)點(diǎn)在于可以提高工件表面的平整度和光潔度，并且在較短的時(shí)間內(nèi)得到較高的研磨精度，是相對(duì)成熟的晶圓減薄加工技術(shù)。機(jī)械減薄可以根據(jù)不同工件的材質(zhì)及表面質(zhì)量的要求選擇相應(yīng)的機(jī)械減薄工藝，對(duì)于硬脆材料晶圓的機(jī)械減薄工藝主要有單面磨削、雙面磨削、干式拋光等。

1、單面磨削

單面磨削是只需要對(duì)材料的一側(cè)進(jìn)行研磨，另一側(cè)則保持平整。相較傳統(tǒng)研磨，晶圓的超精密單面磨削具有生產(chǎn)效率高，成本低，易實(shí)現(xiàn)加工在線(xiàn)檢測(cè)、控制及自動(dòng)化，能夠獲得極高的面型精度和卓越的表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。目前，轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削和晶圓自旋轉(zhuǎn)磨削是最具代表性的單面磨削技術(shù)。

（1）轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削是借助真空吸盤(pán)把多個(gè)晶圓固定于轉(zhuǎn)臺(tái)上，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，晶圓會(huì)保持靜止，不會(huì)圍繞自身軸心轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)前階段，將直徑大于晶圓的砂輪安裝于高精密滾動(dòng)軸承或靜壓空氣軸承的主軸處，使其以高速運(yùn)轉(zhuǎn)并實(shí)施軸向進(jìn)給。晶圓減薄是在減薄設(shè)備上放置粗磨和精磨2種砂輪實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周，晶圓的粗磨和精磨依次完成。轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削可分為2種類(lèi)型，一是端面切入式，通常采用多砂輪構(gòu)造，砂輪沿軸向不斷進(jìn)給，直至將加工余量消除；二是端面切向式磨削，砂輪圍繞自身軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行軸向進(jìn)給，與此同時(shí)，晶圓隨轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行水平切向的持續(xù)進(jìn)給減薄。可根據(jù)具體的加工需求選擇不同的加工方式。與傳統(tǒng)研磨方法相比，轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削具備去除率高、對(duì)晶圓表面產(chǎn)生的損傷小、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作等優(yōu)勢(shì)。但也存在磨削力不穩(wěn)定、TTV值較高、容易出現(xiàn)塌邊和崩邊等問(wèn)題。

轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削原理圖（圖源：文獻(xiàn)3）

（2）晶圓自旋轉(zhuǎn)磨削的工件通常會(huì)被吸附于多孔陶瓷真空吸盤(pán)之上，伴隨旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)進(jìn)行低速轉(zhuǎn)動(dòng)；與此同時(shí)，砂輪圍繞自身主軸進(jìn)行自旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且沿軸向連續(xù)進(jìn)給，從而實(shí)現(xiàn)單面磨削及材料去除。這種方法是較為成熟的硬脆材料磨削方法，能夠滿(mǎn)足硬脆材料高面形精度、低表面粗糙度的要求，也經(jīng)常被用于大尺寸晶圓的快速減薄。相較于轉(zhuǎn)臺(tái)式磨削，自旋轉(zhuǎn)磨削具有磨削力恒定，能控制晶圓的面型精度；可進(jìn)行大余量減薄，不受晶圓加工余量的限制；可調(diào)整加工參數(shù)，減少晶圓表面損傷的優(yōu)點(diǎn)。

自旋轉(zhuǎn)磨削原理圖（圖源：文獻(xiàn)4）

2、雙面磨削

雙面磨削是將工件夾在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的磨削盤(pán)之間，磨削盤(pán)上覆蓋有磨削顆粒的磨削輪，兩個(gè)磨削盤(pán)可獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，并且可調(diào)整磨削盤(pán)之間的距離和角度，以控制工件的加工過(guò)程。該技術(shù)具有簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)路徑和高加工效率的優(yōu)勢(shì)。但在加工過(guò)程中，尤其針對(duì)兩端面面積不一致的不對(duì)稱(chēng)端面零件，極有可能出現(xiàn)較顯著的平面度和平行度誤差。因此，后續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾行禽嗠p面加工來(lái)解決晶圓二次裝夾誤差的問(wèn)題。

雙面磨削原理圖（圖源：文獻(xiàn)5）

3、電火花磨削

電火花磨削是一種利用受控電脈沖產(chǎn)生的熱能進(jìn)行晶圓減薄的方法。電火花磨削設(shè)備結(jié)構(gòu)與金剛石減薄磨床類(lèi)似，配備了旋轉(zhuǎn)主軸和防油的精密旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，分別用于驅(qū)動(dòng)電極和晶圓進(jìn)行低速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。仿照金剛石碗形砂輪，將電極設(shè)計(jì)為碗形，并帶有凹槽，以增強(qiáng)流體的流動(dòng)，便于清除加工中產(chǎn)生的碎屑。在加工過(guò)程中，電極旋轉(zhuǎn)著緩慢向下進(jìn)給，通過(guò)電極與晶圓之間的脈沖放電來(lái)去除材料，實(shí)現(xiàn)非接觸的減薄。此工藝與傳統(tǒng)磨削工藝相比，不會(huì)對(duì)晶圓造成機(jī)械損傷，加工更穩(wěn)定，且電極材料消耗少、成本較低。

電火花磨削減薄加工原理圖（圖源：文獻(xiàn)6）

4、干式拋光

在減薄加工后，晶圓表面的層損傷無(wú)法完全消除，所以需要對(duì)晶圓進(jìn)行拋光。干式拋光主要是利用機(jī)械摩擦力和磨料間的作用，來(lái)消除表面層損傷及應(yīng)力。在拋光過(guò)程中，干式拋光無(wú)須使用水或其他液體，因此不會(huì)產(chǎn)生廢水和廢液，可大幅提高工作效率，減少后續(xù)清洗和干燥的時(shí)間、步驟。同時(shí)，它可適用于各種材料的表面拋光，能夠根據(jù)不同的需求來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和磨料種類(lèi)，是當(dāng)前機(jī)械減薄常用的拋光方式。

干式拋光原理圖（圖源：文獻(xiàn)5）

二、化學(xué)機(jī)械減薄

1、化學(xué)機(jī)械磨削

化學(xué)機(jī)械磨削（CMG）是融合了化學(xué)反應(yīng)與機(jī)械磨削的固結(jié)磨料加工技術(shù)，其材料去除的過(guò)程可劃分為機(jī)械作用接觸階段、鈍化層的預(yù)生成階段、鈍化層的生成階段、鈍化層的去除階段4個(gè)階段。目前，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)單晶硅、石英玻璃、藍(lán)寶石等硬脆材料的納米級(jí)面形精度與表面粗糙度。但CMG技術(shù)的研究仍處于原理探索和工藝優(yōu)化階段，存在諸多問(wèn)題有待解決，例如專(zhuān)用磨具磨損較快、使用壽命短、材料去除率較低等。

化學(xué)機(jī)械磨削去除原理圖（圖源：文獻(xiàn)5） 

2、化學(xué)機(jī)械拋光

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是一種綜合化學(xué)作用與機(jī)械作用的加工方法，具有對(duì)小尺寸晶圓加工效率高、低損傷、可實(shí)現(xiàn)全局或局部平坦化等優(yōu)點(diǎn)。CMP的化學(xué)作用就是拋光液與晶圓表面發(fā)生氧化或耦合從而變得容易被機(jī)械作用去除，而不需要去除的部分則會(huì)被有機(jī)物保護(hù)起來(lái)。CMP的機(jī)械作用是晶圓由拋光頭施加向下的壓力在拋光墊上與研磨顆粒摩擦的作用。晶圓的上部接受來(lái)自?huà)伖忸^的壓力，晶圓的下部在接觸到粗糙的拋光墊或研磨顆粒后部分被摩擦去除。整個(gè)CMP過(guò)程中，拋光液作用于拋光墊和晶圓之間，其承擔(dān)了傳遞壓力、除去表面薄膜和輸送反應(yīng)物等重要環(huán)節(jié)，對(duì)MRR有著直接影響。

化學(xué)機(jī)械拋光原理圖（圖源：文獻(xiàn)7）

四、能束減薄

能束減薄是近年發(fā)展起來(lái)的加工技術(shù)，它主要利用了高強(qiáng)度聚焦能束來(lái)對(duì)材料進(jìn)行納米級(jí)加工，并配合掃描電鏡（SEM）等高倍數(shù)電子顯微鏡實(shí)時(shí)觀察。目前，已成為納米級(jí)分析、制造的主要方法。

1、激光加工

激光加工是用激光對(duì)晶圓進(jìn)行減薄的技術(shù)，它主要是利用激光器產(chǎn)生的高強(qiáng)度激光束照射晶圓表面，使晶圓表面的材料吸收激光能量并蒸發(fā)或升華，通過(guò)控制激光束的功率、聚焦度和掃描速度等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶圓材料的精確、可控地薄化。這種方法具有靈活性高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)膜層的精確減薄，減少材料損耗；精度高，非接觸加工不會(huì)對(duì)膜產(chǎn)生機(jī)械損傷；生產(chǎn)效率高，與傳統(tǒng)的磨削技術(shù)相比，激光晶圓減薄技術(shù)的加工速度更快，減少了晶圓的損傷和時(shí)間，提高了芯片的生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)。但也存在技術(shù)難度高、成本較高的問(wèn)題。

激光晶圓減薄技術(shù)原理圖（圖源：文獻(xiàn)5）

2、動(dòng)態(tài)等離子加工

動(dòng)態(tài)等離子加工技術(shù)是利用等離子體的高溫、高能量密度和高化學(xué)反應(yīng)活性等特點(diǎn)，對(duì)材料進(jìn)行加工處理。等離子體是由離子、電子和中性粒子組成。在加工過(guò)程中，通過(guò)氣體放電或其他方式產(chǎn)生等離子體，并將其引導(dǎo)到加工區(qū)域。等離子體中的離子和電子具有很高的能量，可以與材料表面發(fā)生碰撞和相互作用，從而達(dá)到加工效果。這種方法具有加工精度高，等離子體的能量密度高，可以實(shí)現(xiàn)高精度的加工；適用材料廣泛，可適用于各種材料，包括金屬、非金屬、半導(dǎo)體等；環(huán)境友好，不需要使用化學(xué)試劑，對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。但仍存在等離子加工設(shè)備的制造、維護(hù)成本高、加工效率等問(wèn)題。

五、化學(xué)減薄

1、濕法腐蝕

濕法腐蝕是將晶片浸入酸性溶液(HF/HPO₄/HNO₃)中，通過(guò)溶液與晶片反生化學(xué)反應(yīng)生成可溶性物質(zhì)去除晶片表面材料。濕法腐蝕工藝材料去除率較高，并且加工過(guò)程中，僅通過(guò)溶液與晶片之間的化學(xué)反應(yīng)去除材料，不存在機(jī)械力作用，因此不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械損傷，同時(shí)能夠去除晶片表面的殘余應(yīng)力，減少晶片翹曲，提高晶片強(qiáng)度。但是，濕法腐蝕工藝也存在著蝕刻速率不均勻，無(wú)法改善晶片表面平整度的問(wèn)題，而且加工過(guò)程中采用的濃酸溶液以及廢液對(duì)環(huán)境危害較大，容易產(chǎn)生較為嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。

2、等離子體化學(xué)氣相加工

等離子體化學(xué)氣相加工工藝主要通過(guò)等離子體中具有強(qiáng)氧化性的自由基與工件表面原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)損加工。基于其獨(dú)特的加工方式，工件不會(huì)出現(xiàn)由塑性變形或脆性斷裂帶來(lái)的晶體缺陷，并保持了工件原有的物理特性。針對(duì)半導(dǎo)體硬脆材料的減薄加工，該工藝能避免出現(xiàn)裂紋、碎裂和翹曲等問(wèn)題。以減薄SiC晶片為例，PCVM設(shè)備主要由電極和轉(zhuǎn)臺(tái)組成，其中電極可以移動(dòng)并經(jīng)過(guò)工件，且含有通氣口，轉(zhuǎn)臺(tái)可以上下移動(dòng)，且具備真空吸附和加熱功能。在加工過(guò)程中，向電極下方的反應(yīng)腔注入SF₆、He，接通電極，產(chǎn)生等離子體，并掃描經(jīng)過(guò)SiC晶圓，產(chǎn)生的氟自由基能與SiC表面會(huì)發(fā)生反應(yīng)，從而去除材料。但目前這種工藝存在效率太低的問(wèn)題。

PCVM減薄設(shè)備示意圖（圖源：文獻(xiàn)6）

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