科學技術的飛速發展使得集成電路逐漸朝著小型化和高度集成化方向發展，而這就對芯片的散熱效率、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現多層密集互聯，芯片不僅要實現超薄化，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險。為有效打破該問題的限制，便產生了晶圓減薄技術。接下來，小編將為大家詳細介紹一下晶圓減薄技術。

IC制造流程（圖源：文獻1）

什么是晶圓減薄技術？

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制造流程中的化學機械拋光和背面研磨。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，以固定晶圓并保護晶圓的圖形層，后再將晶圓翻轉進行粗磨和精磨。

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

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

（3）后續工藝：雖然精磨階段可以消除前端粗磨產生的損傷、崩邊等現象，但這一過程也極易引入微裂紋和微缺陷。因此，當晶圓的目標厚度或臨界尺寸較小時，會在精磨后通過后續工藝去除表面的微損傷，降低表面的殘余應力。

晶圓減薄工藝（圖源：文獻2）

分類

一、機械減薄

機械減薄技術是一種通過精密加工減薄設備對待加工材料表面基體進行物理磨削的工藝技術，通過機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，而機械研磨的優點在于可以提高工件表面的平整度和光潔度，并且在較短的時間內得到較高的研磨精度，是相對成熟的晶圓減薄加工技術。機械減薄可以根據不同工件的材質及表面質量的要求選擇相應的機械減薄工藝，對于硬脆材料晶圓的機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材料的一側進行研磨，另一側則保持平整。相較傳統研磨，晶圓的超精密單面磨削具有生產效率高，成本低，易實現加工在線檢測、控制及自動化，能夠獲得極高的面型精度和卓越的表面質量等優點。目前，轉臺式磨削和晶圓自旋轉磨削是最具代表性的單面磨削技術。

（1）轉臺式磨削是借助真空吸盤把多個晶圓固定于轉臺上，當轉臺旋轉時，晶圓會保持靜止，不會圍繞自身軸心轉動。當前階段，將直徑大于晶圓的砂輪安裝于高精密滾動軸承或靜壓空氣軸承的主軸處，使其以高速運轉并實施軸向進給。晶圓減薄是在減薄設備上放置粗磨和精磨2種砂輪實現的。當轉臺旋轉一周，晶圓的粗磨和精磨依次完成。轉臺式磨削可分為2種類型，一是端面切入式，通常采用多砂輪構造，砂輪沿軸向不斷進給，直至將加工余量消除；二是端面切向式磨削，砂輪圍繞自身軸線旋轉并進行軸向進給，與此同時，晶圓隨轉臺進行水平切向的持續進給減薄。可根據具體的加工需求選擇不同的加工方式。與傳統研磨方法相比，轉臺式磨削具備去除率高、對晶圓表面產生的損傷小、易于實現自動化操作等優勢。但也存在磨削力不穩定、TTV值較高、容易出現塌邊和崩邊等問題。

轉臺式磨削原理圖（圖源：文獻3）

（2）晶圓自旋轉磨削的工件通常會被吸附于多孔陶瓷真空吸盤之上，伴隨旋轉工作臺進行低速轉動；與此同時，砂輪圍繞自身主軸進行自旋轉運動，并且沿軸向連續進給，從而實現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，能夠滿足硬脆材料高面形精度、低表面粗糙度的要求，也經常被用于大尺寸晶圓的快速減薄。相較于轉臺式磨削，自旋轉磨削具有磨削力恒定，能控制晶圓的面型精度；可進行大余量減薄，不受晶圓加工余量的限制；可調整加工參數，減少晶圓表面損傷的優點。

自旋轉磨削原理圖（圖源：文獻4）

2、雙面磨削

雙面磨削是將工件夾在兩個旋轉的磨削盤之間，磨削盤上覆蓋有磨削顆粒的磨削輪，兩個磨削盤可獨立旋轉，并且可調整磨削盤之間的距離和角度，以控制工件的加工過程。該技術具有簡化運動路徑和高加工效率的優勢。但在加工過程中，尤其針對兩端面面積不一致的不對稱端面零件，極有可能出現較顯著的平面度和平行度誤差。因此，后續轉變為行星輪雙面加工來解決晶圓二次裝夾誤差的問題。

雙面磨削原理圖（圖源：文獻5）

3、電火花磨削

電火花磨削是一種利用受控電脈沖產生的熱能進行晶圓減薄的方法。電火花磨削設備結構與金剛石減薄磨床類似，配備了旋轉主軸和防油的精密旋轉工作臺，分別用于驅動電極和晶圓進行低速穩定旋轉。仿照金剛石碗形砂輪，將電極設計為碗形，并帶有凹槽，以增強流體的流動，便于清除加工中產生的碎屑。在加工過程中，電極旋轉著緩慢向下進給，通過電極與晶圓之間的脈沖放電來去除材料，實現非接觸的減薄。此工藝與傳統磨削工藝相比，不會對晶圓造成機械損傷，加工更穩定，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6）

4、干式拋光

在減薄加工后，晶圓表面的層損傷無法完全消除，所以需要對晶圓進行拋光。干式拋光主要是利用機械摩擦力和磨料間的作用，來消除表面層損傷及應力。在拋光過程中，干式拋光無須使用水或其他液體，因此不會產生廢水和廢液，可大幅提高工作效率，減少后續清洗和干燥的時間、步驟。同時，它可適用于各種材料的表面拋光，能夠根據不同的需求來調節轉速和磨料種類，是當前機械減薄常用的拋光方式。

干式拋光原理圖（圖源：文獻5）

二、化學機械減薄

1、化學機械磨削

化學機械磨削（CMG）是融合了化學反應與機械磨削的固結磨料加工技術，其材料去除的過程可劃分為機械作用接觸階段、鈍化層的預生成階段、鈍化層的生成階段、鈍化層的去除階段4個階段。目前，該技術可實現對單晶硅、石英玻璃、藍寶石等硬脆材料的納米級面形精度與表面粗糙度。但CMG技術的研究仍處于原理探索和工藝優化階段，存在諸多問題有待解決，例如專用磨具磨損較快、使用壽命短、材料去除率較低等。

化學機械磨削去除原理圖（圖源：文獻5） 

2、化學機械拋光

化學機械拋光（CMP）是一種綜合化學作用與機械作用的加工方法，具有對小尺寸晶圓加工效率高、低損傷、可實現全局或局部平坦化等優點。CMP的化學作用就是拋光液與晶圓表面發生氧化或耦合從而變得容易被機械作用去除，而不需要去除的部分則會被有機物保護起來。CMP的機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。晶圓的上部接受來自拋光頭的壓力，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CMP過程中，拋光液作用于拋光墊和晶圓之間，其承擔了傳遞壓力、除去表面薄膜和輸送反應物等重要環節，對MRR有著直接影響。

化學機械拋光原理圖（圖源：文獻7）

四、能束減薄

能束減薄是近年發展起來的加工技術，它主要利用了高強度聚焦能束來對材料進行納米級加工，并配合掃描電鏡（SEM）等高倍數電子顯微鏡實時觀察。目前，已成為納米級分析、制造的主要方法。

1、激光加工

激光加工是用激光對晶圓進行減薄的技術，它主要是利用激光器產生的高強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或升華，通過控制激光束的功率、聚焦度和掃描速度等參數，從而實現對晶圓材料的精確、可控地薄化。這種方法具有靈活性高，可實現對膜層的精確減薄，減少材料損耗；精度高，非接觸加工不會對膜產生機械損傷；生產效率高，與傳統的磨削技術相比，激光晶圓減薄技術的加工速度更快，減少了晶圓的損傷和時間，提高了芯片的生產效率等優點。但也存在技術難度高、成本較高的問題。

激光晶圓減薄技術原理圖（圖源：文獻5）

2、動態等離子加工

動態等離子加工技術是利用等離子體的高溫、高能量密度和高化學反應活性等特點，對材料進行加工處理。等離子體是由離子、電子和中性粒子組成。在加工過程中，通過氣體放電或其他方式產生等離子體，并將其引導到加工區域。等離子體中的離子和電子具有很高的能量，可以與材料表面發生碰撞和相互作用，從而達到加工效果。這種方法具有加工精度高，等離子體的能量密度高，可以實現高精度的加工；適用材料廣泛，可適用于各種材料，包括金屬、非金屬、半導體等；環境友好，不需要使用化學試劑，對環境無污染等優點。但仍存在等離子加工設備的制造、維護成本高、加工效率等問題。

五、化學減薄

1、濕法腐蝕

濕法腐蝕是將晶片浸入酸性溶液(HF/HPO₄/HNO₃)中，通過溶液與晶片反生化學反應生成可溶性物質去除晶片表面材料。濕法腐蝕工藝材料去除率較高，并且加工過程中，僅通過溶液與晶片之間的化學反應去除材料，不存在機械力作用，因此不會產生機械損傷，同時能夠去除晶片表面的殘余應力，減少晶片翹曲，提高晶片強度。但是，濕法腐蝕工藝也存在著蝕刻速率不均勻，無法改善晶片表面平整度的問題，而且加工過程中采用的濃酸溶液以及廢液對環境危害較大，容易產生較為嚴重的環境污染問題。

2、等離子體化學氣相加工

等離子體化學氣相加工工藝主要通過等離子體中具有強氧化性的自由基與工件表面原子發生化學反應，從而實現無損加工。基于其獨特的加工方式，工件不會出現由塑性變形或脆性斷裂帶來的晶體缺陷，并保持了工件原有的物理特性。針對半導體硬脆材料的減薄加工，該工藝能避免出現裂紋、碎裂和翹曲等問題。以減薄SiC晶片為例，PCVM設備主要由電極和轉臺組成，其中電極可以移動并經過工件，且含有通氣口，轉臺可以上下移動，且具備真空吸附和加熱功能。在加工過程中，向電極下方的反應腔注入SF₆、He，接通電極，產生等離子體，并掃描經過SiC晶圓，產生的氟自由基能與SiC表面會發生反應，從而去除材料。但目前這種工藝存在效率太低的問題。

PCVM減薄設備示意圖（圖源：文獻6）

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