大尺寸硅片背面磨削技术的应用与发展*

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:467

康仁科，郭东明，霍风伟，金洙吉

（大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024）

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 [1]。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、厚度以及芯片厚度的变化趋势如图1所示 [2]。

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[2,3]。

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，如图2所示。

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