王仲康，楊生榮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所,北京東燕郊 101601)

IC技術(shù)進(jìn)步日新月異，正在向高速化、高集成化、高密度化和高性能化的方向發(fā)展。特征尺寸的縮小，集成度的提高，意味著單位面積上的晶體管數(shù)量倍增，從而增強(qiáng)電路的功能性。然而密集的晶體管工作時(shí)，形成了集中的熱源，如何疏散熱量，有效冷卻工作器件成為了一個(gè)關(guān)鍵問題。從而具有非邏輯功能的混合芯片的異質(zhì)集成應(yīng)運(yùn)而生，其主要特征是從單核向多核結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。推動(dòng)封裝技術(shù)朝密度更高的三維封裝方向發(fā)展，如芯片疊層封裝(stacked die package)等。而這些先進(jìn)的封裝技術(shù)要求更薄的芯片，從而超精密磨削作為芯片背面減薄的主要工藝得到廣泛應(yīng)用。

1 硅片背面減薄技術(shù)

1.1 減薄后芯片的優(yōu)點(diǎn)

芯片背面減薄工藝應(yīng)用在晶片表面電路制作完成后，對(duì)芯片背面硅材料進(jìn)行磨削減薄(backside grinding)，使其達(dá)到所需的厚度；減薄后的芯片有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)降低熱阻，提高熱擴(kuò)散效率。隨著半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、集成度越來越高，晶體管體積不斷減小，散熱已逐漸成為影響芯片性能和壽命的關(guān)鍵因素，薄的芯片更有利于散熱。

(1)提高歐姆接觸，降低導(dǎo)通電阻，這對(duì)外延片、鍵合片領(lǐng)域顯得尤為重要。在這些應(yīng)用領(lǐng)域?為實(shí)現(xiàn)牢靠穩(wěn)固的連接，結(jié)合面間不允許有氣逢，否則一方面影響接觸電阻，另一方面，在以后應(yīng)用中會(huì)因氣體的熱膨脹而開裂。表面粗糙度對(duì)這些性能也要產(chǎn)生不同程度的影響。

(3)減小芯片封裝體積，微電子產(chǎn)品日益向輕薄短小的方向發(fā)展，減小芯片厚度是適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)的必由之路。

(4)提高機(jī)械性能。減薄后的芯片機(jī)械性能得到顯著提高，硅片越薄，其柔韌性越好，受外力沖擊引起的應(yīng)力也越小。

(5)提高電氣性能。對(duì)疊層封裝來說，晶片的厚度越薄，芯片與芯片之間的連線將越短，元件導(dǎo)通電阻將隨之降低，信號(hào)延遲時(shí)間也將減小，從而實(shí)現(xiàn)更高的性能。

(6)目前，激光劃片工藝因其采用了全新的加工機(jī)理，與傳統(tǒng)外圓金剛石刀片磨削加工相比，更容易控制加工過程中所產(chǎn)生的崩邊、崩角等缺陷，從而其應(yīng)用領(lǐng)域成逐步擴(kuò)張之勢(shì)，同時(shí)，為充分發(fā)揮其優(yōu)越性能，要求芯片有一個(gè)適宜的劃切加工厚度，芯片減薄以后再用激光切割，成了一個(gè)理想的工藝組合。

(7)當(dāng)芯片厚度小于50 μm時(shí)，可以彎曲到一定程度而不會(huì)斷裂，特殊的超薄芯片甚至可以隨意彎曲，利用超薄芯片的這些特點(diǎn)，可用來做成閃存芯片和電子標(biāo)簽等。

1.2 減薄工藝

早期的減薄設(shè)備采用旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)法磨削的減薄系統(tǒng)，經(jīng)歷了單軸、單承片臺(tái)，雙軸、大圓盤工作臺(tái)，到三軸、大圓盤工作臺(tái)等階段。磨削主軸數(shù)量的增加，意味著細(xì)化了減薄工藝，把減薄過程分為粗磨、半精磨、精磨等過程。這種磨削法刀痕呈同心圓狀分布；軸向力隨著磨削接觸面的增加而增加，因受磨削系統(tǒng)自身剛度的影響，所磨削的芯片厚度變化較大，且因磨削深度不變，難以控制邊緣崩邊現(xiàn)象的發(fā)生。

為解決早期旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)法磨削系統(tǒng)的不足，現(xiàn)代減薄系統(tǒng)多采用硅片自旋轉(zhuǎn)磨削 (wafer rotating grinding)。即單晶片旋轉(zhuǎn)，垂直向下進(jìn)刀磨削方式。

具體步驟是把所要加工的晶片粘接到減薄膜上，然后把減薄膜及上面芯片利用真空吸附到多孔陶瓷承片臺(tái)上，對(duì)晶片進(jìn)行磨削加工。垂直向下進(jìn)刀磨削方式(In-feed grinding)磨削原理如圖1所示。

圖1 硅片自旋轉(zhuǎn)磨削

這種磨削方式中，在磨削工位，工作臺(tái)停止，承片臺(tái)旋轉(zhuǎn)，磨輪進(jìn)給系統(tǒng)帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的磨輪按預(yù)先程序設(shè)定的速度向下運(yùn)動(dòng)，且同時(shí)提供磨削線速度與磨削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。而磨削深度是通過磨削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與承片臺(tái)以一定的旋轉(zhuǎn)速度共同作用而得到的。正因?yàn)槌衅_(tái)旋轉(zhuǎn)也參與了磨削深度控制，因此，磨輪進(jìn)給系統(tǒng)向下運(yùn)動(dòng)的速度越小，承片臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度越高，磨輪的磨削深度便越小，對(duì)未加工材料的影響也就越小。在加工脆性材料時(shí)，當(dāng)磨削深度小于某一臨界值時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)延性域磨削。用這種磨削方式可以加工出超薄芯片，如圖2所示。

圖2 超薄芯片

這一加工機(jī)理在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所研制的晶片減薄機(jī)上進(jìn)一步得到了驗(yàn)證。該設(shè)備進(jìn)給速度可以控制在1 μm/min以內(nèi)，承片臺(tái)轉(zhuǎn)速在0～300 r/min范圍內(nèi)可調(diào)，因而對(duì)磨削深度可以控制在0.01 μm以下。這一性能對(duì)于大部分脆性材料可實(shí)現(xiàn)延性域磨削。從而有效地抑制了崩邊現(xiàn)象，減薄精度、減薄質(zhì)量便得到了有效保證。

1.3 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備

晶片減薄機(jī)：由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所研制。

(2)實(shí)驗(yàn)晶片

晶片直徑：φ100 mm

原始晶片厚度：520 μm

最終目標(biāo)厚度：180 μm

(3)實(shí)驗(yàn)?zāi)ポ?/p>

磨輪由鄭州磨料磨具磨削研究所提供，實(shí)驗(yàn)采用先用粗磨輪快速磨削，再用精磨輪精磨、拋光的工藝路線進(jìn)行。

磨輪直徑：φ200 mm

粗磨輪粒度：800#基體采用陶瓷結(jié)合劑。

精磨輪粒度：2000# 基體采用樹脂結(jié)合劑。

(4)磨輪主軸及其轉(zhuǎn)速

兩套磨輪主軸均為電空氣靜壓主軸。

粗磨主軸轉(zhuǎn)速：3750 r/min

精磨主軸轉(zhuǎn)速：4200 r/min

(5)粗磨工位參數(shù)見表1。

表1 粗磨工位參數(shù)

(6)精磨工位參數(shù)見表2。

表2 精磨工位參數(shù)

表1、表2所示變速點(diǎn)是通過在線測(cè)量?jī)x實(shí)時(shí)測(cè)量磨削晶片的厚度值，如圖3所示。

圖3 磨輪磨削進(jìn)給控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)?shù)竭_(dá)上述變速點(diǎn)厚度值時(shí)，測(cè)量?jī)x發(fā)出信號(hào)到伺服控制器，變換進(jìn)給速度，同時(shí)變換承片臺(tái)轉(zhuǎn)速。

1.4 磨削表面質(zhì)量檢測(cè)

圖4 表面粗糙度檢測(cè)

檢測(cè)儀器名稱：

TAYLOR SURTRONIC3+

檢測(cè)晶片為從上述工藝參數(shù)下精磨后晶片中抽取。檢測(cè)符號(hào)意義如圖4所示：

檢測(cè)結(jié)果如下：

從上述檢測(cè)結(jié)果可以看出，磨削表面粗糙度Ra值可達(dá)0.02 μm，也就是說通過該系統(tǒng)磨削減薄，表面粗糙度可達(dá)納米級(jí)。

2 磨削質(zhì)量

硅片減薄前的原始厚度為520 μm，通過磨削工藝減薄至180 μm，總磨削量為340 μm，粗磨工藝磨削量為320 μm，占總減薄量的94%以上，粗磨過程中會(huì)引起硅片的晶格損傷，邊緣產(chǎn)生崩邊，如圖5、圖6所示。

圖5 粗磨中的崩邊

圖6 粗磨中的表面損傷

其損傷深度隨著進(jìn)給速度、晶片自旋轉(zhuǎn)速度的不同而有所變化，其基本規(guī)律是隨著進(jìn)給速度的降低而減小，因此，磨削減薄過程是一個(gè)分階段、有主次的過程，一開始采用相對(duì)較大的進(jìn)給速度，主要考慮提高加工效率，隨后分階段降低進(jìn)給速度，用以消除前段磨削形成的損傷層、崩邊等現(xiàn)象，隨著磨削減薄過程的進(jìn)行，對(duì)晶片的損傷越來越小。粗磨完成后，轉(zhuǎn)入精磨工藝，精磨削量為20 μm。只占總減薄量的6%，精磨將消除粗磨時(shí)造成的晶格損傷，但同時(shí)也會(huì)對(duì)硅片表面產(chǎn)生新的輕微損傷，如圖7所示。

圖7 精磨中的崩邊與損傷

同樣，精磨過程也是一個(gè)逐步降低損傷層，提高表面質(zhì)量的過程。最后數(shù)微米采用精磨拋光，磨削深度為0.08 μm，對(duì)于硅材料采用這樣的磨削深度，就已進(jìn)入延性域加工范圍。此時(shí)，材料加工已不再表現(xiàn)為裂成碎片的去除方式，而是表現(xiàn)為先變形、再撕裂的方式。

圖8 亞表面的損傷層

在這樣的機(jī)理下磨削減薄，對(duì)亞表面的損傷表現(xiàn)為對(duì)晶格的擾動(dòng)，如圖8所示。擾動(dòng)層深度除與設(shè)備、工藝參數(shù)相關(guān)外，與磨輪的粒度有很大的關(guān)系。我們采用2000#樹脂砂輪，可以把損傷層控制在亞微米級(jí)。

3 小結(jié)

為實(shí)現(xiàn)納米表面加工技術(shù)，還需要進(jìn)一步深入開展超精密磨削機(jī)理的研究工作，特別要注重把先進(jìn)的磨削理論、磨削工藝物化為磨削裝備；為此目前急需進(jìn)一步在關(guān)鍵單元技術(shù)上下功夫；如自主研發(fā)設(shè)計(jì)、加工制造高剛度、高精度(旋轉(zhuǎn)精度小于0.1 μm)空氣靜壓主軸；解決多孔陶瓷承片臺(tái)材料的氣孔率、均勻性、以及加工精度、熱變形等問題；研究開發(fā)分辨率小于0.1 μm、最低速度可達(dá)1 μm/min的進(jìn)給系統(tǒng)；提高設(shè)備的可靠性、熱穩(wěn)定性；改善設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能(磨削處振幅應(yīng)小于0.1 μm)，加強(qiáng)軟件開發(fā)提高設(shè)備的智能化程度等，這些技術(shù)都是實(shí)現(xiàn)納米表面加工技術(shù)必不可缺少的條件。

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