晶圓背面研磨(Back Grinding)工藝簡介

經(jīng)過前端工藝處理并通過晶圓測試的晶圓將從背面研磨（Back Grinding）開始后端處理。背面研磨是將晶圓背面磨薄的工序，其目的不僅是為了減少晶圓厚度，還在于聯(lián)結(jié)前端和后端工藝以解決前后兩個(gè)工藝之間出現(xiàn)的問題。半導(dǎo)體芯片（Chip）越薄，就能堆疊（Stacking）更多芯片，集成度也就越高。但集成度越高卻可能導(dǎo)致產(chǎn)品性能的下降。所以，集成度和提升產(chǎn)品性能之間就存在矛盾。因此，決定晶圓厚度的研磨（Grinding）方法是降低半導(dǎo)體芯片成本、決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵之一。

1. 背面研磨（Back Grinding）的目的

圖1. 晶圓制造工藝和半導(dǎo)體制造工藝中的形態(tài)變化

在由晶圓制成半導(dǎo)體的過程中，晶圓的外觀不斷發(fā)生變化。首先，在晶圓制造工藝中，晶圓的邊緣（Edge）和表面會(huì)進(jìn)行拋光（Polishing），這一過程通常會(huì)研磨晶圓的兩面。前端工藝結(jié)束后，可以開始只研磨晶圓背面的背面研磨工序，能去除在前端工藝中受化學(xué)污染的部分，并減薄芯片的厚度，這非常適用于制作搭載于IC卡或移動(dòng)設(shè)備的薄型芯片。此外，這一工序還有減少電阻、降低功耗、增加熱導(dǎo)率而迅速散熱至晶圓背面的優(yōu)點(diǎn)。但與此同時(shí)，由于晶圓較薄，很容易被外力折斷或翹曲，使得處理步驟更加困難。

2. 背面研磨（Back Grinding）詳細(xì)工藝流程

圖2. 背面研磨三步驟

背面研磨具體可以分為以下三個(gè)步驟：第一、在晶圓上貼上保護(hù)膠帶貼膜（Tape Lamination）；第二、研磨晶圓背面；第三、在將芯片從晶圓中分離出來前，需要將晶圓安置在保護(hù)膠帶的晶圓貼片（Wafer Mounting）上。晶圓貼片工藝是分離芯片（切割芯片）的準(zhǔn)備階段，因此也可以包含在切割工藝中。近年來，隨著芯片越來越薄，工藝順序也可能發(fā)生改變，工藝步驟也愈發(fā)精細(xì)化。

3. 保護(hù)晶圓的貼膜（Tape Lamination）工藝

圖3. 貼膜工藝和晶圓正面

背面研磨的第一步是貼膜。這是一種將膠帶粘到晶圓正面的涂層工藝。進(jìn)行背面研磨時(shí)，硅化合物會(huì)向四周擴(kuò)散，晶圓也可能在這一過程中會(huì)因外力而破裂或翹曲，且晶圓面積越大，越容易受到這種現(xiàn)象的影響。因此，在背面研磨之前，需要貼上一條薄薄的紫外線（Ultra Violet, 簡稱 UV）藍(lán)膜用于保護(hù)晶圓。

貼膜時(shí)，為了使晶圓和膠帶之間沒有間隙或氣泡，需要提高粘合力。但在背面研磨后，晶圓上的膠帶應(yīng)通過紫外線照射降低粘合力。剝離后，膠帶的殘留物不得留在晶圓表面。有時(shí)，該工藝會(huì)使用粘合力較弱且容易產(chǎn)生氣泡的非紫外線減粘膜處理，雖然缺點(diǎn)多，但價(jià)格低廉。此外，還會(huì)用到比UV減粘膜厚兩倍的凸塊（Bump）膜，預(yù)計(jì)在未來會(huì)有越來越高的使用頻率。

4. 晶圓厚度與芯片封裝成反比

圖4. 多芯片封裝（MCP，Multi Chip Package）結(jié)構(gòu)

經(jīng)過背面研磨的晶圓厚度一般會(huì)從800-700?減少到80-70?。減薄到十分之一的晶圓能堆疊四到六層。近來，通過兩次研磨的工藝，晶圓甚至可以減薄到大約20?，從而堆疊到16到32層，這種多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)被稱為多芯片封裝（MCP）。在這種情況下，盡管使用了多層結(jié)構(gòu)，成品封裝的總高度不得超過一定厚度，這也是為何始終追求磨得更薄的晶圓。晶圓越薄，缺陷就會(huì)越多，下一道工序也越難進(jìn)行。因此，需要先進(jìn)的技術(shù)改進(jìn)這一問題。

5. 背面研磨方法的改變

圖5. 根據(jù)晶圓厚度而不同的研磨方法

通過將晶圓切割得盡可能薄以克服加工技術(shù)的局限性，背面研磨技術(shù)不斷發(fā)展。對(duì)于常見的厚度大于等于50?的晶圓，背面研磨有三個(gè)步驟：先是粗磨（Rough Grinding），再是精磨（Fine Grinding），兩次研磨后切割并拋光晶圓。此時(shí)，類似化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing，簡稱 CMP）一樣，一般會(huì)在拋光墊和晶圓之間投入漿料（Slurry）和去離子水（Deionized Water）。這種拋光工作能減少晶圓和拋光墊之間的摩擦，使表面光亮。當(dāng)晶圓較厚時(shí)，可以采用超精細(xì)研磨（Super Fine Grinding），但晶圓越薄，就越需要進(jìn)行拋光。

如果晶圓變得更薄，在切割過程中容易出現(xiàn)外部缺陷。因此，如果晶圓的厚度為50?微米或更小，可以改變工藝順序。此時(shí)，會(huì)采用先劃片后減薄（DBG，Dicing Before Grinding）的方法，即在第一次研磨之前，先將晶圓切割一半。按照劃片（Dicing）、研磨和劃片的順序，將芯片從晶圓安全地分離出來。此外，還有使用堅(jiān)固的玻璃板來防止晶圓破裂的特殊的研磨方法。

隨著電器小型化對(duì)集成度的要求越來越高，背面研磨技術(shù)也應(yīng)不但克服其局限性，繼續(xù)發(fā)展。同時(shí)，不僅要解決晶圓的缺陷問題，還必須為未來工藝可能出現(xiàn)的新問題做好準(zhǔn)備。為了解決這些問題，可能需要調(diào)換工藝順序，或引入應(yīng)用于半導(dǎo)體前端工藝的化學(xué)蝕刻技術(shù)，全面開發(fā)新的加工方法。為了解決大面積晶圓固有的缺陷，正對(duì)研磨方法進(jìn)行多種探索嘗試。此外，關(guān)于如何回收利用研磨晶圓后產(chǎn)生的硅渣的研究也正在進(jìn)行。

　　審核編輯：湯梓紅