1 芯片的超薄化

随着集成电路90nm工艺的成熟；65nm工艺的突破；现在人们又在讨论45nm、22nm节点工艺，把半导体科技推进了纳米时代。特征尺寸的缩小，意味单位面积上的晶体管数量倍增，从而增强电路的功能性，然而密集的晶体管在工作时，形成了集中的热源，如何疏散热量，有效冷却工作器件成为了一个关键问题。从而具有非逻辑功能的混合芯片的异质集成便应运而生，其主要特征是从单核向多核结构转变，这两方面的发展都使微处理器进一步向小型化转变成为可能，然而，市场对微处理器的小型化、微型化需求却在不断升级，近年来，随着网络技术的发展，要求电子设备及仪器功能多、可靠性高、体积小、便于携带，对器件外形尺寸要求越来越小，器件外形尺寸的微型化要求，封装结构形式的改进，以及为降低热阻，提高芯片的散热能力等诸方面的发展与进步，都相应地要求封装所用的芯片越来越薄，质量越来越高。

现在，在许多新兴半导体制造领域内，都吸收超薄芯片（芯片厚度小于100μm）。在这些领域中，芯片超薄化的发展趋势是很明显的，近年来在φ200mm晶圆以下的领域中，按智能卡（smart card）和多芯片封装（Multi chip package）的要求，得已使用着超薄芯片，在不久的将来，预计有实现30μm和25μM以下芯片的可能。

超薄芯片是智能卡（smart car）、微机电系统(MEMS）、光伏电池（photovoltaic cells）、堆迭晶粒（stacked die）和功率元件（Power devices）所需的基本材料。目前，人们把超薄φ200mm与φ300mm晶圆的典型厚度定位为40μm。

从过去几年的变化情况看，芯片厚度的变化几乎是每两年减一半，如图1所示，有关专家预计因芯片正面电路活性层厚度要占据5-10μm，因此，芯片的最终极限厚度可能为20μm，但有些特殊功用的芯片有可能达到10μm左右，我们知道，一张报纸的厚度大约为70μm左右，要把φ200mm以及φ300mm的晶圆片加工到与报纸一样薄，甚至比报纸还要薄。这一方面向传统的减薄手段提出了挑战，另一方面又孕育着新一代减薄技术。

2 加工超薄大晶圆片所面临的问题

芯片背面减薄工艺应用在晶片表面电路制造完成后，对芯片背面硅材料片进行磨削减薄（backside grinding），使其达到所需的厚度，随着芯片厚度尺寸的减小，芯片的强度随之降低，减薄过程中所形成的为裂纹对芯片的影响便越来越大，由于芯片太薄，减薄完成后要消除微裂纹变得越来越困难。这就相应要求在减薄的过程中提高表面质量，把损伤层降低至最低的程度，为此，设备制造商面对一个个技术挑战，提出了一个个解决方案，把减薄设备一代又一代地向前推进，目前，最先进的减薄手段可以把损伤层厚度控制在0.2μm以内，减薄设备已成功地解决了深亚微米级的问题，而站在了纳米级的门槛上，那么，芯片减薄现面临着什么样的问题？

超薄晶圆具有自己的特点（如图2所示）。对于和一张报纸一样薄的大晶圆片，在其自身重力作用下就会发生很大的变形，卷曲，会与其他平面粘合在一起而难以分开，会在微动气流中发生颤振；具有锋利的边缘，同时无法置于传统的晶圆装载匣内等特性，因此任何硬性边缘接触都有可能造成致命性的破毁。如果芯片在减薄过程中在背面形成了较深的微裂纹或有大的崩边现象发生，那么晶圆片在减薄的过程中或后道处理工艺中就增加了破碎的可能性。 目前，φ200mm晶圆生产线所能接受的破损率约为0.2%以下，破损率的提高意味着增加了芯片制造成本，并且所加工的芯片的直径越大，其破损后其损失便越大，而且降低了产生的竞争力。φ300mm晶圆生产线的破损率应低于0.2%，这主要得益于单晶片流动工艺，如果能达到0.1%的破损率是比较理想的。因此要注意到，在较厚的晶圆片制造工艺上所获得的晶圆片破损率的经验数据，当晶片变薄时将难以适用。不仅如此，整个IC生产线后封装工艺在随着晶片的厚度变化而变化，为了薄晶圆（100-250μm）以及超薄晶圆（≤100μm）在整个制造、流通工艺中，减小破损率的需要，正在推动晶圆制造工艺方面的一系列转变，这种转变从芯片背面减薄角度讲主要包括两个方面，一方面为设备本身的改型换代，另一方面表现为工艺线设备的上下整合。

3 超薄芯片的封装问题

更进一步地说，芯片在封装的过程中还要承受热应力的影响，热应力的作用下芯片还有被破毁的能力，对于超薄芯片这个问题显得尤为突出，从封装结构原理上说，一个器件是几种不同材料的组合体，不同的材料具有不同的机械特性，例如对于陶瓷封装，芯片的热膨胀系数是2.8×10-6/℃，而陶瓷的热膨胀系数是6×10-6/℃，在悍线过程中温度高达220℃以上，这样芯片中会存在因温度分布不均匀而引起的热应力，同时，芯片还得承受由于热膨胀系数不匹配而产生的拉应力，在此复合应力的作用下，对于一些有微裂纹的芯片，因存在应力集中现象而提高了其破毁的可能性。

那些虽有微裂纹但并没有因此而破毁的芯片，随着温度降低一部分应力则会残存于芯片之中，使芯片在裂纹处因应力集中而承受着较大的内应力。这样的芯片在使用过程中还会因环境因素改变，诸如震动、温度的变化等等外在因素与内力迭加，都会驱使微裂纹进一步扩展、直至破毁。从而成了日后威胁器件使用寿命、使用可靠性的最大隐患。这就是说，减薄设备是IC生产线上整体中的一个关键环节，其加工质量影响着所加工芯片的最终质量。

因此，降低损伤层厚度，提高减薄质量，对提高生产线成品率、拓宽元器件的使用条件、提高元器件的使用性能、延长使用寿命等都具有及其重要的意义。

4 超薄芯片减薄技术

现在，对芯片减薄的主流工艺是硅片自旋转磨削（wafer rotating grinding）。把所要加工的晶片粘结到减薄膜上，然后把减薄膜及上面芯片利用真空吸附到旋转的多空陶瓷承片台上，高速旋转的磨轮从表层开始逐层向下对晶片进行磨削加工，这种垂直向下进刀磨削方式（In-Feed grinding）磨削原理如图3所示。

这种磨削方式中，在磨削工位，工作台停止，承片台旋转，磨轮进给系统带动高速旋转的磨轮缓慢均匀地向下运动，从而实现磨削进给运动，因此，磨轮进给活动系统向下运动的速度越小，磨轮的磨削深度便越小，对未加工材料的影响也就越小。在加工脆性材料时，当磨削深度小于某一临界值时，可以实现延性域磨削。因此，磨削减薄过程是一个分阶段、有主次的过程，一开始采用相对较大的进给速度，主要考虑提高加工效率，随后分阶段降低进给速度，用以消除前端磨削形成的损伤层、崩边等现象，随着磨削减薄过程的进行，对晶片的损伤越来越小。用这种磨削方式可以加工出超薄芯片。

根据高质量超薄芯片的使用标准，建立内在的质量控制参数，用以控制减薄工艺过程，满足芯片的使用要求是非常重要的，对晶圆片的质量控制参数主要有表面粗糙度、表面损伤层厚度、总厚度误差（片内误差）、形状误差、芯片强度以及芯片与片之间误差（wafer to wafer）等6个方面的指标，这些控制参数基本上是由减薄过程中的精磨阶段所确定，因此，研究精磨对芯片质量的影响，尽量地降低对芯片所带来的不利因素是非常重要的。

4.1 形状误差的形成及其影响

从理论上说，硅片自旋转磨削（wafer rotating grinding）工艺可以达到精确的平面度，但实际上，由于安装晶圆片的工作台的平面度很难达到理论要求，磨轮的旋转中心与工件的运动平面在工作过程中并不是绝对的垂直，从设计角度讲主要是由以下几个方面的因素：

（1）因机械刚度、变形而引起的附加磨削力；

（2）因温度变化而引起的温度应力及其形变；

（3）因设备调节不当而引起的相对运转误差；

（4）因轴承间隙、气膜刚度等引起的系统误差。

而加工完成必然会存在总厚度误差（TTV）以及形状误差。

芯片的最终形状误差，还有一部分来源于芯片的变形，减薄完后，芯片的加工平面并不稳定，还存在一个变形的过程，这主要是由于单晶材料生长或表面加工过程中残存的内应力所致，这个应力把平整的表面变成了"马鞍形"形状，据统计φ200mm芯片减薄完后的形变约为0.0005mm。所以要在局部达到0.001mm的公差是比较容易的，但要在整个芯片上达到这一公差带实际上并不容易。

形状误差主要是对其后道工序产生不利的影响，我们可以想象，把一片凸或凹图形状的晶圆片，再放到平整的工作台上，在真空吸附力的作用下，芯片会通过形变而贴合到工作台上，在这一过程中晶片边缘处产生的变形最大，因而所承受的应力便最大，如果这一应力超过了芯片的强度极限，芯片则会因此而破碎，因此，对于超薄芯片，严格控制形状误差，将有利于降低晶圆片的破损率。

4.2 表面损伤层厚度

通过精磨而形成的表面，如图4所示。

根据损伤程度大体上可以分为3个区域，最上面的区域损伤最严重，晶格已被彻底破毁，通常人们形象的称之为马赛克区，其下为网状区，这一区域为过渡区，它的主要特点是上接马赛克区，向下则延伸到弹性应力层，网状区的微裂纹主要是由表面大的裂纹延伸所至，这些微裂纹把芯片分割成无数小快，这些小快上的晶格都是不同程度的错位想象，从而整块也存在不可恢复的形变，受网状区的形变影响，其下弹性应力层上也存在晶格位置偏移，从而这一层上存在可恢复的弹性形变，晶格之间存在弹性应力。弹性应力侧下面才能未受扰动的完整晶格区，芯片正是受弹性应力层的影响，芯片减薄完后还存在弹性变形的过程，变形的结果就是把弹性层的应力通过内力耦合而传递到完整的晶格区之中，形成了一个新的应力平衡体系，我们通常称之为加工应力，此应力体系在网状区的微裂纹处，还存在应力集中现象。

芯片的材料（单晶硅）是一种脆性材料，受表面损伤层的影响，芯片一旦承受到外力的作用，当局部压力（经常在应力集中的裂纹位置）超过硅的极限强度时，容易遭受立即破碎性的毁坏。由此可见，由外力引起的应力与芯片中残存的加工内应力相互迭加，因应力集中现象使某一局部的裂缝延伸扩展，造成芯片破碎，从而大大地削弱了芯片抵抗外力破毁的能力，因此，一般对正常厚度晶圆所采用的自动化处理方法，由于翘曲、边缘接触以及振动，对晶圆片经常会产生致命性的应力。

研究表明，芯片的损伤层厚度主要决定于设备所采用的技术手段，也与工艺线上所选用的砂轮金刚砂的基本材料、金刚砂粒度的大小有关系，从工艺角度来说，芯片与承片台之间要求具有合理的接触刚度，否则，边缘处的虚点，有可能引起其"崩边"，使用粘结剂硬度较高时，砂轮粒度较大的砂轮磨削，其损伤层厚度就要大一些，反之则小，减薄后的损伤层厚度大约在0.4-7μm范围内。

4.3 表面粗糙度

芯片减薄完后，其表明并不是绝对的平整，在显微镜下可以观察到无数无规则分布的"凸峰"与"凹坑"，形成了芯片的真实表面，表面粗糙度表征了这些"凸峰"与"凹坑"的大小，粗糙度用或加以度量，其意义如图5所示。

从笔者在中国电子科技集团公司第45研究所研制的晶片减薄机上做过磨削试验，通过选择合理的工艺参数，合适的磨轮，减薄磨削后表面粗糙度可达深亚微米级，该设备进给速度可以控制在1μm/min以内，承片台转速在0-300r/min范围内可调，因而对磨削深度可以控制在0.1μm以下，这一性能对于大部分脆性材料可实现延性域磨削。从而有效地抑制了崩边现象，减薄精度、减薄质量得到了很好的控制，检测情况为：

检测仪器名称： TAYLOR SURTRONIC3+

检测晶片为从上述工艺参数下精磨后晶片中的抽取，检测符合意义如图5所示。

检测结果如下：

Lm=0.8mm，Ra=0.02μm，Rq=0.03μm。

RzDIN=0.12μm

Rt=0.11μm，Ry=0.11μm

从上述检测结果可以看出，磨削表面粗糙度Ra值可达0.02μm，也就是说通过系统磨削减薄，表面粗糙度可达纳米级。

5 "崩边"及损伤层的移除

抛光是移除减薄损伤的一个有效方法，包括由化学机械抛光（CMP），或使用干式研磨的方法，以去除表面损伤层，然而，由于研磨移除率极低，故其应用经常限制在几微米厚度的范围内，因此，只有对晶圆施加相当高的压力，才能获得较高的移除率，然而此种方法会导致研磨面下表面微裂纹损伤更进一步的扩展。 据X射线的测量结果显示，当晶圆研磨到超薄阶段时，会产生较深的晶圆表面下方晶体缺陷，分析认为，主要是因为随着晶圆厚度尺寸的减小，晶圆的强度随之降低，抵抗变形的能力也就随之减弱，从而研磨力通过晶圆的结构损伤层裂纹处的应力集中现象，对其周围晶体施加的应力相应增加，使缺陷往晶圆表面下方延伸得更远，这进一步说明了提高减薄质量，降低损伤层厚度的重要性。

6 讨论

通过上面分析，我们看到了芯片为向超薄方向发展，而对减薄、去损伤层处理以及清洗、贴膜等工序进行整合。整合所围绕的中心问题是：如何降低超薄芯片的破损率、提高其合格率。解决此问题的主要技术途径是，如何提高芯片的实际强度（与理论强度相对应）。

6.1 消除边缘锋利的尖角

超薄芯片为什么容易发生"崩边"现象？从图6与图7的比较中，我们可以找到问题的部分答案。

图6为正确贴上保护膜后准备减薄的晶圆片，上面为减薄加工平面，下面为正面电路。

从图中明显可以看出，加工后芯片的厚度将小于经晶圆片厚度的一半，这样加工后的平面会与圆弧相交，在周边形成了锋利的尖角，如图7所示。

实际上，减薄砂轮总是存在断面与径向跳动。尽管这个跳动量现在人们可以控制在小于0.2μm的范围之内，但当磨轮高速旋转时，其断面对晶圆片的作为力仍然是脉动力。由于精磨加工过程中，边缘已经形成了尖角，从而在周边产生了应力集中现象，再者，边缘处于悬空状态，这大大地削弱了其抵抗外力破毁的能力，因而在很小的冲击力之作用下，就可以超过其强度限，边缘处就会遭到破毁，也就不难理解为什么容易发生"崩边"现象。

为减小"崩边"现在的产生，把减薄设备的主轴采用高刚度空气轴承，用以提高磨削砂轮的断面跳动精度，改善其动态性能，减小对芯片的冲击力，现在的空气主轴人们可以做到0.2μm为以下的跳动量，有些可以达到0.1μm的精度，这些措施都有利于抑制"崩边"现象的形成，但单方面追求砂轮运动精度，发展到一定程度则收敛甚微，反而会大幅度提高制造成本。

笔者认为，如果在前道工序中，就考虑到减薄因素，并采取一定的技术措施，将有助于减小"崩边"现象的可能性，这种构想的参数如图8、图9所示。

首先，径图片的倒角圆角半径R必须要小于最终减薄厚度，只有这样减薄完后的最终边缘才不会是锋利的尖角，有减小了悬空部分尺寸，提高了抵抗外力破毁的能力，这一措施就有助于降低"崩边"现象产生的可靠性。

事实上，这一措施的应用，取决于晶棒外圆磨削、切片及研磨等前道工序的加工质量，因为在倒角工艺中，磨削的圆角必须要大于前道晶棒外圆磨削所形成的损伤层厚度、切片"崩边"的最大尺寸。所以，倒角圆半径的大小受制于前道工序的加工质量，就是说，前道加工表面质量越高，则可选择的倒角半径越小，从而才有可能实现超薄芯片的特殊角半径。

7 最新工艺进展

抛光减薄机

为提高超薄芯片的减薄质量，减小因工序传递过程中造成的芯片破损率，先进的减薄系统把抛光工艺直接集成在减薄设备上发展成为抛光减薄机（Polish Grinders），通过这套独特的抛光系统，可实现从粗糙、精磨到抛光整个加工工艺过程，该系列设备用#325号磨轮粗磨后损伤层厚度小于7μm，用#2000号磨轮精磨后损伤层厚度小于0.4μm，抛光后损伤层厚度小于0.1μm，这就是说该系列设备通过一套抛光系统不仅提高了表面质量，同时也消除了减薄过程中形成的加工应力，通过该设备加工的超薄芯片可直接用于3-D封装（three-dimensional mounting）。

8 小结

芯片的超薄化发展是一种必然趋势，它不仅仅是商业上为追求最大利润空间的需要，也是人类进一步认识自然的必须，如某些尖端技术领域所使用的微生物芯片，超微型传感器，只有使用超薄化微芯片才能使科学实验成为可能，与此同时，随着军用特种器件的发展与进步，各军事强国为争夺军事战略地位，进而达到不战而屈人之兵的目的，这些都有赖于尖端技术的强有力的支持，因此，芯片的超薄化发展程度对保护国家安全具有及其重要的战略意义。