文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了晶圓減薄的各種技術，著重詳細介紹了磨削減薄技術。

減薄的作用

在半導體制造流程中，晶圓在前端工藝階段需保持一定厚度，以確保其在流片過程中的結構穩定性，避免彎曲變形，并為芯片制造工藝提供操作便利。不同規格晶圓的原始厚度存在差異：4英寸晶圓厚度約為520微米，6英寸晶圓厚度約為670微米，8英寸晶圓厚度約為725微米，12英寸晶圓厚度約為775微米。盡管芯片功能層的制備僅涉及晶圓表面幾微米范圍，但完整厚度的晶圓更有利于保障復雜工藝的順利進行。直至芯片前制程完成后，晶圓才會進入封裝環節進行減薄處理。

晶圓翹曲

封裝階段對晶圓進行減薄主要基于多重考量。從劃片工藝角度，較厚晶圓硬度較高，在傳統機械切割時易出現劃片不均、裂片等問題，顯著提升不良率；而減薄后的晶圓硬度降低，能夠實現更精準、高效的分離，大幅提升劃片質量與效率。隨著電子設備向輕薄化方向發展，封裝厚度已成為關鍵指標，尤其在芯片堆疊技術中，晶圓減薄能夠有效降低整體封裝厚度，滿足可穿戴設備、移動終端等微型電子產品的需求。同時，晶圓制造過程中背面形成的氧化層會影響芯片鍵合質量，減薄工藝可有效去除氧化層，為鍵合提供潔凈、平整的表面，確保電氣連接的可靠性。此外，減薄能夠縮短芯片工作時的熱量傳導路徑，加速散熱，避免因高溫導致的性能衰退與壽命縮短，提升芯片長期運行的穩定性。

不同封裝結構對晶圓減薄厚度的要求存在顯著差異。DIP封裝通常將晶圓減薄至約300微米；BGA封裝減薄范圍在120-250微米；而在先進的疊層封裝中，芯片厚度甚至可薄至30微米以下，以滿足高密度集成需求。

在芯片切割環節，傳統流程是先在晶圓背面粘貼藍膜并固定于鋼制框架（即晶圓黏片工藝），隨后采用機械切割或激光切割進行分離。機械切割使用高速旋轉的金剛石磨輪刀片，但易在晶圓表面產生應力導致崩裂；激光切割則通過聚焦激光在晶圓內部形成變質層，配合膠膜擴展實現晶粒分離，顯著降低對硅片的損傷。

隨著工藝創新，“先劃片后減薄”（DBG）與“減薄劃片”（DBT）技術應運而生。DBG工藝先在晶圓正面切割出一定深度的切口，再進行背面磨削；DBT技術則是預先形成切割切口，通過磨削減薄后利用ADPE腐蝕去除剩余材料，實現裸芯片自動分離。這兩種方法有效規避了傳統工藝中減薄導致的硅片翹曲與劃片造成的芯片邊沿損傷問題。其中，DBT技術憑借各向同性Si刻蝕劑，既能消除背面研磨損傷，又能修復芯片微裂與凹槽，大幅提升芯片抗碎裂性能。在此基礎上發展的DBG加DAF切割技術，通過在DBG處理后的晶圓背面粘貼DAF（直接黏合膜），并對DAF進行單獨激光切割，進一步優化了晶粒對齊精度，顯著提升加工質量，成為先進封裝工藝中的關鍵技術突破。

如圖所示，晶圓減薄到一定厚度后會像紙張一樣彎曲變形。

主要減薄技術

目前，硅片的背面減薄技術種類多樣，主要包括磨削、研磨、干法拋光、化學機械拋光（CMP）、濕法腐蝕、等離子增強化學腐蝕（PECE）、常壓等離子腐蝕（ADPE）等方法。

硅片磨削工藝：該工藝通過砂輪在硅片表面旋轉施壓，使硅片表面經歷損傷、破裂，最終實現材料移除，達到減薄目的。其顯著優勢在于加工效率高，減薄后硅片平整度良好，且成本相對較低。然而，這種工藝也存在明顯弊端，磨削后的硅片表面會產生深達幾微米的損傷層，這不僅會降低器件的可靠性和穩定性，還會在樣品表面殘留應力，致使硅片發生翹曲。因此，通常需要后續工藝來消除損傷層和殘余應力，以保證硅片的質量。

硅片研磨工藝：硅片研磨工藝一般是指在低速條件下，使用松散研磨粉（膏）作為研磨劑進行的多種表面精加工操作。經過研磨后的硅片表面通常會呈現出微小的火山坑，表面灰暗而無光亮感。與磨削工藝相比，二者存在一些差異。磨削工藝壓力較大，研磨劑固定在砂輪上；而研磨工藝的研磨劑分布在研磨輪與樣品之間。此外，磨削工藝的材料去除速度比研磨更高。

化學機械拋光：綜合運用機械、化學或電化學作用，通過降低工件表面粗糙度，得到光亮、平整的加工表面。該工藝屬于 “濕” 加工，使用精細的微米或亞微米磨料顆粒與液體，并利用襯墊容納磨料，拋光時材料去除量以微米為單位。它對工件預處理要求較高，需工件表面預先達到較低粗糙度，加工后能使樣品表面呈鏡面效果。雖然該工藝能有效改善晶圓表面平整度，減少表面缺陷，但存在加工效率低、成本高的問題。

干式拋光技術：原理與硅片磨削類似，區別在于采用纖維和金屬氧化物制成的拋光輪替代金剛石砂輪。它可去除硅片磨削產生的損傷，實現納米和亞納米級鏡面加工，具有成本優勢。不過其工藝效率較低，處理速度慢，更適合去除較淺的損傷層，在需要大量減薄材料的情況下難以發揮主要作用。

濕法化學腐蝕：通過腐蝕液與硅片發生化學反應實現減薄，常用的腐蝕液有酸性體系，如硝酸、冰乙酸與氫氟酸混合液，以及堿性體系，如氫氧化鉀溶液。這種工藝的優點是化學腐蝕后的硅片表面無損傷、無晶格位錯，有助于提高硅片強度，減少翹曲變形。但應用時需要保護硅片正面，防止受到腐蝕液侵蝕，且對磨削條紋的校正能力較弱，限制了其在復雜表面處理場景中的單獨使用。

常壓等離子腐蝕：是一種在常壓下工作的純化學干式腐蝕技術，以氬氣為環境氣體，將CF?氣體電離分解，硅片表面材料與氟發生化學反應生成氣態SiF?，從而實現材料去除。該技術無需保護硅片正面，特別適合加工較薄硅片和帶有凸起結構的硅片，能有效去除磨削損傷層，背面材料去除量可達50-100μm，加工后的表面平整性優于濕法化學腐蝕。然而，該技術設備成本較高，工藝參數控制要求也很嚴格。

在實際晶圓減薄生產中，多采用組合工藝來確保加工精度與效率。例如，若需將硅片從初始的300μm減薄至120μm，可先通過高效的磨削工藝去除大部分材料，將硅片厚度削減至160μm左右。此時，硅片表面因磨削產生損傷層與殘余應力，就需要根據后續產品性能要求，從化學機械拋光、濕法化學腐蝕、常壓等離子腐蝕或干式拋光等工藝中，選擇一種或多種進行精細處理。

常見的工藝組合方案有“背面磨削+化學機械拋光”“背面磨削+濕法化學腐蝕”“背面磨削+常壓等離子腐蝕”“背面磨削+干式拋光”。以“背面磨削+化學機械拋光”為例，前者快速去除大量材料，后者能有效降低表面粗糙度至納米級，適用于對表面平整度要求極高的芯片制造；而“背面磨削+常壓等離子腐蝕”組合，在處理帶有復雜微結構的超薄晶圓時更具優勢，既能高效減薄，又能保證結構完整性。根據不同的產品需求與工藝標準，靈活搭配這些組合方案，可實現晶圓減薄的高效化與高質量化。

磨削減薄

磨削減薄技術憑借其高效的材料去除能力、優異的表面平整度控制及相對經濟的生產成本，成為晶圓減薄工序的核心技術方案。

1.硅片自旋轉磨削技術的迭代與創新

硅片減薄技術的發展歷程反映了半導體產業對加工精度與效率的持續追求。早期，旋轉工作臺磨削技術主要應用于小尺寸硅片（直徑100mm以下）的背面減薄，但隨著硅片尺寸向大直徑發展，該技術在加工效率、厚度均勻性等方面的局限性日益凸顯。1988年，Matsui等人提出的硅片自旋轉磨削減薄技術，為大尺寸硅片的超薄加工提供了新途徑。

該技術通過硅片的自主旋轉與研磨砂輪的協同運動，實現了材料的高效去除與表面質量的精確控制。以300mm硅片為例，當原始厚度為750μm時，采用硅片自旋轉磨削技術，可在約90秒內將其厚度減至180μm，厚度均勻性控制在±0.3μm以內，表面粗糙度Ra可低至2-4納米，能夠滿足高端芯片制造對晶圓表面質量的嚴苛要求。

然而，由于硅片邊緣倒角結構的特殊性，在磨削過程中容易出現邊緣崩碎等缺陷。為解決這一問題，TAIKO工藝應運而生。該工藝通過在晶圓工作臺邊緣設置特殊保護環，在磨削時保留晶圓邊緣約3mm區域，有效增強了硅片的機械強度，降低了薄型晶圓的破損風險，同時顯著改善了晶圓的翹曲變形問題。

2. 磨削減薄工藝流程

1) 晶圓表面防護貼膜：在進行背面研磨之前，對晶圓正面的精密電路與器件進行保護至關重要。目前，行業普遍采用貼膜機完成晶圓貼膜操作。具體流程為：首先將晶圓正面朝上放置于貼膜機工作平臺，隨后將保護膜從卷軸上平穩拉出，覆蓋在晶圓表面，通過滾軸的均勻滾壓，使保護膜與晶圓表面緊密貼合，最后利用切割裝置沿晶圓邊緣將多余的保護膜切除，將完成貼膜的晶圓放入晶圓盒備用。

保護膜通常由膜層和膠層組成，膠層的黏性特性決定了其與晶圓表面的貼合效果。根據解膠方式的不同，保護膜可分為紫外線解膠型和熱解膠型等。紫外線解膠型保護膜在特定波長紫外線照射下，膠層的黏性會迅速降低；而對于對紫外線敏感的集成電路產品，則需采用熱解膠型保護膜，通過加熱的方式實現解膠分離。

2) 背面研磨加工處理：完成貼膜的晶圓被轉移至研磨設備的陶瓷多孔真空貼片盤上，貼片盤通過真空吸附作用固定晶圓，并帶動其高速旋轉。與此同時，研磨砂輪在伺服系統的精確控制下，以設定的壓力與轉速對晶圓背面進行研磨加工。

研磨過程分為粗磨和精磨兩個階段。粗磨階段使用大粒度砂輪，以較高的材料去除速率快速削減晶圓厚度；精磨階段則采用小粒度砂輪，對晶圓表面進行精細研磨，進一步降低表面粗糙度，提高表面平整度。通過粗、精磨的配合，能夠在保證加工效率的同時，實現晶圓表面質量的精準控制。

3) 保護膜去除工藝：研磨完成后，首先對晶圓進行清洗和干燥處理，以去除表面殘留的研磨碎屑和冷卻液。隨后，根據保護膜的類型選擇合適的解膠方式。對于紫外線解膠型保護膜，通過特定波長的紫外線照射，使膠層失去黏性；對于熱解膠型保護膜，則將晶圓加熱至一定溫度，實現膠層的軟化與分離。

解膠后的晶圓正面朝上放置于去膜設備平臺，利用具有黏性的剝離膜將保護膜從晶圓表面揭除。為防止剝離過程中產生的靜電對晶圓造成損傷，整個操作過程需在離子風環境下進行。隨著晶圓厚度的不斷減薄，其機械強度下降，在加工過程中更易發生變形，因此在去膜過程中需嚴格控制操作力度與環境條件，確保晶圓的完整性。