科学技术的飞速发展使得集成电路逐渐朝着小型化和高度集成化方向发展，而这就对芯片的散热效率、尺寸提出了更高的要求。为了在较少的面积和整体封装高度实现多层密集互联，芯片不仅要实现超薄化，还要保持足够的平整度，而这也加剧了晶圆翘曲和碎片的风险。为有效打破该问题的限制，便产生了晶圆减薄技术。接下来，小编将为大家详细介绍一下晶圆减薄技术。

IC制造流程（图源：文献1）

什么是晶圆减薄技术？

广义的减薄既包含晶圆制备流程中的研磨和抛光，也涵盖IC制造流程中的化学机械抛光和背面研磨。一般而言，晶圆减薄指的是晶圆的背面研磨。在减薄前，通常需要在晶圆的正面固定一层背磨胶带，以固定晶圆并保护晶圆的图形层，后再将晶圆翻转进行粗磨和精磨。

（1）粗磨：由于晶圆的厚度远大于裸芯片的厚度，因此在粗磨阶段往往会采用粒度为350-500目的金刚砂轮进行快速的磨削，此时磨削量占总减薄量的90%。

（2）精磨：经过粗磨的晶圆表面往往会存在大量缺陷和裂纹，因此在粗磨后需要对晶圆进行精磨。精磨会采用粒度为2000-3000目的金刚砂轮，并降低砂轮的给进速度，以去除粗磨产生的损伤层，此时磨削量占总减薄量的6%。

（3）后续工艺：虽然精磨阶段可以消除前端粗磨产生的损伤、崩边等现象，但这一过程也极易引入微裂纹和微缺陷。因此，当晶圆的目标厚度或临界尺寸较小时，会在精磨后通过后续工艺去除表面的微损伤，降低表面的残余应力。

晶圆减薄工艺（图源：文献2）

分类

一、机械减薄

机械减薄技术是一种通过精密加工减薄设备对待加工材料表面基体进行物理磨削的工艺技术，通过机械磨削可以降低加工物的厚度。晶圆减薄后的厚度一般为几十到几百微米，而机械研磨的优点在于可以提高工件表面的平整度和光洁度，并且在较短的时间内得到较高的研磨精度，是相对成熟的晶圆减薄加工技术。机械减薄可以根据不同工件的材质及表面质量的要求选择相应的机械减薄工艺，对于硬脆材料晶圆的机械减薄工艺主要有单面磨削、双面磨削、干式抛光等。

1、单面磨削

单面磨削是只需要对材料的一侧进行研磨，另一侧则保持平整。相较传统研磨，晶圆的超精密单面磨削具有生产效率高，成本低，易实现加工在线检测、控制及自动化，能够获得极高的面型精度和卓越的表面质量等优点。目前，转台式磨削和晶圆自旋转磨削是最具代表性的单面磨削技术。

（1）转台式磨削是借助真空吸盘把多个晶圆固定于转台上，当转台旋转时，晶圆会保持静止，不会围绕自身轴心转动。当前阶段，将直径大于晶圆的砂轮安装于高精密滚动轴承或静压空气轴承的主轴处，使其以高速运转并实施轴向进给。晶圆减薄是在减薄设备上放置粗磨和精磨2种砂轮实现的。当转台旋转一周，晶圆的粗磨和精磨依次完成。转台式磨削可分为2种类型，一是端面切入式，通常采用多砂轮构造，砂轮沿轴向不断进给，直至将加工余量消除；二是端面切向式磨削，砂轮围绕自身轴线旋转并进行轴向进给，与此同时，晶圆随转台进行水平切向的持续进给减薄。可根据具体的加工需求选择不同的加工方式。与传统研磨方法相比，转台式磨削具备去除率高、对晶圆表面产生的损伤小、易于实现自动化操作等优势。但也存在磨削力不稳定、TTV值较高、容易出现塌边和崩边等问题。

转台式磨削原理图（图源：文献3）

（2）晶圆自旋转磨削的工件通常会被吸附于多孔陶瓷真空吸盘之上，伴随旋转工作台进行低速转动；与此同时，砂轮围绕自身主轴进行自旋转运动，并且沿轴向连续进给，从而实现单面磨削及材料去除。这种方法是较为成熟的硬脆材料磨削方法，能够满足硬脆材料高面形精度、低表面粗糙度的要求，也经常被用于大尺寸晶圆的快速减薄。相较于转台式磨削，自旋转磨削具有磨削力恒定，能控制晶圆的面型精度；可进行大余量减薄，不受晶圆加工余量的限制；可调整加工参数，减少晶圆表面损伤的优点。

自旋转磨削原理图（图源：文献4）

2、双面磨削

双面磨削是将工件夹在两个旋转的磨削盘之间，磨削盘上覆盖有磨削颗粒的磨削轮，两个磨削盘可独立旋转，并且可调整磨削盘之间的距离和角度，以控制工件的加工过程。该技术具有简化运动路径和高加工效率的优势。但在加工过程中，尤其针对两端面面积不一致的不对称端面零件，极有可能出现较显著的平面度和平行度误差。因此，后续转变为行星轮双面加工来解决晶圆二次装夹误差的问题。

双面磨削原理图（图源：文献5）

3、电火花磨削

电火花磨削是一种利用受控电脉冲产生的热能进行晶圆减薄的方法。电火花磨削设备结构与金刚石减薄磨床类似，配备了旋转主轴和防油的精密旋转工作台，分别用于驱动电极和晶圆进行低速稳定旋转。仿照金刚石碗形砂轮，将电极设计为碗形，并带有凹槽，以增强流体的流动，便于清除加工中产生的碎屑。在加工过程中，电极旋转着缓慢向下进给，通过电极与晶圆之间的脉冲放电来去除材料，实现非接触的减薄。此工艺与传统磨削工艺相比，不会对晶圆造成机械损伤，加工更稳定，且电极材料消耗少、成本较低。

电火花磨削减薄加工原理图（图源：文献6）

4、干式抛光

在减薄加工后，晶圆表面的层损伤无法完全消除，所以需要对晶圆进行抛光。干式抛光主要是利用机械摩擦力和磨料间的作用，来消除表面层损伤及应力。在抛光过程中，干式抛光无须使用水或其他液体，因此不会产生废水和废液，可大幅提高工作效率，减少后续清洗和干燥的时间、步骤。同时，它可适用于各种材料的表面抛光，能够根据不同的需求来调节转速和磨料种类，是当前机械减薄常用的抛光方式。

干式抛光原理图（图源：文献5）

二、化学机械减薄

1、化学机械磨削

化学机械磨削（CMG）是融合了化学反应与机械磨削的固结磨料加工技术，其材料去除的过程可划分为机械作用接触阶段、钝化层的预生成阶段、钝化层的生成阶段、钝化层的去除阶段4个阶段。目前，该技术可实现对单晶硅、石英玻璃、蓝宝石等硬脆材料的纳米级面形精度与表面粗糙度。但CMG技术的研究仍处于原理探索和工艺优化阶段，存在诸多问题有待解决，例如专用磨具磨损较快、使用寿命短、材料去除率较低等。

化学机械磨削去除原理图（图源：文献5） 

2、化学机械抛光

化学机械抛光（CMP）是一种综合化学作用与机械作用的加工方法，具有对小尺寸晶圆加工效率高、低损伤、可实现全局或局部平坦化等优点。CMP的化学作用就是抛光液与晶圆表面发生氧化或耦合从而变得容易被机械作用去除，而不需要去除的部分则会被有机物保护起来。CMP的机械作用是晶圆由抛光头施加向下的压力在抛光垫上与研磨颗粒摩擦的作用。晶圆的上部接受来自抛光头的压力，晶圆的下部在接触到粗糙的抛光垫或研磨颗粒后部分被摩擦去除。整个CMP过程中，抛光液作用于抛光垫和晶圆之间，其承担了传递压力、除去表面薄膜和输送反应物等重要环节，对MRR有着直接影响。

化学机械抛光原理图（图源：文献7）

四、能束减薄

能束减薄是近年发展起来的加工技术，它主要利用了高强度聚焦能束来对材料进行纳米级加工，并配合扫描电镜（SEM）等高倍数电子显微镜实时观察。目前，已成为纳米级分析、制造的主要方法。

1、激光加工

激光加工是用激光对晶圆进行减薄的技术，它主要是利用激光器产生的高强度激光束照射晶圆表面，使晶圆表面的材料吸收激光能量并蒸发或升华，通过控制激光束的功率、聚焦度和扫描速度等参数，从而实现对晶圆材料的精确、可控地薄化。这种方法具有灵活性高，可实现对膜层的精确减薄，减少材料损耗；精度高，非接触加工不会对膜产生机械损伤；生产效率高，与传统的磨削技术相比，激光晶圆减薄技术的加工速度更快，减少了晶圆的损伤和时间，提高了芯片的生产效率等优点。但也存在技术难度高、成本较高的问题。

激光晶圆减薄技术原理图（图源：文献5）

2、动态等离子加工

动态等离子加工技术是利用等离子体的高温、高能量密度和高化学反应活性等特点，对材料进行加工处理。等离子体是由离子、电子和中性粒子组成。在加工过程中，通过气体放电或其他方式产生等离子体，并将其引导到加工区域。等离子体中的离子和电子具有很高的能量，可以与材料表面发生碰撞和相互作用，从而达到加工效果。这种方法具有加工精度高，等离子体的能量密度高，可以实现高精度的加工；适用材料广泛，可适用于各种材料，包括金属、非金属、半导体等；环境友好，不需要使用化学试剂，对环境无污染等优点。但仍存在等离子加工设备的制造、维护成本高、加工效率等问题。

五、化学减薄

1、湿法腐蚀

湿法腐蚀是将晶片浸入酸性溶液(HF/HPO₄/HNO₃)中，通过溶液与晶片反生化学反应生成可溶性物质去除晶片表面材料。湿法腐蚀工艺材料去除率较高，并且加工过程中，仅通过溶液与晶片之间的化学反应去除材料，不存在机械力作用，因此不会产生机械损伤，同时能够去除晶片表面的残余应力，减少晶片翘曲，提高晶片强度。但是，湿法腐蚀工艺也存在着蚀刻速率不均匀，无法改善晶片表面平整度的问题，而且加工过程中采用的浓酸溶液以及废液对环境危害较大，容易产生较为严重的环境污染问题。

2、等离子体化学气相加工

等离子体化学气相加工工艺主要通过等离子体中具有强氧化性的自由基与工件表面原子发生化学反应，从而实现无损加工。基于其独特的加工方式，工件不会出现由塑性变形或脆性断裂带来的晶体缺陷，并保持了工件原有的物理特性。针对半导体硬脆材料的减薄加工，该工艺能避免出现裂纹、碎裂和翘曲等问题。以减薄SiC晶片为例，PCVM设备主要由电极和转台组成，其中电极可以移动并经过工件，且含有通气口，转台可以上下移动，且具备真空吸附和加热功能。在加工过程中，向电极下方的反应腔注入SF₆、He，接通电极，产生等离子体，并扫描经过SiC晶圆，产生的氟自由基能与SiC表面会发生反应，从而去除材料。但目前这种工艺存在效率太低的问题。

PCVM减薄设备示意图（图源：文献6）

参考文献：

1、王淼操.晶圆减薄仿真的应力计算及其应用研究[D].华中科技大学.

2、戴斯洋.硅片磨削损伤演化规律与减薄工艺优化[D].大连理工大学.

3、黄金星.晶圆低损伤减薄磨抛轮的研制及其性能研究[D].大连理工大学.

4、王同庆,赵德文,路新春.集成电路抛光与减薄装备及耗材的应用和发展[J].微纳电子与智能制造.

5、蒋凯,李晓静,朱航,等.晶圆减薄工艺技术与设备研究进展[J].兵器材料科学与工程.

6、周仁宸,王哲,杨远航,等.超精密晶圆减薄砂轮及减薄磨削装备研究进展[J].表面技术.

7、王勇威,夏楠君,亢喆,等.一种高精度化学腐蚀减薄设备与减薄工艺[J].电子工业专用设备.

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