磨削工藝對晶片TTV的影響

張文斌，邱 勤，趙秀偉

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

磨削工藝對晶片TTV的影響

張文斌，邱 勤，趙秀偉

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

磨削工藝直接影響著磨削后晶片的表面質量參數，在這些參數中，總厚度變化（TTV）是鑒別晶片幾何參數好壞的重要指標之一。分析了磨削工藝中承片臺轉速、主軸進給速度、主軸轉速對TTV的影響。

晶圓減薄；磨削；總厚度變化

從硅單晶錠到能夠用于集成電路等器件制造的硅片需要一系列的機械和化學加工過程。硅片加工是IC制造系統中重要的基礎環節，硅片的加工精度、表面粗糙度和表面完整性直接影響IC的線寬和IC芯片的性能。IC制造過程包括硅片制備、前道、檢測和后道四個階段，整個過程中要應用到微細加工和超精密加工等先進制造工藝和設備，而其中硅片的超精密加工(包括超精密磨削、研磨和拋光)工藝和設備在IC制造過程中具有重要作用，是IC制造的關鍵技術。受成品芯片制造成本因素的驅動，硅片尺寸不斷增大，已由半世紀前的φ12.5 mm增加到目前的φ450 mm[1]，晶圓厚度向超薄化發展。隨著硅片尺寸的增大，對超薄晶圓面型精度的要求也不斷提高。例如，JB-802型全自動晶圓減薄機可以將φ200 mm晶圓磨削到70 μm（見圖1）,總厚度變化（TTV）小于1.5 μm；BGP300全自動晶圓減薄拋光一體機可以將φ300 mm晶圓磨削拋光到50 μm，總厚度變化（TTV）小于2.5 μm。晶片總厚度變化量（TTV）是晶圓減薄機的一項重要指標，直接影響后續的各項封裝工藝和芯片的最終質量。因此，通過不斷完善磨削工藝參數，如承片臺轉速、主軸進給速度、主軸轉速等，最終達到降低磨削后晶圓的TTV值。

圖1 超薄片彎曲示意圖

1 晶圓減薄機工藝過程和原理

1.1 晶圓減薄機工藝過程

硅片背面磨削一般分為兩步：粗磨和精磨。在粗磨階段，采用粒度46#～500#的金剛石砂輪，軸向進給速度為100～500 mm/min，磨削深度較大，一般為0.5～1 mm。目的是迅速地去除硅片背面絕大部分的多余材料（加工余量的90%）。精磨時，加工余量幾微米直至十幾微米，采用粒度2000#～4000#的金剛石砂輪，軸向進給速度為0.5～10 mm/min。主要是消除粗磨時形成的損傷層，達到所要求的厚度，在精磨階段，材料以延性域模式去除，硅片表面損傷明顯減小。

1.2 晶圓減薄機磨削原理

當前主流晶圓減薄機的整體技術采用了In-feed磨削原理設計。為了實現晶圓的延性域磨削，提高減薄質量，通過減小砂輪軸向進給速度實現微小磨削深度，因此，要求設備的進給運動分辨率小于0.1 μm，進給速度最小1 μm/min。另外，為了提高減薄工藝的效率，進給系統在滿足低速進給的前提下，要盡可能實現高速返回（見圖2）。

圖2 晶圓減薄原理示意圖

2 實驗研究

2.1 實驗設計

準備20片φ200 mm（8英寸）晶片，進行減薄試驗，記錄減薄時的各項工藝參數及最終所磨削晶片的TTV值，磨削實驗用JB-802晶圓減薄機（見圖3）。

圖3 JB-802晶圓減薄機

2.2 工藝操作步驟

將20片φ200 mm（8英寸）晶片，2片一組，分10組放置到片盒1中，運行自動磨削過程，晶片經過粗磨和精磨后，將其放置于片盒2中。晶片的初始厚度為540 μm，設定的目標厚度為170 μm，減薄后的晶圓片見圖4所示。

圖4 減薄后的晶圓片

2.3 測量設備及方法

通過星納多功能晶片檢測系統MS203測試，讀取五個點晶圓片數據，測量方法如圖5所示。

圖5 晶圓厚度檢測位置示意圖

2.4 實驗結果

將片盒2中晶圓片置于星納多功能晶片檢測系統MS203平臺上，讀取五個點晶圓片數據，如表1所示。

表1 晶圓片TTV值

20片晶圓TTV值分布圖分別見圖6和圖7。

我們取4號片進行晶圓表面模擬，如圖8所示，晶圓中間區域產生凹陷。

圖6 晶圓片TTV變化圖

圖7 晶圓片TTV變化圖

圖8 晶圓減薄后之TTV（中間區域產生凹陷）

2.5 結果分析

為了研究砂輪進給率、砂輪轉速、工作臺轉速對硅片TTV的影響規律，分別對它們進行試驗研究。

通過實驗得出如下結果：

（1）當其它磨削參數不變時，硅片的TTV值隨著砂輪進給率的增大而增大，且TTV值增大的很快。因為砂輪進給率增大而轉速不變時，砂輪磨削深度增大，從而對硅片表面的切削力和擠壓力也增大，單位時間內去除的材料增多，材料脆性斷裂的趨勢增大，損傷深度也增大。因此，為了降低硅片的TTV值，就要在一定范圍減小砂輪進給率，不過這樣會降低材料的去除率，延長了加工時間，增加成本。

（2）當其它磨削參數不變時，硅片的TTV值隨著砂輪轉速的增大而減小，這是因為隨著砂輪轉速的增大，砂輪每轉的磨削深度減小，從而損傷深度也就減小。因此，為了降低硅片的TTV值，砂輪轉速要最大化。但砂輪的轉速并不能無限制地增大，一方面是由于磨床自身主軸性能的限制，另一方面與砂輪本身的強度也有關，砂輪轉速增大，則砂輪輪齒受到的離心力也相應增大，對砂輪的強度要求也就越高。

（3）在其它磨削參數不變時，TTV值隨著工作臺轉速的增大而減小，但是變化的幅度很小，相對于砂輪進給率和砂輪轉速來講，工作臺轉速對硅片TTV值的影響最小。

3 結 論

綜上所述，砂輪進給率、砂輪轉速、工作臺轉速對硅片TTV的影響巨大。因此，在晶圓磨削過程中，對砂輪進給率、砂輪轉速、工作臺轉速等工藝參數的合理設置，有助于降低晶圓的TTV值，從而提高磨削后晶圓的表面質量。

[1] 田業冰，郭東明，康仁科，等.大尺寸硅片自旋轉磨削的試驗研究[J].金剛石與磨料模具工程，2004，28(9)：12-15.

[2] 王仲康.超薄化芯片[J].電子工業專用設備.2006，23 (128)：13-18.

Effect of Grinding Process on The Wafer TTV

ZHANG Wenbin，QIU Qin，ZHAO Xiuwei

(CETC Beijing Electronic Equipment Co.，LTD，Beijing 100176)

The grinding process directly affects the surface quality of silicon wafer quality parameters，among these parameters，total thickness variation is one of the important index in differential geometry parameters of the silicon wafer quality.Effect of chuck rotation speed，wheel infeed，spindle speed grinding process on the wafer TTV are analyzed.

Wafer Thinning；Grinding；Total Thickness Variation(TTV)

TN305.2

B

1004-4507(2015)01-0017-04

張文斌（1982-），男，內蒙古呼和浩特人，工學碩士，畢業于大連理工大學，機械工程師，現就職于中國電子科技集團公司第四十五研究所，主要從事半導體設備的機械設計工作。

2014-12-24