摘要：硅片背面磨削減薄工藝中，機(jī)械磨削使硅片背面產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致表面粗糙，且發(fā)生翹曲變形。分別采用粗磨、精磨、精磨后拋光和精磨后濕法腐蝕等四種不同背面減薄方法對(duì)15．24cm（6英寸）硅片進(jìn)行了背面減薄，采用掃描電子顯微鏡對(duì)減薄后的硅片表面和截面形貌進(jìn)行了表征，用原子力顯微鏡測試了硅片表面的粗糙度，用翹曲度測試儀測試了硅片的翹曲度。結(jié)果表明，經(jīng)過粗磨與精磨后的硅片存在機(jī)械損傷，表面粗糙且翹曲度大，粗糙度分別為0．15和0．016μm，翹曲度分別為147和109μm；經(jīng)過拋光和濕法腐蝕后的樣品無表面損傷，粗糙度均小于0．01μm，硅片翹曲度低于60μm。
硅片背面減薄是一步重要的硅片制造工藝，目的是去除硅片背面多余材料，以有效減小硅片封裝體積，降低熱阻，提高器件的散熱性能，降低封裝后芯片因受熱不均而開裂的風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品可靠性；同時(shí)，減薄后的芯片機(jī)械性能與電氣性能也得到顯著提高。硅片背面減薄技術(shù)有很多種，如磨削、拋光、干式拋光、電化學(xué)腐蝕、濕法腐蝕、等離子輔助化學(xué)腐蝕和常壓等離子腐蝕等。其中硅片磨削減薄技術(shù)是一種效率高、成本較低的減薄技術(shù)，已得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)通過砂輪在硅片表面旋轉(zhuǎn)施壓、損傷、破裂、移除而實(shí)現(xiàn)硅片減薄。工藝中不可避免引入損傷，降低器件可靠性和穩(wěn)定性。拋光工藝采用硅片與拋光頭之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)來平坦化硅片表面，在硅片和拋光頭之間有磨料；濕法化學(xué)腐蝕是一種通過腐蝕液與硅片發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)硅片減薄的工藝技術(shù)，常用的腐蝕液有酸性腐蝕液（如硝酸、冰乙酸與氫氟酸）和堿性腐蝕（如KOH溶液［1］）。
本文以15．24cm（6英寸）硅片背面減薄為例，通過對(duì)經(jīng)過磨削、磨削后拋光與磨削后濕法腐蝕工藝后硅片的損傷、表面粗糙度與翹曲度的分析，優(yōu)化硅片背面減薄技術(shù)。
取4片6英寸單晶硅片，硅片厚度為675μm，正面貼保護(hù)膜，保護(hù)膜厚度為140μm；采用方達(dá)科技單片研磨機(jī)對(duì)硅片進(jìn)行磨削減薄加工，加工選用325＃－DISCO砂輪，砂輪粒度為40～60μm，將4片6英寸硅片減薄140μm至535μm，取出其中1個(gè)樣品，編號(hào)為1＃；接著采用方達(dá)單面研磨機(jī)對(duì)余下3個(gè)樣品進(jìn)行精磨削加工，加工選用2000＃－DISCO砂輪，砂輪粒度為4～6μm，去除硅片厚度為30μm，取出其中1個(gè)樣品，編號(hào)為2＃；對(duì)余下的兩個(gè)樣品，一個(gè)采用方達(dá)科技單面拋光機(jī)進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光40min，編號(hào)為3＃，另一個(gè)用濕法化學(xué)腐蝕方式減薄，腐蝕時(shí)間5min，編號(hào)為4＃。濕法腐蝕采用硝酸、冰乙酸和氫氟酸混合液腐蝕液，體積比為硝酸∶冰乙酸∶氫氟酸＝5∶4∶1，反應(yīng)原理如下［2］：
完成上述減薄工藝后，去除樣品正面保護(hù)膜，清洗，然后采用Mitotuyo厚度測試儀測試樣品厚度，用翹曲度測試儀測試樣品翹曲度，采用FEG450掃描電子顯微鏡觀察樣品表面和截面形貌，用原子力顯微鏡測試樣品粗糙度。
2．1表面形貌分析
圖2是減薄后樣品表面掃描電子形貌圖（SEM）。由圖可見，1＃樣品表面粗糙、起伏大，存在凸起與凹坑；2＃樣品表面存在大量細(xì)小劃痕。原子力顯微鏡測試得出1＃樣品與2＃表面粗糙度Ra分別為0．15和0．016μm。
單晶硅材料的原子在晶體內(nèi)部按照金剛石結(jié)構(gòu)周期性排列，硅片背面磨削減薄是一種物理損傷工藝，砂輪的磨削會(huì)破壞硅原子內(nèi)部的周期性排列順序，在硅片表面產(chǎn)生機(jī)械損傷。對(duì)比圖2（a）與圖2（b）可知，樣品表面形貌和表面粗糙度與研磨所用砂輪有關(guān)，砂輪粒度越小，硅片表面越平整，粗糙度越小。
圖2（c）和圖2（d）分別為3＃與4＃樣品表面形貌圖，對(duì)比兩圖可見，化學(xué)機(jī)械拋光后樣品表面平整，沒有磨削劃痕，濕法腐蝕后樣品表面依然可見砂輪磨削留下的劃痕。3＃與4＃樣品表面粗糙度Ra分別為0．001和0．008μm。化學(xué)機(jī)械拋光工藝是一種全局性平坦化工藝，由上述結(jié)果可知，拋光工藝有效地改善了硅片表面形貌；腐蝕工藝后樣品表面粗糙度降低，結(jié)合酸性濕法腐蝕工藝是一種各向同性腐蝕工藝［3］，樣品表面損傷與凸起部分被優(yōu)先腐蝕，可見濕法腐蝕可改善硅片表面形貌。4個(gè)樣品表面粗糙度Ra見表2所示。
2．2截面形貌分析
圖3為樣品截面形貌圖（SEM），可見1＃樣品截面粗糙，截面存在裂紋，2＃樣品截面平直，有微裂紋。由圖可知，樣品截面損傷層厚度分別為5．382與1．115μm。
硅片磨削減薄是一種物理性損傷工藝，根據(jù)Hadamovsky提出的損傷層模型［4］，機(jī)械研磨減薄工藝后，基體硅之上存在著損傷層，損傷層自上而下分為多層結(jié)構(gòu)。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)可知，損傷層厚度與研磨硅片砂輪粒度有關(guān)，砂輪粒度越大，磨削產(chǎn)生的損傷層越大，硅片表面越粗糙。3＃與4＃樣品截面圖如圖3（c）與圖3（d）所示，樣品截面無損傷層，結(jié)合上文可知，拋光工藝和濕法腐蝕工藝去除了樣品表面的機(jī)械損傷，減薄后樣品厚度以及表面損傷層厚度如表3所示。表3中還列出了樣品的翹曲度，由表中可知，樣品翹曲度與表面損傷層厚度相關(guān)，如圖4所示，損傷層厚度越大，翹曲度也越大。硅片表面的機(jī)械損傷破壞了硅片晶體結(jié)構(gòu)，降低硅片強(qiáng)度，增大硅片在傳遞過程中碎片率，影響后續(xù)工藝的可靠性與穩(wěn)定性，降低了產(chǎn)品成品率。拋光工藝和濕法腐蝕不僅可以去除硅片表面損傷層，還降低了硅片翹曲度，有效提高減薄后硅片質(zhì)量，這對(duì)提高生產(chǎn)線成品率，拓寬元器件使用條件，提高元器件使用性能，延長使用壽命等都具有極其重要的意義。
硅片背面機(jī)械研磨減薄是一種物理損傷工藝，減薄會(huì)在硅片表面引入機(jī)械損傷。文中對(duì)比分析了粗磨、精磨、拋光和濕法腐蝕工藝后硅片表面與截面形貌，并且測試了硅片厚度、粗糙度和翹曲度，結(jié)合理論分析，得到結(jié)論如下：機(jī)械研磨減薄工藝中硅片表面形貌和損傷層厚度和研磨減薄砂輪粒度有關(guān)，砂輪粒度越大，硅片表面越不平整，粗糙度也越大，損傷層厚度越大。采用粗磨與精磨結(jié)合減薄的方法，可以改善硅片表面形貌，降低硅片表面損傷層厚度；濕法腐蝕與拋光工藝可以改善硅片表面形貌，去除硅片減薄中產(chǎn)生的機(jī)械損傷，拋光工藝可以得到粗糙度更低的硅片表面，速率較慢，濕法腐蝕工藝效率高，表面較粗糙；減薄硅片的翹曲度與損傷層厚度有關(guān)，損傷層厚度越大，硅片翹曲度越大。實(shí)際工藝中，結(jié)合器件需求，可以采用先分段研磨，再拋光或濕法腐蝕的方法，得到高質(zhì)量的減薄硅片。