背面研磨(Back Grinding)决定晶圆的厚度 | SK hynix Newsroom
经过前端工艺处理并通过晶圆测试的晶圆将从背面研磨（Back Grinding）开始后端处理。背面研磨是将晶圆背面磨薄的工序，其目的不仅是为了减少晶圆厚度，还在于联结前端和后端工艺以解决前后两个工艺之间出现的问题。半导体芯片（Chip）越薄，就能堆叠（Stacking）更多芯片，集成度也就越高。但集成度越高却可能导致产品性能的下降。所以，集成度和提升产品性能之间就存在矛盾。因此，决定晶圆厚度的研磨（Grinding）方法是降低半导体芯片成本、决定产品质量的关键之一。
1. 背面研磨（Back Grinding）的目的
图1. 晶圆制造工艺和半导体制造工艺中的形态变化
下载图片
在由晶圆制成半导体的过程中，晶圆的外观不断发生变化。首先，在晶圆制造工艺中，晶圆的边缘（Edge）和表面会进行抛光（Polishing），这一过程通常会研磨晶圆的两面。前端工艺结束后，可以开始只研磨晶圆背面的背面研磨工序，能去除在前端工艺中受化学污染的部分，并减薄芯片的厚度，这非常适用于制作搭载于IC卡或移动设备的薄型芯片。此外，这一工序还有减少电阻、降低功耗、增加热导率而迅速散热至晶圆背面的优点。但与此同时，由于晶圆较薄，很容易被外力折断或翘曲，使得处理步骤更加困难。
2. 背面研磨（Back Grinding）详细工艺流程
图2. 背面研磨三步骤
下载图片
背面研磨具体可以分为以下三个步骤：第一、在晶圆上贴上保护胶带贴膜（Tape Lamination）；第二、研磨晶圆背面；第三、在将芯片从晶圆中分离出来前，需要将晶圆安置在保护胶带的晶圆贴片（Wafer Mounting）上。晶圆贴片工艺是分离芯片（切割芯片）的准备阶段，因此也可以包含在切割工艺中。近年来，随着芯片越来越薄，工艺顺序也可能发生改变，工艺步骤也愈发精细化。
3. 保护晶圆的贴膜（Tape Lamination）工艺
图3. 贴膜工艺和晶圆正面
下载图片
背面研磨的第一步是贴膜。这是一种将胶带粘到晶圆正面的涂层工艺。进行背面研磨时，硅化合物会向四周扩散，晶圆也可能在这一过程中会因外力而破裂或翘曲，且晶圆面积越大，越容易受到这种现象的影响。因此，在背面研磨之前，需要贴上一条薄薄的紫外线（Ultra Violet, 简称 UV）蓝膜用于保护晶圆。
贴膜时，为了使晶圆和胶带之间没有间隙或气泡，需要提高粘合力。但在背面研磨后，晶圆上的胶带应通过紫外线照射降低粘合力。剥离后，胶带的残留物不得留在晶圆表面。有时，该工艺会使用粘合力较弱且容易产生气泡的非紫外线减粘膜处理，虽然缺点多，但价格低廉。此外，还会用到比UV减粘膜厚两倍的凸块（Bump）膜，预计在未来会有越来越高的使用频率。
4. 晶圆厚度与芯片封装成反比
图4. 多芯片封装（MCP，Multi Chip Package）结构
下载图片
经过背面研磨的晶圆厚度一般会从800-700㎛减少到80-70㎛。减薄到十分之一的晶圆能堆叠四到六层。近来，通过两次研磨的工艺，晶圆甚至可以减薄到大约20㎛，从而堆叠到16到32层，这种多层半导体结构被称为多芯片封装（MCP）。在这种情况下，尽管使用了多层结构，成品封装的总高度不得超过一定厚度，这也是为何始终追求磨得更薄的晶圆。晶圆越薄，缺陷就会越多，下一道工序也越难进行。因此，需要先进的技术改进这一问题。
5. 背面研磨方法的改变
图5. 根据晶圆厚度而不同的研磨方法
下载图片
通过将晶圆切割得尽可能薄以克服加工技术的局限性，背面研磨技术不断发展。对于常见的厚度大于等于50㎛的晶圆，背面研磨有三个步骤：先是粗磨（Rough Grinding），再是精磨（Fine Grinding），两次研磨后切割并抛光晶圆。此时，类似化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，简称 CMP）一样，一般会在抛光垫和晶圆之间投入浆料（Slurry）和去离子水（Deionized Water）。这种抛光工作能减少晶圆和抛光垫之间的摩擦，使表面光亮。当晶圆较厚时，可以采用超精细研磨（Super Fine Grinding），但晶圆越薄，就越需要进行抛光。
如果晶圆变得更薄，在切割过程中容易出现外部缺陷。因此，如果晶圆的厚度为50㎛微米或更小，可以改变工艺顺序。此时，会采用先划片后减薄（DBG，Dicing Before Grinding）的方法，即在第一次研磨之前，先将晶圆切割一半。按照划片（Dicing）、研磨和划片的顺序，将芯片从晶圆安全地分离出来。此外，还有使用坚固的玻璃板来防止晶圆破裂的特殊的研磨方法。
随着电器小型化对集成度的要求越来越高，背面研磨技术也应不但克服其局限性，继续发展。同时，不仅要解决晶圆的缺陷问题，还必须为未来工艺可能出现的新问题做好准备。为了解决这些问题，可能需要调换工艺顺序，或引入应用于半导体前端工艺的化学蚀刻技术，全面开发新的加工方法。为了解决大面积晶圆固有的缺陷，正对研磨方法进行多种探索尝试。此外，关于如何回收利用研磨晶圆后产生的硅渣的研究也正在进行。
陈锺文半导体专栏作家
韩国忠北半导体高等学校老师