文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文主要講述基于TSV的減薄技術(shù)。

在半導(dǎo)體三維集成（3D IC）技術(shù)中，硅通孔（TSV）是實(shí)現(xiàn)芯片垂直堆疊的核心，但受深寬比限制，傳統(tǒng)厚硅片（700-800μm）難以制造直徑更?。?-20μm）的TSV，導(dǎo)致芯片面積占比過(guò)高，且多層堆疊后總厚度可能達(dá)毫米級(jí)，與智能手機(jī)等應(yīng)用對(duì)芯片厚度的嚴(yán)苛限制（通常＜1mm）沖突。

為此，硅片減薄技術(shù)成為3D IC制造的關(guān)鍵：通過(guò)將硅片減薄至20-100μm（減薄圓片）甚至1-10μm（超薄圓片），既降低了TSV制造難度，實(shí)現(xiàn)更小直徑TSV，又解決了堆疊厚度與封裝兼容性問(wèn)題。

機(jī)械研磨

在硅片減薄工藝中，機(jī)械研磨作為核心環(huán)節(jié)，依托砂輪對(duì)硅片的機(jī)械磨削作用實(shí)現(xiàn)厚度控制，其過(guò)程需配合磨削液進(jìn)行潤(rùn)滑與降溫。與化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）不同，機(jī)械研磨以物理磨削為主，磨削液僅承擔(dān)冷卻與潤(rùn)滑功能，不參與材料去除，磨削顆粒完全由砂輪提供。

典型工藝流程分為粗研磨與精研磨兩階段：粗研磨采用大粒徑砂輪（300~600目），快速將硅片從初始厚度（700~800μm）減薄至100~150μm，此階段雖效率高，但會(huì)造成較深的表面損傷層（如325目砂輪磨削后損傷層達(dá)7~10μm）與殘余應(yīng)力；精研磨則換用細(xì)粒徑砂輪（2000目左右），進(jìn)一步將厚度降至75~100μm，此時(shí)表面損傷層可大幅降低至0.5μm左右。若后續(xù)需減薄至更?。ㄈ?0~50μm），還需結(jié)合機(jī)械拋光或CMP去除殘留損傷層，以優(yōu)化機(jī)械強(qiáng)度并減小翹曲。

設(shè)備方面，早期封裝領(lǐng)域使用的減薄機(jī)多采用砂輪平行于硅片表面的進(jìn)給方式，通過(guò)真空吸盤固定多片硅片并旋轉(zhuǎn)工具臺(tái)，砂輪橫向移動(dòng)磨削。但此方式因砂輪周期性跨越硅片間隙，導(dǎo)致受力不均，難以將厚度減薄至100μm以下。當(dāng)前主流設(shè)備則采用砂輪垂直于硅片表面的進(jìn)給設(shè)計(jì)，砂輪與硅片相向旋轉(zhuǎn)，覆蓋整個(gè)磨削區(qū)域，使受力均勻，可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)幾十微米級(jí)的減薄。盡管單次僅能處理一片硅片，但高減薄速率（達(dá)每分鐘幾十至一百微米）有效彌補(bǔ)了效率短板。

減薄后的關(guān)鍵參數(shù)如最小厚度、表面粗糙度、殘余應(yīng)力及總厚度變化（TTV）均受設(shè)備性能與工藝參數(shù)影響。其中，TTV由設(shè)備承載基盤與砂輪主軸的垂直度、砂輪平面度及主軸進(jìn)給平行度決定，通常需控制在1~2μm以滿足高精度需求。表面粗糙度則與砂輪轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度相關(guān)：同一砂輪下，進(jìn)給速度越快，表面粗糙度越大；轉(zhuǎn)速提升則可降低粗糙度，精研磨后Ra值可達(dá)5nm左右。值得注意的是，減薄速率與機(jī)械強(qiáng)度存在權(quán)衡關(guān)系——研究表明，減薄速度降低50%，平均機(jī)械強(qiáng)度可提升約56%，因此高精度應(yīng)用需平衡效率與可靠性。

硅片固定方式對(duì)厚度均勻性至關(guān)重要。減薄前硅片通過(guò)蠟或薄膜粘接在陶瓷/金屬基盤上，蠟?zāi)づc薄膜的厚度均勻性（通常2~3μm）直接影響TTV。薄膜因質(zhì)量穩(wěn)定、粘貼工藝可控，成為批量生產(chǎn)首選，其厚度選擇需兼顧TTV控制與適應(yīng)性：100~150μm薄膜適用于減薄前TTV為2~4μm的硅片，既避免過(guò)厚引入誤差，又防止過(guò)薄無(wú)法補(bǔ)償硅片自身形變。

近年來(lái)，隨著3D IC技術(shù)向更薄、更高集成度發(fā)展，機(jī)械研磨工藝持續(xù)演進(jìn)。一方面，設(shè)備精度提升成為重點(diǎn)，部分廠商推出搭載閉環(huán)控制系統(tǒng)的研磨機(jī)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)砂輪進(jìn)給量與硅片厚度，動(dòng)態(tài)調(diào)整工藝參數(shù)，將TTV控制在1μm以內(nèi)；另一方面，新型金剛石砂輪的研發(fā)進(jìn)一步降低了精研磨后的表面損傷層厚度，結(jié)合AI算法優(yōu)化轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度的匹配，在保證減薄效率的同時(shí)，顯著提升了薄硅片的機(jī)械強(qiáng)度與可靠性。

此外，環(huán)保型磨削液的推廣應(yīng)用也成為行業(yè)趨勢(shì)，通過(guò)低揮發(fā)性、高潤(rùn)滑性的配方設(shè)計(jì)，在滿足工藝需求的同時(shí)降低環(huán)境負(fù)擔(dān)。這些進(jìn)展共同推動(dòng)了機(jī)械研磨技術(shù)在超薄硅片制備中的適用性，為3D IC的規(guī)?；瘧?yīng)用提供了關(guān)鍵支撐。

邊緣保護(hù)

在硅片減薄工藝中，邊緣保護(hù)是確保薄硅片完整性與后續(xù)工藝可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于硅片邊緣天然呈圓弧狀，減薄過(guò)程中磨削平面與原始邊緣的交界面易形成鋒利尖角，導(dǎo)致應(yīng)力集中與機(jī)械強(qiáng)度顯著下降，成為減薄后碎裂的主要誘因。此外，臨時(shí)鍵合過(guò)程中若存在對(duì)準(zhǔn)偏差或圓片尺寸差異，上層硅片邊緣可能超出輔助圓片保護(hù)范圍，進(jìn)一步加劇邊緣脆弱性，給運(yùn)輸與后續(xù)制程帶來(lái)挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，行業(yè)已形成多種邊緣保護(hù)策略。其一為邊緣填充臨時(shí)鍵合膠：通過(guò)在硅片與輔助圓片邊緣界面處涂覆或噴涂高黏附性臨時(shí)鍵合材料，形成支撐結(jié)構(gòu)以緩沖尖角應(yīng)力。該方法適用于永久鍵合后拆除臨時(shí)鍵合的場(chǎng)景，但對(duì)鍵合對(duì)準(zhǔn)精度要求較高，且需控制膠量以平衡成本與保護(hù)效果。其二為切邊處理：在減薄前采用砂輪對(duì)硅片鍵合面邊緣進(jìn)行預(yù)切割，形成矩形截面以減小有效直徑，消除尖角并確保減薄后硅片邊緣完全被輔助圓片覆蓋。此工藝雖增加步驟，但對(duì)厚度低于100μm的超薄硅片保護(hù)效果顯著，已成為高精度應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)流程。其三為輔助圓片預(yù)減?。簩⑤o助圓片預(yù)先減薄至400~500μm，使其邊緣呈矩形剖面，為器件圓片提供更穩(wěn)定的支撐。

綜合性能比較，切邊處理在保護(hù)效果上最優(yōu)，輔助圓片預(yù)減薄次之，邊緣填充高分子材料則適用于特定場(chǎng)景。值得注意的是，增大輔助圓片尺寸對(duì)改善邊緣碎裂效果有限，實(shí)際應(yīng)用中較少采用。

近期行業(yè)動(dòng)態(tài)顯示，邊緣保護(hù)技術(shù)正朝著高效化與集成化方向發(fā)展。某國(guó)際設(shè)備廠商推出搭載激光切邊模塊的新型減薄機(jī)，通過(guò)非接觸式激光加工替代傳統(tǒng)機(jī)械切邊，將切邊精度提升至亞微米級(jí)，并大幅縮短工藝時(shí)間。同時(shí)，新型低黏度、高韌性的臨時(shí)鍵合膠材料被開(kāi)發(fā)，可在保證填充效果的同時(shí)降低清洗難度，提升生產(chǎn)效率。

此外，學(xué)術(shù)界提出基于原子層沉積（ALD）的邊緣強(qiáng)化方案，通過(guò)在硅片邊緣沉積超薄應(yīng)力緩沖層，進(jìn)一步降低碎裂風(fēng)險(xiǎn)，目前該技術(shù)已進(jìn)入小試階段，未來(lái)有望與現(xiàn)有工藝形成互補(bǔ)。這些進(jìn)展共同推動(dòng)邊緣保護(hù)技術(shù)向更精細(xì)、更可靠的方向演進(jìn)，為超薄硅片的規(guī)?；瘧?yīng)用提供支撐。

減薄后處理

在硅片減薄工藝中，后處理環(huán)節(jié)是確保薄硅片性能與可靠性的關(guān)鍵步驟。機(jī)械研磨后，硅片表面雖經(jīng)粗研磨與精研磨兩階段處理，仍存在較明顯的粗糙度、晶格損傷及殘余應(yīng)力，尤其當(dāng)厚度降至100μm以下時(shí)，這些問(wèn)題會(huì)顯著影響后續(xù)工藝兼容性與器件性能。因此，需通過(guò)針對(duì)性后處理技術(shù)優(yōu)化表面質(zhì)量，消除應(yīng)力集中，提升機(jī)械強(qiáng)度。

超精細(xì)研磨采用亞微米級(jí)研磨液，以純機(jī)械摩擦方式緩慢去除表面損傷層，雖能降低損傷厚度，但受限于物理作用機(jī)制，無(wú)法徹底消除缺陷，且表面粗糙度改善有限。CMP則結(jié)合機(jī)械研磨與化學(xué)腐蝕，通過(guò)研磨墊與化學(xué)漿液的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)表面平整度，可徹底去除損傷層并顯著降低殘余應(yīng)力，但工藝成本較高，適用于高精度場(chǎng)景。干拋光摒棄研磨顆粒與拋光液，僅依賴拋光墊的機(jī)械作用降低粗糙度，工藝簡(jiǎn)單且成本低，但效率較低，對(duì)深層損傷的去除效果較弱。濕法化學(xué)刻蝕通過(guò)旋涂或浸入式工藝，利用化學(xué)溶液對(duì)損傷層進(jìn)行選擇性腐蝕，可徹底消除晶格缺陷，但表面光潔度控制難度較大；干法化學(xué)刻蝕（如等離子體刻蝕）則通過(guò)活性離子與硅片表面的反應(yīng)去除損傷，具有更好的工藝可控性，但同樣面臨光潔度優(yōu)化的挑戰(zhàn)。

值得注意的是，減薄后硅片的機(jī)械強(qiáng)度與殘余應(yīng)力密切相關(guān)。以厚度300μm的未處理硅片為例，其破壞強(qiáng)度約為20N，可滿足常規(guī)工藝需求；但當(dāng)厚度降至100μm時(shí)，未經(jīng)后處理的硅片強(qiáng)度將急劇下降，難以支撐切割、鍵合等后續(xù)操作。研究表明，通過(guò)等離子體刻蝕去除應(yīng)力層，可將300μm以下硅片的強(qiáng)度提升近一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)顯著降低最大變形半徑（達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)）。此外，針對(duì)切割工藝中的應(yīng)力集中問(wèn)題，可采用"先刻蝕劃片槽后減薄"的工藝流程，通過(guò)預(yù)先去除切口側(cè)壁的應(yīng)力集中區(qū)域，有效避免切片過(guò)程對(duì)芯片強(qiáng)度的負(fù)面影響。

近期行業(yè)動(dòng)態(tài)顯示，減薄后處理技術(shù)正朝著高效、低損傷方向演進(jìn)。某國(guó)際設(shè)備廠商推出集成等離子體刻蝕與化學(xué)清洗功能的新型后處理設(shè)備，可在單臺(tái)機(jī)臺(tái)上完成損傷層去除與表面清潔，將工藝時(shí)間縮短30%以上。同時(shí)，學(xué)術(shù)界開(kāi)發(fā)出基于納米流體技術(shù)的濕法刻蝕工藝，通過(guò)調(diào)控化學(xué)溶液的流變特性，在保證損傷層徹底去除的同時(shí)，將表面粗糙度控制在0.5nm以下。此外，環(huán)保型CMP拋光液的研發(fā)成為熱點(diǎn)，某材料企業(yè)推出無(wú)磷、低揮發(fā)性的新型拋光液，在維持高去除速率的同時(shí)，將廢水處理成本降低40%，符合半導(dǎo)體制造的綠色化趨勢(shì)。這些進(jìn)展共同推動(dòng)減薄后處理技術(shù)向更精細(xì)、更集成的方向發(fā)展，為超薄硅片的規(guī)模化應(yīng)用提供支撐。