中国粉体网讯  半导体材料从棒材到晶圆再到芯片，减薄工艺起着承上启下的作用。广义的减薄既包含衬底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。

IC制造流程

01.晶圆为什么要减薄

晶圆之所以需要减薄主要考虑三方面原因。

第一，在电路中通电情况下，由于衬底材料及互联金属层存在电阻，芯片会发生热效应。在芯片工作过程中，热效应会导致芯片背面内应力的产生。芯片热量持续的产生会使各金属层之间的热差异性加剧，芯片内应力会进一步增加。芯片损坏、破碎的主要原因之一就是内应力的增加。因此，通过背面减薄工艺，可以减小芯片电阻，提高芯片的热扩散效率，将芯片损坏率降到最低，进而提高了集成电路的可靠性和成品率。

第二，电子产品发展越来越趋向于多功能集成化和小型化，对便携的要求越来越高。这就要求电路芯片不断向高密度、高性能和轻薄短小方向发展，这需要不断地降低芯片封装的厚度。以存储器为例，其封装形式主要为叠层封装。随着存储容量的不断增大，封装的层数目前已达到96层以上，为满足IC先进封装要求，在封装整体厚度不变甚至减小的趋势下，堆叠中各层芯片的厚度就不可避免地需要减薄。一般来说，较为先进的多层封装所用的芯片厚度都在100μm以下甚至30μm以下，比一张A4打印纸还要薄（一张A4打印纸的厚度约104μm）。

图片来源：天科合达

我们知道，晶圆或芯片制造是在硅片基础上进行的，但是呢，目前为了降低集成电路芯片的制造成本，硅片的直径已经达到300mm甚至450mm。与此同时，为了增强大直径硅片的强度，硅片的厚度也随之增加，300mm大直径硅片的厚度达到775μm，450mm硅片的厚度达到925μm。

这个硅片厚度太厚了，离芯片所需的厚度还有很大的距离，因此，在晶圆表面电路制作结束以后，为了达到所要求的厚度，占总厚度90％左右的衬底材料大部分需要被除掉，即需要对芯片背面进行减薄。

第三，划片工艺是集成电路制造工艺中不可或缺的一步，而经过减薄工艺之后的晶片就变得更为容易分离，这对于提高芯片的划片质量和成品率是非常有利的。

02.晶圆减薄的好处

总结来讲，减薄后的晶圆有下列优点：

（1）热扩散效率被显著提高。随着半导体结构越来越复杂、集成度越来越高，晶体管体积不断减小，散热已逐渐成为影响芯片性能和寿命的关键因素，薄的芯片更有利于热量的散发；

（2）减小芯片封装体积。微电子产品日益向轻薄短小的方向发展，厚度的减小也相应地减小了芯片体积，这也是适应发展趋势的必然之路；

（3）减薄的厚度能够提高机械性能。减薄后的芯片机械性能显著提高，硅片越薄，其柔韧性越好，受外力冲击引起的应力也越小，破片率也会相应降低；

50μm厚度下发生卷曲的300mm晶圆

（4）提高电气性能。晶圆的厚度越薄，器件内部以及器件之间的连线将越短，器件导通电阻将越低，信号延迟时间越短，从而实现更高的性能。

（5）减轻封装划片时的加工量。减薄以后再进行切割，可以减小划片(Dicing)时的加工量，降低芯片破边的发生率。

03.如何减薄？

晶圆在减薄之前需要在正面（图形层）固定一层背磨胶带。背磨胶带的主要作用是固定晶圆和保护晶圆的图形层。接着将晶圆翻转，先对晶圆进行粗磨。因为晶圆的厚度远大于裸芯片的厚度，考虑到加工效率，粗磨采用粒度为350-500目的金刚砂轮对晶圆进行快速的磨削，磨削量占总减薄量的90%。经过粗磨的晶圆表面存在大量缺陷和裂纹，因而在粗磨后需要对晶圆进行精磨。精磨则采用粒度为2000-3000目的金刚砂轮对晶圆进行更细致的研磨以去除粗磨产生的损伤层。磨削完成后，对晶圆进行清洗干燥，去除背磨胶带后就得到了减薄后的晶圆。

晶圆背面减薄的流程示意图

精磨在去除粗磨产生的损伤层时不可避免地也会引入微裂纹和微缺陷，当晶圆较薄时，存留在表面的残余应力则会使减薄后的晶圆发生翘曲变形影响后续工艺。因此，当晶圆的目标厚度或临界尺寸较小时，晶圆在磨削后还会通过后续工艺去除表面的微损伤，降低表面的残余应力。常规的后续工艺包括抛光研磨和刻蚀，其中抛光研磨分为CMP、干式抛光和超精密研磨，刻蚀则又分为湿法刻蚀和干法刻蚀。

小结

在晶圆大型化、芯片超薄化、材料多样化的趋势下，晶圆减薄工艺在IC制造中的作用逐渐凸显，与半导体材料减薄过程相关的研究也不断涌现。

参考来源：

[1]赵海峰.半导体激光器芯片减薄、抛光工艺研究

[2]王淼操.晶圆减薄仿真的应力计算及其应用研究

[3]刘东生.晶圆减薄及背面金属蒸镀制程的研究

[4]衣忠波等.超薄晶圆减薄工艺研究

（中国粉体网/山川）

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