濕法刻蝕應(yīng)對圓片減薄后翹曲問題的探討

李云海，張益平

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 引言

傳統(tǒng)工藝中，減薄工藝僅需將圓片減薄至350 μm或350 μm以上的厚度。為了不斷適應(yīng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，圓片直徑越來越大，當(dāng)150 mm、200 mm甚至300 mm的圓片被減薄到200 μm甚至200 μm以下時，圓片本身的剛性也將慢慢變得不足以使其保持原來平整的狀態(tài)。圓片減薄后的翹曲問題，是后續(xù)工藝過程中如搬運、貼膜等不得不面對的。能否處理好減薄后圓片的翹曲問題，是決定后續(xù)工藝可靠性及穩(wěn)定性至關(guān)重要的一步。

2 翹曲產(chǎn)生的原因及應(yīng)對方法

2.1 翹曲產(chǎn)生原因

由于目前主流的減薄工藝為磨削工藝，其本身就是一種施壓、損傷、破裂、移除的物理性損傷工藝，硅片在減薄過程中通過磨輪與硅片的表面接觸磨削，不斷從晶體表面剝離一些碎粒和細小塊料，以達到降低厚度的目的。這種機械式的剝離方式會不可避免地對圓片本身造成損傷，實際工藝中則主要體現(xiàn)在減薄后圓片背面形成了一定厚度的損傷層。

對于硅片損傷層的理解，一般可以用以下模型來進行闡述：最上面的部分為多晶，為粗糙微碎裂的表面結(jié)構(gòu)；中間部分由上表面帶來的裂紋及其延伸的微裂紋組成；再往下由微裂紋延伸區(qū)域過渡為彈性應(yīng)變區(qū)；最后為完整的晶體結(jié)構(gòu)。具體模型如圖1[1]。

圓片減薄后的翹曲程度，除了受正面布線的影響，完全取決于完整晶體結(jié)構(gòu)層的厚度。當(dāng)此層厚度不再足以支撐整張圓片時，圓片在減薄后就呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)，如圖2。

圖2 2000#磨輪減薄200 mm/100 μm圓片翹曲

2.2 應(yīng)對方法

為了適應(yīng)圓片不斷苛刻的減薄要求，一些主要的磨片機制造商都推出了相應(yīng)的設(shè)備，例如DISCO的DGP8760、TSK的BG300、岡本的GNX300P等，都具有后處理(拋光)功能，達到300 mm/50 μm的加工能力，且該類型的設(shè)備還可和其他設(shè)備實現(xiàn)聯(lián)機，即減薄、貼片和去保護膜在一組設(shè)備內(nèi)完成，降低了后續(xù)工序的加工風(fēng)險。雖然該類設(shè)備性能良好，但是價格昂貴，單臺價格一般都在100萬美元以上，加上聯(lián)機所需設(shè)備價格一般都在200萬美元左右，這大大增加了生產(chǎn)成本[2]。雖然上述設(shè)備制造商找到了圓片減薄后翹曲問題的應(yīng)對之道，但極其高昂的使用成本是我們不得不考慮的實際問題。采用一種簡易并且有效的手段來解決問題，顯然是很有好處的。

濕法刻蝕作為一種較為普遍的刻蝕手段，設(shè)備簡單、價格便宜，在半導(dǎo)體制造工藝中被廣泛應(yīng)用[3]。

3 濕法刻蝕

3.1 腐蝕速率

HNO3/HF混合液作為常用的硅腐蝕液得到廣泛應(yīng)用，但其與硅片的反應(yīng)往往過于劇烈。將HNO3/HF混合液用于減薄后圓片背面損傷層的去除，工藝過程中需對腐蝕速率進行嚴格的把控，研究者通過多種手段控制反應(yīng)速度[4]，通常加入緩蝕劑來降低腐蝕速度，常用的緩蝕劑是水和冰醋酸。

經(jīng)過反復(fù)試驗，得到了較為理想的腐蝕速率。將使用DISCO公司2000#精研磨磨輪減薄的圓片，用HF(40%wt)、HNO3(70%wt)、CH3COOH與水按一定比例混合后的溶液進行腐蝕，不同腐蝕時間后的腐蝕深度見圖3。

圖3 單位時間下的腐蝕深度

由圖3看出，前30 s內(nèi)處于快速反應(yīng)狀態(tài)，腐蝕深度約為1.1 μm。之后就趨于勻速反應(yīng)狀態(tài)，每隔30 s腐蝕深度都約為0.75 μm。

3.2 腐蝕后表面狀態(tài)

圖4為減薄后1000倍顯微鏡下減薄面照片，圖5、圖6、圖7分別為減薄并腐蝕30 s、120 s、180 s后1000倍顯微鏡下減薄面照片。

圖4 2000#磨輪減薄面

由圖4可以看出，只進行減薄的樣品表面較為粗糙，且表面存在較多直線型裂紋、微裂紋分布。由圖5～圖7顯示，隨著腐蝕反應(yīng)的進行，原來樣品表面存在的直線型裂紋、微裂紋開始變寬，隨著反應(yīng)的進一步進行，微小裂紋變得越來越寬，樣品表面原來存在的微裂紋開始被撫平，而原來較深的直線型裂紋則在樣品表面以“V”型槽的形態(tài)留了下來。

3.3 腐蝕結(jié)果分析

根據(jù)研究表明，腐蝕過程中會產(chǎn)生一種活性氧化劑HNO2，這是一個自催化過程[5]。反應(yīng)首先在圓片表面的缺陷處以及其他一些不穩(wěn)定的、發(fā)生反應(yīng)所需激活能少的地方發(fā)生。由于在硅表層，損傷程度由外向內(nèi)越來越小，也就是說發(fā)生反應(yīng)所需的激活能越來越大，因此微裂紋橫向發(fā)展比縱向容易，于是微裂紋變得越來越寬。較淺的微裂紋被消除了，較深的裂紋則繼續(xù)以較寬但也較原先淺的“V”型槽存在。

圖5 2000#磨輪減薄并腐蝕30 s背面

圖6 2000#磨輪減薄并腐蝕120 s背面

圖7 2000#磨輪減薄并腐蝕180 s背面

從腐蝕速率上來看，當(dāng)損傷層逐漸被反應(yīng)掉以后，反應(yīng)速率放緩，但反應(yīng)過程仍以勻速繼續(xù)進行。試驗中，前30 s反應(yīng)較迅速，腐蝕深度約為1.1 μm，可等同理解為圓片表面的損傷層為1.1 μm左右。這與DISCO公司2000#精研磨磨輪所帶來的損傷層厚度約為1 μm的結(jié)果是一致的。試驗結(jié)果顯示，腐蝕去除了圓片減薄帶來的表面缺陷，達到了化學(xué)拋光的效果。

3.4 刻蝕前后翹曲度的對比

取150 mm、200 mm規(guī)格的圓片各15片，采用DISCO公司2000#精研磨磨輪減薄至150 μm后分組進行以下試驗。第1組：取150 mm、200 mm規(guī)格圓片各5片，測量翹曲度；第2組：取150 mm、200 mm規(guī)格圓片各5片，采用上述HF(40%wt)、HNO3(70%wt)、CH3COOH與水的混合液進行腐蝕，反應(yīng)時長60 s，測量翹曲度；第3組：取150 mm、200 mm規(guī)格圓片各5片，采用上述HF(40%wt)、HNO3(70%wt)、CH3COOH與水的混合液進行腐蝕，反應(yīng)時長180 s，測量翹曲度。表1為試驗后圓片翹曲度的統(tǒng)計情況。表1中，從未經(jīng)過腐蝕的第1組試驗數(shù)據(jù)來看，圓片的翹曲情況較為明顯。而經(jīng)過腐蝕的第2、第3組試驗數(shù)據(jù)與第1組數(shù)據(jù)相比，圓片的翹曲情況有了非常大的改善。且第2、3組的試驗數(shù)據(jù)非常接近，表明在圓片損傷層被逐漸反應(yīng)掉以后，腐蝕時間的延長對圓片翹曲度的改善沒有意義。

表1 圓片翹曲度統(tǒng)計

4 結(jié)束語

本文從圓片減薄后產(chǎn)生翹曲的直觀表象入手，分析了產(chǎn)生翹曲問題的根本原因，并采用濕法刻蝕的方式去除了圓片因減薄形成的背面損傷層，改善了圓片減薄后的翹曲問題。

需要指出的是，翹曲問題被關(guān)注得更多的是在大尺寸圓片（200 mm、300 mm）被減薄至150 μm甚至更薄時，而試驗之所以使用150 mm和200 mm規(guī)格減薄至200 μm的圓片進行，更大程度上是考慮了試驗本身的方便性及指導(dǎo)性意義。

[1]Atte Haapalinna. Rotational grinding of silicon waferssub-surface damage inspection[J]. Materials Science and Engineering, 2004, B107：321.

[2]姜健，張政林. 3D封裝中的圓片減薄技術(shù) [J].電子與封裝，2009， 9（9）：1-4，11.

[3]孫俊人，等．電子工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)手冊（7）半導(dǎo)體與集成電路卷[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1991.452.

[4]Hui Wing C. How to prevent a runaway chemical reaction in the isotropic etching of silicon with HF/HNO3/CH3COOH or NA solution[C].Proc of SPIE, 5276, 2004：270-279.

[5]H. Rabhins, B. Schwartz. Chemical Etching of Silicon[J]. J.Electrochem. Soc, 1960, 107：108-111.