文章來源：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)致芯片面積占比過高，且多層堆疊后總厚度可能達毫米級，與智能手機等應(yīng)用對芯片厚度的嚴苛限制（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，實現(xiàn)更小直徑TSV，又解決了堆疊厚度與封裝兼容性問題。

機械研磨

在硅片減薄工藝中，機械研磨作為核心環(huán)節(jié)，依托砂輪對硅片的機械磨削作用實現(xiàn)厚度控制，其過程需配合磨削液進行潤滑與降溫。與化學(xué)機械拋光（CMP）不同，機械研磨以物理磨削為主，磨削液僅承擔(dān)冷卻與潤滑功能，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，但會造成較深的表面損傷層（如325目砂輪磨削后損傷層達7~10μm）與殘余應(yīng)力；精研磨則換用細粒徑砂輪（2000目左右），進一步將厚度降至75~100μm，此時表面損傷層可大幅降低至0.5μm左右。若后續(xù)需減薄至更薄（如30~50μm），還需結(jié)合機械拋光或CMP去除殘留損傷層，以優(yōu)化機械強度并減小翹曲。

設(shè)備方面，早期封裝領(lǐng)域使用的減薄機多采用砂輪平行于硅片表面的進給方式，通過真空吸盤固定多片硅片并旋轉(zhuǎn)工具臺，砂輪橫向移動磨削。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給設(shè)計，砂輪與硅片相向旋轉(zhuǎn)，覆蓋整個磨削區(qū)域，使受力均勻，可穩(wěn)定實現(xiàn)幾十微米級的減薄。盡管單次僅能處理一片硅片，但高減薄速率（達每分鐘幾十至一百微米）有效彌補了效率短板。

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)速及進給速度相關(guān)：同一砂輪下，進給速度越快，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5nm左右。值得注意的是，減薄速率與機械強度存在權(quán)衡關(guān)系——研究表明，減薄速度降低50%，平均機械強度可提升約56%，因此高精度應(yīng)用需平衡效率與可靠性。

硅片固定方式對厚度均勻性至關(guān)重要。減薄前硅片通過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，既避免過厚引入誤差，又防止過薄無法補償硅片自身形變。

近年來，隨著3D IC技術(shù)向更薄、更高集成度發(fā)展，機械研磨工藝持續(xù)演進。一方面，設(shè)備精度提升成為重點，部分廠商推出搭載閉環(huán)控制系統(tǒng)的研磨機，通過實時監(jiān)測砂輪進給量與硅片厚度，動態(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)速與進給速度的匹配，在保證減薄效率的同時，顯著提升了薄硅片的機械強度與可靠性。

此外，環(huán)保型磨削液的推廣應(yīng)用也成為行業(yè)趨勢，通過低揮發(fā)性、高潤滑性的配方設(shè)計，在滿足工藝需求的同時降低環(huán)境負擔(dān)。這些進展共同推動了機械研磨技術(shù)在超薄硅片制備中的適用性，為3D IC的規(guī)模化應(yīng)用提供了關(guān)鍵支撐。

邊緣保護

在硅片減薄工藝中，邊緣保護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)力集中與機械強度顯著下降，成為減薄后碎裂的主要誘因。此外，臨時鍵合過程中若存在對準(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范圍，進一步加劇邊緣脆弱性，給運輸與后續(xù)制程帶來挑戰(zhàn)。

針對上述問題，行業(yè)已形成多種邊緣保護策略。其一為邊緣填充臨時鍵合膠：通過在硅片與輔助圓片邊緣界面處涂覆或噴涂高黏附性臨時鍵合材料，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鍵合的場景，但對鍵合對準(zhǔn)精度要求較高，且需控制膠量以平衡成本與保護效果。其二為切邊處理：在減薄前采用砂輪對硅片鍵合面邊緣進行預(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，但對厚度低于100μm的超薄硅片保護效果顯著，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景。值得注意的是，增大輔助圓片尺寸對改善邊緣碎裂效果有限，實際應(yīng)用中較少采用。

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

此外，學(xué)術(shù)界提出基于原子層沉積（ALD）的邊緣強化方案，通過在硅片邊緣沉積超薄應(yīng)力緩沖層，進一步降低碎裂風(fēng)險，目前該技術(shù)已進入小試階段，未來有望與現(xiàn)有工藝形成互補。這些進展共同推動邊緣保護技術(shù)向更精細、更可靠的方向演進，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，這些問題會顯著影響后續(xù)工藝兼容性與器件性能。因此，需通過針對性后處理技術(shù)優(yōu)化表面質(zhì)量，消除應(yīng)力集中，提升機械強度。

超精細研磨采用亞微米級研磨液，以純機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制，無法徹底消除缺陷，且表面粗糙度改善有限。CMP則結(jié)合機械研磨與化學(xué)腐蝕，通過研磨墊與化學(xué)漿液的協(xié)同作用，實現(xiàn)納米級表面平整度，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，適用于高精度場景。干拋光摒棄研磨顆粒與拋光液，僅依賴拋光墊的機械作用降低粗糙度，工藝簡單且成本低，但效率較低，對深層損傷的去除效果較弱。濕法化學(xué)刻蝕通過旋涂或浸入式工藝，利用化學(xué)溶液對損傷層進行選擇性腐蝕，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，減薄后硅片的機械強度與殘余應(yīng)力密切相關(guān)。以厚度300μm的未處理硅片為例，其破壞強度約為20N，可滿足常規(guī)工藝需求；但當(dāng)厚度降至100μm時，未經(jīng)后處理的硅片強度將急劇下降，難以支撐切割、鍵合等后續(xù)操作。研究表明，通過等離子體刻蝕去除應(yīng)力層，可將300μm以下硅片的強度提升近一個數(shù)量級，同時顯著降低最大變形半徑（達兩個數(shù)量級）。此外，針對切割工藝中的應(yīng)力集中問題，可采用"先刻蝕劃片槽后減薄"的工藝流程，通過預(yù)先去除切口側(cè)壁的應(yīng)力集中區(qū)域，有效避免切片過程對芯片強度的負面影響。

近期行業(yè)動態(tài)顯示，減薄后處理技術(shù)正朝著高效、低損傷方向演進。某國際設(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，可在單臺機臺上完成損傷層去除與表面清潔，將工藝時間縮短30%以上。同時，學(xué)術(shù)界開發(fā)出基于納米流體技術(shù)的濕法刻蝕工藝，通過調(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，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，某材料企業(yè)推出無磷、低揮發(fā)性的新型拋光液，在維持高去除速率的同時，將廢水處理成本降低40%，符合半導(dǎo)體制造的綠色化趨勢。這些進展共同推動減薄后處理技術(shù)向更精細、更集成的方向發(fā)展，為超薄硅片的規(guī)?；瘧?yīng)用提供支撐。