CN106584263B - 基于纳米金刚石颗粒的大规模芯片减薄方法 - Google Patents

基于纳米金刚石颗粒的大规模芯片减薄方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种基于纳米金刚石颗粒的大规模芯片纯机械无化学式减薄方法，属于柔性可延展光子/电子器件、半导体以及微电子技术领域。本发明方法利用纳米金刚石颗粒作为磨削材料纯机械无化学式减薄各种芯片材料(电子、光子芯片等)；在减薄过程中，通过改变纳米金刚石的粒径来调控粗糙、中度、精细研磨以及抛光；通过调控芯片托盘的芯片槽的大小来实现不同尺寸芯片的大规模减薄。本发明方法适用于各种芯片材料大规模的减薄，同时适用于减薄到任意厚度，最终厚度可达到10μm左右，能够很好地契合柔性可延展光子/电子器件所需的器件厚度。

Description

基于纳米金刚石颗粒的大规模芯片减薄方法
技术领域
本发明涉及柔性光子/电子芯片、半导体芯片、微电子芯片制造领域，具体涉及一种采用纳米金刚石颗粒大规模减薄各种光子、电子等芯片的技术。
背景技术
自2011年《科学》报道类皮肤电子工作以来，无机柔性可延展光子/电子器件受到了研究者的广泛关注。目前，无机柔性光子/电子器件采用转印技术将无机半导体功能部分从生长基体转移到柔性衬底上，其兼具无机半导体良好的物理性能和有机物优越的机械性能。为达到器件具有可弯曲的良好力学性能的目的，无机半导体功能部分须达到一定的微/纳米级厚度。传统的转印技术要求在功能层和衬底之间加入牺牲层材料，通过刻蚀牺牲层并用图章剥离功能层来达到无机半导体与有机柔性衬底的巧妙结合。然而传统转印技术适用于材料级柔性器件制备，若芯片级柔性器件仍采用这种技术，化学刻蚀牺牲层的过程会造成芯片的功能层损坏，同时传统的转印技术不能大规模制备芯片级柔性器件，阻碍柔性器件的集成化发展。
目前半导体工艺中大多采用机械化学相结合的方法来减薄半导体器件，化学试剂会对器件功能部分造成损害，同时现有技术不能使器件达到柔性器件需要的超薄厚度来满足柔性器件的良好机械机制。基于纳米金刚石颗粒的大规模芯片纯机械无化学方式减薄技术能够有效地减薄光子/电子芯片至柔性电子需要的超薄厚度，同时不改变无机芯片良好的性能，进而实现柔性光子/电子器件的大规模制备。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于纳米金刚石颗粒的大规模芯片纯机械无化学式减薄技术，以实现柔性无机光子/电子器件无损害、大规模芯片级的制备。
本发明的技术方案如下：
一种基于纳米金刚石颗粒的大规模芯片纯机械无化学式减薄方法，包括以下步骤：
1)根据芯片的尺寸及形状在芯片托盘上加工出芯片槽，然后将待减薄的芯片粘结到芯片槽中；
2)将芯片托盘的底面(即不带有芯片的一面)黏附于陶瓷盘上；
3)制备聚晶、类球状纳米金刚石颗粒，并通过输送管道输送金刚石颗粒到薄盘上，并使其均匀布满在减薄盘；
4)将黏附了芯片托盘的陶瓷盘安放到减薄盘上，其中芯片朝下与金刚石颗粒接触，然后在陶瓷盘上施加均布载荷，并调整减薄盘和陶瓷盘的旋转速度，通过金刚石颗粒研磨芯片来进行减薄，具体采用等级递进流水线式减薄方式：即根据对减薄速度和减薄后芯片质量的要求，依次选择从大到小不同粒径的金刚石颗粒进行渐进式减薄，金刚石颗粒的粒径越大，减薄的速度越快；金刚石颗粒的粒径越小，对芯片的损伤越小；
5)除去陶瓷盘和芯片托盘之间的粘结剂，将芯片托盘加热，使芯片与托盘分离，再用中性有机溶剂清洗芯片，并将芯片转移。
本发明的核心技术在于步骤4)采用等级递进流水线式减薄方式，通过管道输送金刚石颗粒到减薄盘进行补给。金刚石颗粒粒径的大小决定着芯片减薄的速度，例如在其他等同条件下，1250nm的金刚石颗粒减薄速度远远大于50nm的金刚石颗粒减薄速度。同时减薄过程中，金刚石颗粒粒径的大小决定着芯片减薄后的质量，1250nm的金刚石颗粒减薄后的芯片成品率远远低于50nm的金刚石颗粒减薄后的芯片成品率。另外，如果只采用大粒径的金刚石颗粒减薄，不可能得到10微米左右的芯片，但是小粒径的金刚石颗粒减薄的速度很慢，不能满足工业高效率的要求，所以采用大粒径金刚石颗粒快速减薄，再采用小粒径金刚石颗粒后续减薄来减少减薄对芯片的损伤，进而保证成品率，本发明的方法采用100-200nm以及40-80nm粒径的金刚石颗粒进行最后的减薄，实现柔性无机光子/电子器件的无损害减薄。
另一方面，优选的，不同粒径范围的金刚石颗粒要匹配不同硬度的减薄盘，例如：当金刚石颗粒粒径在1000-2000nm时，使用4-7.5莫氏硬度的减薄盘(例如铁盘)；当金刚石颗粒粒径在500-1000nm时，使用2-4莫氏硬度的减薄盘(例如铜盘)；当金刚石颗粒粒径在500nm以下时，使用1-2莫氏硬度的减薄盘(例如锡盘)。
如果要求兼顾减薄速度以及减薄后芯片的质量，同时想要得到超薄芯片(例如厚度在10微米左右)，可以参考如下步骤a至f的渐进式减薄方式，能够很好地兼顾减薄速度以及超薄芯片的成品率，也可以选择性地进行步骤a至f中的若干步骤，或增加更多的步骤。
步骤a：将陶瓷盘安放在一号减薄盘上并施加均布载荷，一号减薄盘上的金刚石颗粒的粒径在1250-2000nm左右，此步骤为粗糙减薄，减薄的速度快但损伤大，预期减薄的芯片厚度至h1；
步骤b：将陶瓷盘移动至二号减薄盘上并施加均布载荷，二号减薄盘上的金刚石颗粒的粒径为1000-1250nm左右，此步骤为中度减薄，减薄的速度较快并有一定的损伤，预期减薄的芯片厚度至h2；
步骤c：将陶瓷盘移动至三号减薄盘上并施加均布载荷，三号减薄盘上的金刚石颗粒的粒径为800-1000nm左右，此步骤为轻微减薄，减薄的速度慢有一定的损伤，预期减薄的芯片厚度至h3；
步骤d：将陶瓷盘移动至四号减薄盘上并施加均布载荷，四号减薄盘上的金刚石颗粒的粒径为500-800nm左右，此步骤为精细减薄，减薄的速度慢有较小的损伤，预期减薄的芯片厚度至h4；
步骤e：将陶瓷盘移动至五号减薄盘上并施加均布载荷，五号减薄盘上的金刚石颗粒的粒径为100-200nm左右，此步骤为超精细减薄，减薄的速度较慢有很小的损伤，预期减薄的芯片厚度至h5；
步骤f：将陶瓷盘移动至六号减薄盘上并施加均布载荷，六号减薄盘上的金刚石颗粒的粒径为40-80nm左右，此步骤为抛光减薄，几乎无减薄的速度和损伤，预期减薄的芯片厚度至h6。
步骤a至f中的hi可根据实际情况进行具体设定。如果要兼顾减薄速度以及减薄后芯片的质量，同时想要得到超薄芯片(例如厚度在10微米左右)，可参考本发明具体实施方式中设定的参考厚度，若要满足其他减薄需求，可以根据减薄需求进行调整。如果不要求保证芯片减薄后的质量，只要求减薄速度，可以采取步骤a、b、c；如果不要求芯片减薄的厚度，只要求减薄后芯片的质量，可以采取步骤e和f；如果要求减薄速度以及减薄后芯片的质量，但不要求很薄的厚度(例如厚度在50微米以上)，可以采取步骤a、c、f；如果要求减薄速度以及减薄后芯片的质量，同时想要得到较薄芯片(例如厚度在30-50微米)，可以采取步骤a、c、d、f；如果要求减薄速度以及减薄后芯片的质量，同时想要得到超薄芯片(例如厚度在10微米及其以下)，可以采取步骤a、b、c、d、e、f渐进式的减薄方式，能够很好的兼顾减薄速度以及超薄芯片的成品率；还可以增加步骤，利用更多种粒径的金刚石颗粒，颗粒粒径分布在2000nm至1nm。
在减薄操作时，对陶瓷盘施加的均布载荷，以及减薄盘和陶瓷盘的旋转速度可以根据实际情况(包括芯片的类型以及减薄速度要求)进行合理的调控，例如在陶瓷盘上施加每个芯片承受的载荷为0.5-1.5KPa的均布载荷，陶瓷盘和减薄盘的旋转速度分别为30-80rpm和30-40rpm。
进一步的，在步骤1)中，芯片槽的形状可以是圆形、方形、长方形等，采用有机溶剂以及去离子水依次清洗待减薄的芯片，然后在芯片槽中注入少量的粘结剂(包括但不限于水杨酸苯酯)，采用贴片技术将各尺寸及形状的芯片放置于对应的芯片槽中，加热芯片托盘，并加压后冷却，使芯片贴合到芯片槽中。
步骤2)中可以在陶瓷盘上均匀涂覆粘结剂，将芯片托盘底面黏附于陶瓷盘上。
在步骤3)中通过输送管道输送金刚石颗粒到减薄盘上，旋转减薄盘，在整个减薄过程中，采用修正环促使金刚石颗粒均匀地布满整个减薄盘。
步骤5)用中性有机溶剂清洗芯片时，芯片会依托在芯片托盘的芯片槽中，可用柔性图章选择性转移不同功能的芯片至特定基底上。
本发明利用纳米金刚石颗粒作为磨削材料纯机械无化学式减薄各种芯片材料(电子、光子芯片等)；在减薄过程中，通过改变纳米金刚石的粒径来调控粗糙、中度、精细研磨以及抛光；通过调控芯片托盘的芯片槽的大小来实现不同尺寸芯片的大规模减薄。本发明方法适用于各种芯片材料大规模的减薄，同时适用于减薄到任意厚度，最终厚度可达到10μm及其以下，能够很好地契合柔性可延展光子/电子器件所需的器件厚度。
附图说明
图1是本发明中提出的一种大规模减薄芯片的托盘及芯片槽示意图。
图2是本发明中提出的一种大规模纯机械无化学减薄芯片的减薄装置示意图。
图3是本发明中提出的一种基于纳米金刚石颗粒的大规模芯片纯机械无化学减薄技术流程图。
图中：1-芯片托盘；2-芯片槽；3-陶瓷盘；4-聚晶、类球状纳米金刚石颗粒；5-减薄盘；6-旋转机器；7-均布载荷；8-芯片。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步说明本发明的具体内容。
图2是本发明大规模纯机械无化学式减薄芯片的装置示意图，包括安装在旋转机器6上的减薄盘5，以及芯片托盘1、陶瓷盘3等；在芯片托盘1的一面具有根据芯片8的尺寸和形状设计的芯片槽2(见图1)，芯片8粘结在芯片槽2中，芯片托盘1的另一面则黏附于陶瓷盘3上；芯片托盘1和陶瓷盘3安放在减薄盘5上，具有芯片8的一面朝下，减薄盘5上布满聚晶、类球状纳米金刚石颗粒4；通过在陶瓷盘3上施加均布载荷7，并调控减薄盘5和陶瓷盘3的旋转速度，来实现对芯片8的减薄。具体操作(参见图3)包括以下步骤：
1)根据芯片8的尺寸以及形状设计芯片托盘1上的芯片槽2，芯片槽2的形状包括但不限于圆形、方形、长方形等，如图1所示；
2)采用有机溶剂以及去离子水依次清洗芯片8；
3)在芯片托盘1的芯片槽2中注入少量的粘结剂，所述粘结剂可以是水杨酸苯酯；
4)采用贴片技术将各种尺寸及形状的芯片8放置于对应的芯片槽2中，加热芯片托盘1并加压后冷却；
5)制备聚晶、类球状纳米金刚石颗粒4，通过输送管道将金刚石颗粒4输送到减薄盘5上，使用旋转机器6驱动减薄盘5旋转，并采用修正环促使金刚石颗粒4布满整个减薄盘5，金刚石颗粒4通过输送管道补给；
6)在陶瓷盘3上均匀涂覆粘结剂，将芯片托盘1黏附于陶瓷盘3上后安放在减薄盘5上，在陶瓷盘3上施加均布载荷7，通过调控陶瓷盘3上施加的均布载荷7和减薄盘5的旋转速度来控制减薄参数；
7)采用等级递进流水线式减薄技术，减薄步骤如下：
步骤1：将陶瓷盘3安放在一号减薄盘上并施加均布载荷7，一号减薄盘可以是铁盘，一号减薄盘上的金刚石颗粒的直径为1250-2000nm左右，此步骤为粗糙减薄，减薄的速度快但损伤大，预期减薄的芯片厚度至h1，h1在100-500μm左右，芯片厚度的测量采用台阶仪；
步骤2：将陶瓷盘3移动至二号减薄盘上并施加均布载荷7，二号减薄盘可以是铁盘，二号减薄盘上的金刚石颗粒的直径为1000-1250nm左右，此步骤为中度减薄，减薄的速度较快并有一定的损伤，预期减薄的芯片厚度至h2，h2在60-100μm左右，芯片厚度的测量采用台阶仪；
步骤3：将陶瓷盘3移动至三号减薄盘上并施加均布载荷7，三号减薄盘可以是铜盘，三号减薄盘上的金刚石颗粒的直径为800-1000nm左右，此步骤为轻微减薄，减薄的速度慢有一定的损伤，预期减薄的芯片厚度至h3，h3在40-60μm左右，芯片厚度的测量采用台阶仪；
步骤4：将陶瓷盘3移动至四号减薄盘上并施加均布载荷7，四号减薄盘可以是铜盘，四号减薄盘上的金刚石颗粒的直径为500-800nm左右，此步骤为精细减薄，减薄的速度慢有较小的损伤，预期减薄的芯片厚度至h4，h4在15-30μm左右，芯片厚度的测量采用台阶仪；
步骤5：将陶瓷盘3移动至五号减薄盘上并施加均布载荷7，五号减薄盘可以是锡盘，五号减薄盘上的金刚石颗粒的直径为100-200nm左右，此步骤为超精细减薄，减薄的速度较慢有很小的损伤，预期减薄的芯片厚度至h5，h5在12-14μm左右，芯片厚度的测量采用台阶仪；
步骤6：将陶瓷盘3移动至六号减薄盘上并施加均布载荷7，六号减薄盘可以是锡盘，六号减薄盘上的金刚石颗粒的直径为1-40nm左右，此步骤为抛光减薄，几乎无减薄的速度和损伤，预期减薄的芯片厚度至h6，h6在10μm及其以下，芯片厚度的测量采用台阶仪；
8)除去陶瓷盘3和芯片托盘1之间的粘结剂，并将芯片托盘1移放至加热板上，加热到一定的温度，使芯片8与芯片托盘1分离；
9)用有机中性溶剂清洗芯片，此时芯片8会依托在托盘的芯片槽2中，用柔性图章选择性转移不同功能的芯片至柔性电路特定位置。
具体实施例如下：
实施例一：采用本发明的减薄技术大规模减薄绿光LED芯片
本实施例是采用基于纳米金刚石颗粒大规模芯片纯机械无化学式减薄技术减薄绿光LED芯片。
1)根据绿光LED芯片8的尺寸以及形状设计芯片托盘1上的芯片槽2，每次减薄的绿光LED芯片的数量可达到500片；
2)采用丙酮有机溶剂以及去离子水依次清洗绿光LED芯片8；
3)在芯片托盘1的芯片槽2中注入少量的水杨酸苯酯；
4)采用贴片技术将各尺寸及形状的绿光LED芯片8放置于对应的芯片槽2中，加热芯片托盘1至70℃，加载250—300KPa均布载荷均布载荷后冷却2分钟；
5)制备聚晶、类球状纳米金刚石颗粒4，通过输送管道输送金刚石颗粒4到减薄盘5上，使用旋转机器6驱动减薄盘5旋转，旋转速度为5-15rpm并采用修正环促使金刚石颗粒4布满整个减薄盘5，金刚石颗粒4通过输送管道补给；
6)在陶瓷盘3上均匀涂覆粘结剂，将芯片托盘1黏附于陶瓷盘3上后安放在减薄盘5上，在陶瓷盘3上施加每个芯片承受的载荷为0.5-1.5KPa的均布载荷7，施加的总载荷需要根据芯片的数量进行调整，陶瓷盘3和减薄盘5的旋转速度分别为500-800rpm和30-40rpm；
7)采用等级递进流水线式减薄技术，减薄步骤如下：
步骤1：将陶瓷盘3安放在一号铁盘上并施加均布载荷7，一号铁盘上的金刚石颗粒4的直径为1250nm左右，此步骤为粗糙减薄，减薄的速度快但损伤大，采用台阶仪测量绿光LED芯片8的厚度至100μm左右时停止粗糙减薄；
步骤2：将陶瓷盘3移动至二号铁盘上并施加均布载荷7，二号铁盘上的金刚石颗粒4的直径为1030nm左右，此步骤为中度减薄，减薄的速度较快并有一定的损伤，采用台阶仪测量绿光LED芯片8的厚度至60μm左右时停止中度减薄；
步骤3：将陶瓷盘3移动至三号铜盘上并施加均布载荷7，三号铜盘上的金刚石颗粒4的直径为800nm左右，此步骤为轻微减薄，减薄的速度慢有一定的损伤，采用台阶仪测量绿光LED芯片8的厚度至40μm左右时停止轻微减薄；
步骤4：将陶瓷盘3移动至四号铜盘上并施加均布载荷，四号铜盘上的金刚石颗粒4的直径为500nm左右，此步骤为精细减薄，减薄的速度慢有较小的损伤，采用台阶仪测量绿光LED芯片8的厚度至20μm左右时停止精细减薄；
步骤5：将陶瓷盘3移动至五号锡盘上并施加均布载荷7，五号锡盘上的金刚石颗粒4的直径为100nm左右，此步骤为超精细减薄，减薄的速度较慢有很小的损伤，采用台阶仪测量绿光LED芯片8的厚度至13μm左右时停止超精细减薄；
步骤6：将陶瓷盘3移动至六号锡盘上并施加均布载荷7，六号锡盘上的金刚石颗粒4的直径为50nm左右，此步骤为抛光减薄，几乎无减薄的速度和损伤，采用台阶仪测量绿光LED芯片8的厚度至10μm左右时停止抛光减薄；
8)用丙酮除去陶瓷盘3和芯片托盘1之间的粘结剂，并将芯片托盘1移放至加热板上，加热到70℃，使绿光LED芯片8与芯片托盘1分离；
9)用有机中性溶剂清洗绿光LED芯片8，此时绿光LED芯片8会依托在托盘的芯片槽2中，用柔性图章将绿光LED芯片8转移到一定的基底上，获得10μm左右的功能正常绿光LED芯片8，通过扫描电子显微镜扫描绿光LED芯片的截面得到芯片的最终精确厚度。

Claims (8)

1.一种基于纳米金刚石颗粒的大规模芯片减薄方法，根据以下步骤制备厚度在10微米或其以下的超薄芯片：
1)根据芯片的尺寸及形状在芯片托盘上加工出芯片槽，然后将待减薄的芯片粘结到芯片槽中；
2)将芯片托盘的底面黏附于陶瓷盘上；
3)制备聚晶、类球状纳米金刚石颗粒，并通过输送管道输送金刚石颗粒到薄盘上，并使其均匀布满在减薄盘；
4)将黏附了芯片托盘的陶瓷盘安放到减薄盘上，其中芯片朝下与金刚石颗粒接触，然后在陶瓷盘上施加均布载荷，并调整减薄盘和陶瓷盘的旋转速度，通过金刚石颗粒研磨芯片来进行减薄，具体采用等级递进流水线式减薄方式：即利用粒径分布在2000nm至1nm范围内的多种不同粒径的金刚石颗粒，根据对减薄速度和减薄后芯片质量的要求，依次选择从大到小不同粒径的金刚石颗粒进行渐进式减薄，具体如下：
a：将陶瓷盘安放在一号减薄盘上并施加均布载荷，一号减薄盘上的金刚石颗粒的粒径在1250-2000nm，减薄芯片厚度至100-500μm；
b：将陶瓷盘移动至二号减薄盘上并施加均布载荷，二号减薄盘上的金刚石颗粒的粒径为1000-1250nm，减薄芯片厚度至60-100μm；
c：将陶瓷盘移动至三号减薄盘上并施加均布载荷，三号减薄盘上的金刚石颗粒的粒径为800-1000nm，减薄芯片厚度至40-60μm；
d：将陶瓷盘移动至四号减薄盘上并施加均布载荷，四号减薄盘上的金刚石颗粒的粒径为500-800nm，减薄芯片厚度至15-30μm；
e：将陶瓷盘移动至五号减薄盘上并施加均布载荷，五号减薄盘上的金刚石颗粒的粒径为40-200nm，减薄芯片厚度至12-14μm；
f：将陶瓷盘移动至六号减薄盘上并施加均布载荷，六号减薄盘上的金刚石颗粒的粒径为1-40nm，减薄芯片厚度至10微米或其以下；
5)除去陶瓷盘和芯片托盘之间的粘结剂，将芯片托盘加热，使芯片与托盘分离，再用中性有机溶剂清洗芯片，并将芯片转移。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤4)中，当使用的金刚石颗粒粒径在1000-2000nm时，采用4-7.5莫氏硬度的减薄盘；当使用的金刚石颗粒粒径在500-1000nm时，采用2-4莫氏硬度的减薄盘；当使用的金刚石颗粒粒径在500nm以下时，采用1-2莫氏硬度的减薄盘。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)进行减薄操作时，在陶瓷盘上施加每个芯片承受的载荷为0.5-1.5KPa的均布载荷，陶瓷盘和减薄盘的旋转速度分别为30-80rpm和30-40rpm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤4)的减薄过程中通过管道输送金刚石颗粒到减薄盘上进行补给。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中采用有机溶剂和去离子水依次清洗待减薄的芯片，然后在芯片槽中注入少量的粘结剂，采用贴片技术将各尺寸及形状的芯片放置于对应的芯片槽中，加热芯片托盘，并加压后冷却，使芯片贴合到芯片槽中。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)在陶瓷盘上均匀涂覆粘结剂，将芯片托盘底面黏附于陶瓷盘上。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)通过输送管道输送金刚石颗粒到减薄盘上，通过旋转机器驱动减薄盘旋转并控制旋转速度，在整个减薄过程中，采用修正环促使金刚石颗粒均匀地布满整个减薄盘。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)用中性有机溶剂清洗芯片时，芯片会依托在芯片托盘的芯片槽中，使用柔性图章选择性转移不同功能的芯片至特定基底上。
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