CN108942709B - 一种晶圆减薄砂轮及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于晶圆加工技术领域，具体涉及一种低密度晶圆减薄砂轮及其制备方法。所述减薄砂轮，包括如下体积份数的原料：金刚石12‑18份，碳化硅3‑7份，六方氮化硼2‑5份，发泡剂6‑10份，聚酰亚胺树脂35‑45份，偶联剂2‑5份。本发明通过制备一种砂轮低密度的减薄砂轮，此减薄砂轮在具有一定的强度下，降低总体磨料层硬度，减少磨削过程中的压应力，从而降低损伤层厚度，对薄晶片即3D封装技术中的晶圆减薄、操作设备老旧尤为适用；本发明制备的砂轮可以有效降低晶圆损伤层和裂纹，保证良品率。

Description

一种晶圆减薄砂轮及其制备方法

技术领域

本发明属于晶圆加工技术领域，具体涉及一种低密度的晶圆减薄砂轮及其制备方法。

背景技术

硅单晶被广泛应用于集成电路和光伏产业中，其中集成电路是采用半导体制作工艺，在一块小的单晶硅片上制作出训读晶体管和电容器等元器件，并按照多层布线或隧道布线最终形成完整的电子电路。磨削加工是硅晶体机械加工过程中的必不可少组成部分。当前的电子产品一方面不断向小、轻、薄的方向发展，另一方面不断向系统集成化、功能齐全化等融合化方面发展，近年来随着手机超薄化等其它方面产品的需求，晶圆封装逐渐向3D封装方面发展，此类封装的要点是指在不改变封装体尺寸的前提下，在同一个封装体内于垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术，主要优点是：在尺寸和重量方面，3D设计替代单芯片封装缩小了器件尺寸、减轻了重量。与传统封装相比，使用3D技术可缩短尺寸、减轻重量达40-50倍；在速度方面，3D技术节约的功率可使3D元件以每秒更快的转换速度运转而不增加能耗；硅片后处理等等，实现多功能、高效能；大容量高密度，单位体积上的功能及应用成倍提升以及低成本。

为了实现电子产品芯片的3D封装，在封装整体厚度不变甚至有所降低的趋势下，叠层中所有各层芯片的厚度就需要更薄。晶圆的减薄加工不可避免的会在硅晶体表面产生磨痕，划痕，在硅片表面产生裂纹和不同程度的损伤，磨削引入的损伤影响着晶圆的强度和变形量。而硅片如果减薄至50μm及以下时，会发生变形和破碎，加工难度大；同时，砂轮组配设备的新旧对磨削效果也会有影响，设备越老旧，磨削效果越差。

中国专利公开号CN1951635A，公布日期是2007年4月25日，公布了“一种硬脆基体晶片超精密磨削砂轮”，砂轮磨削去除率高，磨削表面粗糙度低，硬脆晶体基片无划痕、凹坑、微疵点、微裂纹、位错等表面/亚表面损伤，砂轮制作成本低。但是，该专利主要用于常规基体晶片的磨削加工，对于电子产品芯片的3D封装技术，要求基体晶片很薄，该发明的砂轮并不适合这种特殊的晶片磨削加工。

针对电子产品芯片的3D封装技术中的晶圆减薄用砂轮还未有相关报道，因此，对于现有技术，还有进一步改进的必要。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明提供了一种减薄砂轮及其制备方法，配方配料合理，制作的砂轮密度低，可用于3D封装技术中的晶圆减薄。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种晶圆减薄砂轮，包括以下体积份数的原料：金刚石12-18份，碳化硅3-7份，六方氮化硼2-5份，发泡剂6-10份，聚酰亚胺树脂35-45份，偶联剂2-5份。

优选的，金刚石粒径3-7μm，碳化硅粒径1-2.5μm，六方氮化硼粒径＜5μm，发泡剂粒径38-44μm，聚酰亚胺树脂粒径50-80μm。

本发明所述偶联剂为道康宁生产的偶联剂Z-6040，偶联剂Z-6040是一种功能化硅氧烷产品，它能增强配混料中聚合物——填料间的相互作用，内含烷氧基和烷基功能化基团，改进无机填料进入有机聚合物的分散性，分析纯级别；发泡剂为热膨胀微球，型号为EMH204；聚酰亚胺树脂的型号为TY002。

以下介绍本发明中晶圆减薄砂轮所用的各材料：

聚酰亚胺树脂是粘合剂，主要起到把磨料和其它辅料粘合的作用，它的特点是分子量均匀适中，可使成型材料的松散和干湿达到最佳状态，即使在高温、高湿度季节仍能保持其特性。

本发明中使用的热膨胀微球是气孔成形剂，可以使用有机性气孔成形剂、水溶性粒子和中空材料等，也可以使用一些气体形成剂。当微球受热，达到构成壳体的热可塑性高分子材料的玻璃化温度，壳体就会软化，具有了可塑性，由于微球内的低沸点芯材受热产生压强，从而引起微球外壳的膨胀。其主要是占位起到容屑作用，作为本发明的气孔成形剂是不错的选择。

碳化硅是增强剂，偶联剂和增强剂是为了使磨料与结合剂之间结合程度好。也可以使用其它的偶联剂和增强剂，不局限于Z-6040和增强剂碳化硅。

六方氮化硼主要起润滑作用，其硬度极高、高温稳定性好。

金刚石作为磨料可以使用单晶、自锐和多晶型，根据研磨条件，可选取一种或者大于一种的金刚石磨料。

所述晶圆减薄砂轮的制备方法，包括如下步骤：

1) 将表面进行热碱处理过的金刚石放入丙酮内进行搅拌超声，然后烘干；

2) 将步骤1）中的原料与碳化硅、六方氮化硼混合过筛，然后加入丙酮和偶联剂，超声后烘干；加入丙酮的目的是将各物料分散在其中，偶联剂也可充分溶解；

3) 将步骤2）的物料与发泡剂、聚酰亚胺树脂混合过筛，然后与2-5mm直径的氧化锆陶瓷球（陶瓷球总重量混料量总重的30%）放入混料桶内混料后备用；氧化锆陶瓷起到混料球的作用，为了不让料结团等；

4) 根据图纸要求进行模具组装，模具最终组装成环形，热压机升温至固定温度后备用，将步骤3）的物料分两次投入模具，第一份先投入模具内，热压机压制后投入第二份再进行压制，保压保温1h，降温后脱模；分两步投料的好处主要是为了增强砂轮磨料层与基体结合处强度，保证磨削过程中砂轮齿不出现断裂；

5) 步骤4）脱模后的环形砂轮按照图纸加工要求做成成品砂轮。

优选的，步骤1）热碱处理温度为85-90℃。

优选的，步骤2）和3）过100-200目筛。

优选的，步骤4）热压成型温度为180-250℃。

上述所述晶圆减薄砂轮用于3D封装技术中晶圆的减薄，可将晶圆减薄至100μm以下。

和现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过制备一种砂轮密度小于1的减薄砂轮，此减薄砂轮在保持结合剂具有一定的强度下，降低总体磨料层硬度，减少磨削过程中的压应力，从而降低损伤层厚度，对薄晶片即3D封装技术中的晶圆减薄、操作设备老旧尤为适用。

2.本发明制备的砂轮可以有效降低晶圆损伤层和裂纹，保证良品率。

3.制备砂轮过程中，采用两步投料，可增强砂轮磨料层与基体结合处强度，保证磨削过程中砂轮齿不断裂。

附图说明

图1 为本发明所述晶圆减薄砂轮断口的显微图片；

图2 为本发明所述晶圆减薄砂轮磨削面显微图片；

图3 为本发明所述晶圆减薄砂轮磨削的晶圆损伤层和裂纹高倍率SEM图；

图4 为本发明所述晶圆减薄砂轮磨削的晶圆zygo三维形貌图；

图5 为采用本发明所述晶圆减薄砂轮磨削的晶圆表面效果图；

图6 为采用本发明所述晶圆减薄砂轮磨削的晶圆表面显微镜图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例1

一种晶圆减薄砂轮，包括以下体积份数的原料：金刚石12份，碳化硅3份，六方氮化硼2份，发泡剂EMH204 6份，聚酰亚胺树脂TY002 35份，偶联剂Z-6040 2份。

其中，金刚石粒径3-7μm，碳化硅粒径1-2.5μm，六方氮化硼粒径＜5μm，发泡剂粒径38-44μm，聚酰亚胺树脂粒径50-80μm。

所述晶圆减薄砂轮的制备方法，包括如下步骤：

1) 将金刚石的表面进行85℃热碱处理，往处理过的金刚石中加入200mL丙酮进行搅拌超声分散10min，然后于100℃电热丝烘箱内烘干备用；

2) 将步骤1）中的原料与碳化硅、六方氮化硼混合过100目筛，然后与200mL丙酮和偶联剂550混合，超声后烘干备用；

3) 将步骤2）的物料与发泡剂、聚酰亚胺树脂混合过100目筛，然后与2-5mm直径的氧化锆陶瓷球（陶瓷球总重量混料量总重的30%）放入混料桶内混料后备用；

4) 根据图纸要求进行模具组装，模具最终组装成环形，热压机升温至180℃后备用，将步骤3）的物料分两次投入模具，取重量分数为25%的混合物料先投入模具内，热压机于1MPa定温180℃压制10min，压力卸除，然后把模具压头卸掉，投入剩余物料再进行压制，于3MPa保压保温1h，降温后脱模；

5) 步骤4）脱模后的环形砂轮按照图纸加工要求做成成品砂轮。

实施例2

一种晶圆减薄砂轮的制备方法，包括以下体积份数的原料：金刚石18份，碳化硅7份，六方氮化硼5份，发泡剂EMH204 10份，聚酰亚胺树脂TY002 45份，偶联剂Z-6040 5份。

其中，金刚石粒径3-7μm，碳化硅粒径1-2.5μm，六方氮化硼粒径＜5μm，发泡剂粒径38-44μm，聚酰亚胺树脂粒径50-80μm。

所述晶圆减薄砂轮的制备方法，包括如下步骤：

1) 将金刚石的表面进行90℃热碱处理后备用，往处理过的金刚石中加入400mL丙酮进行搅拌超声分散60min，然后于130℃电热丝烘箱内烘干备用；

2) 将步骤1）中的原料与碳化硅、六方氮化硼混合过200目筛后备用，然后与400mL丙酮和偶联剂550混合，超声60min后于130℃电热丝烘箱内烘干备用；

3) 将步骤2）的物料与发泡剂、聚酰亚胺树脂混合过200目筛，然后与2-5mm直径的氧化锆陶瓷球（陶瓷球总重量混料量总重的30%）放入混料桶内混料后备用；

4) 根据图纸要求进行模具组装，模具最终组装成环形，热压机升温至250℃后备用，将步骤3）的物料分两次投入模具，取重量分数为25%的混合物料先投入模具内，热压机于8MPa定温250℃压制10min，压力卸除，然后把模具压头卸掉，投入剩余物料再进行压制，于10MPa保压保温1h，降温后脱模；

5) 步骤4）脱模后的环形砂轮按照图纸加工要求做成成品砂轮。

实施例3

一种晶圆减薄砂轮的制备方法，包括以下体积份数的原料：金刚石16份，碳化硅5份，六方氮化硼4份，发泡剂EMH204 8份，聚酰亚胺树脂TY0023 40份，偶联剂Z-6040 3份。

其中，金刚石粒径3-7μm，碳化硅粒径1-2.5μm，六方氮化硼粒径＜5μm，发泡剂粒径38-44μm，聚酰亚胺树脂粒径50-80μm。

所述晶圆减薄砂轮的制备方法，包括如下步骤：

1) 将金刚石的表面进行90℃热碱处理后备用，然后往处理过的金刚石中加入300mL丙酮进行搅拌超声分散20min，然后于120℃电热丝烘箱内烘干备用；

2) 将步骤1）中的原料与碳化硅、六方氮化硼混合过150目筛后备用，然后与300mL丙酮和偶联剂550混合，超声20min后于120℃电热丝烘箱内烘干备用；

3) 将步骤2）的物料与发泡剂、聚酰亚胺树脂混合过200目筛，然后与2-5mm直径的氧化锆陶瓷球（陶瓷球总重量混料量总重的30%）放入混料桶内混料后备用；

4) 根据图纸要求进行模具组装，模具最终组装成环形，热压机升温至205℃后备用，将步骤3）的物料分两次投入模具，取重量分数为25%的混合物料先投入模具内，热压机于5MPa定温205℃压制2min，压力卸除，然后把模具压头卸掉，投入剩余物料再进行压制，于5MPa保压保温1h，降温后脱模；

5) 步骤4）脱模后的环形砂轮按照图纸加工要求做成成品砂轮。

实施例4

一种晶圆减薄砂轮的制备方法，包括以下体积份数的原料：金刚石18份，碳化硅4份，六方氮化硼3份，发泡剂EMH204 6.5份，聚酰亚胺树脂TY0023 38份，偶联剂Z-6040 4份。

其中，金刚石粒径3-7μm，碳化硅粒径1-2.5μm，六方氮化硼粒径＜5μm，发泡剂粒径38-44μm，聚酰亚胺树脂粒径50-80μm。

所述晶圆减薄砂轮的制备方法，包括如下步骤：

1) 将金刚石的表面进行85℃热碱处理后备用，然后往处理过的金刚石中加入250mL丙酮进行搅拌超声分散30min，然后于110℃电热丝烘箱内烘干备用；

2) 将步骤1）中的原料与碳化硅、六方氮化硼混合过180目筛后备用，然后与250mL丙酮和偶联剂550混合，超声30min后于130℃电热丝烘箱内烘干备用；

3) 将步骤2）的物料与发泡剂、聚酰亚胺树脂混合过200目筛，然后与2-5mm直径的氧化锆陶瓷球（陶瓷球总重量混料量总重的30%）放入混料桶内混料后备用；

4) 根据图纸要求进行模具组装，模具最终组装成环形，热压机升温至210℃后备用，将步骤3）的物料分两次投入模具，取重量分数为25%的混合物料先投入模具内，热压机于3MPa定温210℃压制3min，压力卸除，然后把模具压头卸掉，投入剩余物料再进行压制，于6MPa保压保温1h，降温后脱模；

5) 步骤4）脱模后的环形砂轮按照图纸加工要求做成成品砂轮。

本发明制备工艺采用分步投料，即硬化先投料的第一部分料，对于其他砂轮也可以采取此类制作方法，因为先投料的第一部分主要是用于埋藏在基体槽内使用的，并不参与磨削。

砂轮性能评价

采用实施例3制备的砂轮进行性能评价。

实施例3制备的砂轮测量其密度为0.968 g/cm³。

图1 为实施例3晶圆减薄砂轮断口的显微图片，图2 为实施例3所述晶圆减薄砂轮磨削面显微图片。图1 所示为砂轮断口形貌，多气孔，说明砂轮结构气孔很多，图2所示为砂轮磨削后磨削面形貌，说明砂轮表面气孔多，但是未堵塞，砂轮容屑效果好且磨削面没有出现因密度小而掉渣掉块等现象。

采用实施例3中砂轮进行研磨性能测试，测试条件如下：

采用实施例3制备的砂轮按照以上参数和条件在减薄机上对6寸晶圆进行减薄加工，晶圆损伤层和裂纹高倍率SEM图如图3所示，晶圆zygo三维形貌图如图4所示，晶圆表面效果图如图5所示，晶圆表面SEM图如图6所示。

因6寸及以下硅晶圆，最终减薄厚度都低于100μm，且砂轮组配的设备多半比较陈旧，所以对砂轮要求较高，要求具有较低的压应力。砂轮对硅片进行精磨后的效果图如图5所示，由图可知，减薄后的晶圆表面纹路基本不可见，表面亮度好，粗糙度值达到6.6nm（图4中给出）；图6可看出，磨削后晶圆表面的显微结构有一定纹路，对其进行损伤层检测可知，损伤层数据2.798μm（见图3），远低于裂纹扩展的厚度。

现有技术制备的砂轮密度通常大于2 g/cm³，而本发明的配方制备的砂轮密度小于1 g/cm³，其降低了砂轮磨料层硬度，减少磨削过程中的压应力，从而降低损伤层厚度，因此，可以将晶圆厚度减薄至100μm以下，使得电子产品芯片的3D封技术装得以实现。

最后所应说明的是：上述实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，任何对本发明进行的等同替换及不脱离本发明精神和范围的修改或局部替换，其均应涵盖在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种晶圆减薄砂轮，其特征在于，所述砂轮用于3D封装技术中的晶圆减薄，其包括如下体积份数的原料：金刚石12-18份，碳化硅3-7份，六方氮化硼2-5份，发泡剂6-10份，聚酰亚胺树脂35-45份，偶联剂2-5份；

金刚石粒径3-7μm，碳化硅粒径1-2.5μm，六方氮化硼粒径＜5μm，发泡剂粒径38-44μm，聚酰亚胺树脂粒径50-80μm；

发泡剂为热膨胀微球，偶联剂型号为Z-6040；

所述晶圆减薄砂轮的制备方法，包括如下步骤：

1）将表面进行热碱处理过的金刚石放入丙酮内进行搅拌超声，然后烘干；

2）将步骤1）中的原料与碳化硅、六方氮化硼混合过筛，然后加入丙酮和偶联剂，超声后烘干；

3）将步骤2）的物料与发泡剂、聚酰亚胺树脂混合过筛，然后放入混料桶内混料后备用；

4）将步骤3）的物料分两次投入模具进行热压成型，投入第一份物料，热压机压制后投入第二份物料再次进行压制，保压保温，降温后脱模；

5）步骤4）脱模后的环形砂轮按照图纸加工要求做成成品砂轮；

所述步骤4）的热压成型温度为180-250℃。

2.根据权利要求1所述晶圆减薄砂轮，其特征在于，所述聚酰亚胺树脂型号为TY0023，热膨胀微球型号为EMH204。

3.根据权利要求1所述晶圆减薄砂轮，其特征在于，步骤1）热碱处理温度为85-90℃。

4.根据权利要求1所述晶圆减薄砂轮，其特征在于，步骤2）和3）过100-200目筛。

5.根据权利要求1所述晶圆减薄砂轮，其特征在于，步骤4）中第一份物料为总物料的25%，热压机于1MPa定温180℃压制10min，投入剩余物料进行再次压制，于3MPa保压保温1h。

6.根据权利要求1所述晶圆减薄砂轮，其特征在于，包括如下体积份数的原料：金刚石16份，碳化硅5份，六方氮化硼4份，发泡剂EMH204 8份，聚酰亚胺树脂TY0023 40份，偶联剂Z-6040 3份；金刚石粒径3-7μm，碳化硅粒径1-2.5μm，六方氮化硼粒径＜5μm，发泡剂粒径38-44μm，聚酰亚胺树脂粒径50-80μm；

所述晶圆减薄砂轮的制备方法，包括如下步骤：

1) 将金刚石的表面进行90℃热碱处理后备用，然后往处理过的金刚石中加入300mL丙酮进行搅拌超声分散20min，然后于120℃电热丝烘箱内烘干备用；

2) 将步骤1）中的原料与六方氮化硼混合过150目筛后备用，然后与300mL丙酮和偶联剂550混合，超声20min后于120℃电热丝烘箱内烘干备用；

3) 将步骤2）的物料与发泡剂、聚酰亚胺树脂混合过200目筛，然后与2-5mm直径的氧化锆陶瓷球放入混料桶内混料后备用；

4) 根据图纸要求进行模具组装，模具最终组装成环形，热压机升温至205℃后备用，将步骤3）的物料分两次投入模具，取重量分数为25%的混合物料先投入模具内，热压机于5MPa定温205℃压制2min，压力卸除，然后把模具压头卸掉，投入剩余物料再进行压制，于5MPa保压保温1h，降温后脱模；

5) 步骤4）脱模后的环形砂轮按照图纸加工要求做成成品砂轮。

7.权利要求1-6任一所述晶圆减薄砂轮在半导体加工中的应用，其特征在于，用于3D封装技术中的晶圆减薄。