CN110625205B - 一种晶圆减薄工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及晶圆厚度减薄技术领域，公开了一种晶圆减薄工艺和装置，晶圆减薄工艺以电火花工艺为基础，晶圆减薄装置包括电源，电源至少包括第一极与第二极，第一极用于与待加工的晶圆电连接，第二极连接加工工具，所述加工工具与所述晶圆之间具有间隙，所述电源能在所述晶圆与所述加工工具之间产生击穿所述间隙内介质的电压。本发明运用电火花加工的原理，以晶圆作为电极材料，依靠放电产生的能量去除材料，因此不受材料硬度限制，解决了传统机械磨削对第三代半导体等超硬材料进行加工难的问题，且该手段属于非接触型加工，不存在接触作用力，也不会产生残余应力，整个工艺过程中不会产生环境污染物，且成本适中。

Description

一种晶圆减薄工艺

技术领域

本发明涉及晶圆厚度减薄技术领域，尤其涉及一种晶圆减薄工艺和装置。

背景技术

半导体晶圆制备是将晶棒切片成符合集电路制造要求的成符合集电路制造要求的成符合集电路制造要求的晶圆，晶圆经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂等工序在其表面完成集成电路。由于当前的电子产品一方面不断朝小、轻、簿的方向发展，另一面不断向系统集成化、功能齐全化、融合化方向发展，促进了封装技术不断革新。多个芯片叠层组装到一起的三维立体封技术由于其空间占用小电性能稳定、成本低等优点成为未来的主要发展趋势。为了实现电子产品芯片的层封装，在整体厚度不变甚至有所降低趋势下，各片的厚度不可避免地减簿。此外，芯片薄化除了可以减小芯片封装体积，还能提高热扩散效率、电气性能、机械性能以及减轻划片加工量等，因此，芯片的薄化成为了新一代芯片制造中的关键工序。

现有的晶圆减薄技术主要有：磨削，化学机械抛光，湿法腐蚀，常压等离子腐蚀等。

磨削是利用高速旋转的砂轮对晶圆表面进行切削减薄，磨削后晶圆会产生表面损伤层，存在的表面微裂纹会造成晶圆碎裂隐患，残余应力使薄晶圆产生弯曲和翘曲变形，给晶圆的传输和后续处理带来困难，增加碎片率；而且，由于第三代半导体如 GaN，SiC 均属于难加工硬脆材料且具有极高的硬度（为传统 Si 半导体的数倍），特别是不断发展中的终极半导体金刚石更将达到材料硬度极限，这使得该类接触式机械加工方法的传统 Si 半导体晶圆加工工艺在切割及研磨第三代半导体材料时变得极其困难且成本极高；

湿法腐蚀：湿法腐蚀原理是将晶圆浸入化学溶液中，通过化学反应去除晶圆表面材料，这样的做法容易损害晶圆的正面，且容易造成环境污染。

常压等离子腐蚀：是一种利用磁力控制的、在大气压力下工作的一种基于纯化学腐蚀作用的干式腐蚀技术，在氩气环境下常压等离子腐蚀系统将气体 CF4 引入等离子区，使之分解出 F，使 F 与晶圆表面的材料发生化学反应，带走表层材料，达到去除晶圆材料的目的，这样做等离子体均匀度难以控制，晶圆表面质量均匀性差，等离子体范围有限，难以对直径较大的晶圆进行加工，设备成本高。

因此，综合现有技术，需要一种能减薄高硬度晶圆且不会产生机械应力导致形变继而引发硅片破碎的隐患，不产生环境污染且成本较低的晶圆减薄工艺和相应装置。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种晶圆减薄工艺和装置，解决了现有技术中加工高硬度晶圆技术难度高、产生残余机械应力，以及容易造成环境污染和成本较高的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供了一种晶圆减薄工艺，包括以下步骤：

设置电源，电源包括第一极与第二极；

将待加工的晶圆与第一极电连接，将加工工具与第二极电连接，并使得晶圆与加工工具间形成间隙；

启动电源，当晶圆与加工工具之间的电压不小于间隙内介质的击穿电压时，对晶圆上朝向间隙的表面被烧蚀。

作为上述技术方案的进一步改进，加工工具包括另一待加工晶圆。

作为上述技术方案的进一步改进，电源发出的电压为脉冲电压，并按照设定规则转换第一极与第二极的极性。

作为上述技术方案的进一步改进，介质为空气；或者，介质为液体；或者，介质为液体，液中添加研磨颗粒。

作为上述技术方案的进一步改进，在加工过程中，驱动晶圆和/或加工工具运动，以使晶圆的加工表面至加工工具的距离为固定值，或者在设定范围之内。

作为上述技术方案的进一步改进，在加工过程中，驱动晶圆和/或加工工具进行旋转运动。

还提供了一种晶圆减薄装置，包括电源，电源至少包括第一极与第二极，第一极用于与待加工的晶圆电连接，第二极与加工工具电连接，晶圆与加工工具的位置满足：加工工具与晶圆之间具有间隙，电源能在晶圆与加工工具之间产生击穿间隙内介质的电压。

作为上述技术方案的进一步改进，加工工具包括另一待加工的晶圆，电源为双极性电源，第一极与第二极的极性能够按照设定规则转换。

作为上述技术方案的进一步改进，间隙内填充有作为介质的液体，液体中添加研磨颗粒。

作为上述技术方案的进一步改进，晶圆和/或加工工具能够相对运动，以使晶圆的加工表面至加工工具的距离为固定值，或者在设定范围之内。

本发明的有益效果是：

1）基于电火花加工的原理对晶圆进行放电蚀除加工，属于非接触型加工，防止产生残余机械应力；

2）加工方法不受材料硬度限制，可解决传统机械方法加工第三代半导体时效率低成本高的问题；

3）整个工艺过程中不需要使用砂轮、机械研磨液等，不会产生环境污染。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例中晶圆减薄装置的工作示意图；

图2是本发明一个实施例中晶圆加工后的表面示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明的较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，从而能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。当某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接在另一个特征上。

在本发明的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个或者多个，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

此外，除非另有定义，本发明所使用的技术术语和科学术语均与所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。

在本发明中，对于晶圆表面的减薄采用电火花工艺，将晶圆作为电极的一极(或与电极的某一极电连接)，电源的两极保持一定间隙，电源发出的电压到达击穿电压时，两极间会形成放电通道，放电通道的横截面小，放电产生的能量集中，并在晶圆表面的放电区域产生高温，晶圆在接触到瞬时高温时会发生熔化或升华，在宏观上表现为使晶圆表面产生凹坑，当凹坑足够多时，即对晶圆实现了减薄。

参照图1，示出了本发明一个实施例晶圆减薄装置的工作示意图，在本实施例中，为了提高加工效率，电源1的两个电极分别连接两个不同的晶圆，第一晶圆11和第二晶圆12分别与电源的两极电连接，第一晶圆11和第二晶圆12间留有间隙，在电源1提供的电压到达击穿电压值的时候会击穿该间隙，形成放电通道，该通道的两端分别位于第一晶圆11和第二晶圆12彼此最相近的表面位置(极间最近点)，电击在两个晶圆的表面都产生凹坑，由此造成了对晶圆的减薄。

为了更好地实现晶圆的减薄过程，在本发明提供的另一实施例中为了提高加工的精度、效率以及过程可控性，电源1是脉冲式电源，提供的电压为脉冲电压，在第一次脉冲放电结束后的较短时间内，第二次脉冲电压出现，在新的极间最近点间击穿放电，由于第一次脉冲放电使原来的晶圆间最近点产生了凹坑，也就是说原有的极间最近点发生了变化，第二次脉冲电压在新的两晶圆最近表面形成放电通道进行晶圆表面的材料去除，重复该过程，可以实现晶圆的整体减薄。

进一步地，在晶圆减薄的过程中，第一晶圆11和第二晶圆12间的间隙在扩大，为了维持原有的击穿电压值，第二晶圆12在主轴2的带动下朝向第一晶圆11方向靠近。

进一步地，为了得到更加光滑的加工表面，第二晶圆12在主轴2的带动下绕轴心进行高速旋转，保证了减薄过程中两晶圆最近点位置的动态变化，因此，主轴的整个运动方式为旋转并缓慢靠近第一晶圆11，加工完成后复位。

进一步地，第一晶圆11置于运动机床4的工位上，运动机床4属于X-Y轴运动机床，即运动机床4中的工位可以在水平面上沿着X方向和Y方向运动，此处X方向和Y方向是在水平面内相互垂直的两个方向，由此使第一晶圆11能在运动机床4上运动，以实现第一晶圆11和第二晶圆12正对。

在本发明提供的另一实施例中，电源1为双极性电源，即电源1包括电极极性转换装置，电极极性转换装置对脉冲电压进行计数统计，当统计脉冲数满足一定条件时进行电极极性转换，在一定时间周期内实现电源两极的定期转换，即按照一定的频率转换电源的两极，以保证在一定时间内第一晶圆11和第二晶圆12减薄去除的厚度相同，避免单个工件被过度加工。

由于真空环境的成本过高，考虑到实际生产需要，在本发明提供的另一实施例中，第一晶圆11和第二晶圆12间充斥着工作液3，工作液3是绝缘液体，通常可以选用去离子水和电火花油，第一晶圆11和第二晶圆12完全浸入工作液3，电源1提供的电压到达击穿电压值的时候会击穿工作液3，由此在第一晶圆11和第二晶圆12间最近位置形成放电通道，实现第一晶圆11和第二晶圆12的表面材料去除，即宏观上的减薄。

进一步地，向工作液3中加入研磨颗粒5，可在相同的加工参数下增大加工间隙(放电通道沿着多个颗粒的表面连接两晶圆)，提高稳定性，研磨颗粒5同时可以起到一定的研磨抛光作用，实现电火花研磨复合加工，进一步提高晶圆加工表面质量。此处的研磨颗粒5(研磨粉末)可选用碳粉、硅粉、铜粉或金刚石纳米颗粒等材料。

在上述的多个实施例中，晶圆可以采用多种方式和机床或主轴连接，常用的技术手段有抽真空和粘接，其中粘接是通过装载盘配合导电胶布进行连接。

此外，若只对第一晶圆11进行加工，整个装置也能正常工作完成加工，采用双晶圆电极本质上还是为了提高加工效率。只对第一晶圆11进行加工时，第一晶圆11与电源一极电连接，电源另一极电连接有加工工具，加工工具可以选用多种材料，包括铜、石墨等导体，事实上，由于对第一晶圆11进行加工时实际上也在对加工工具起烧蚀作用，加工工具可以直接选用另一待加工晶圆以实现两晶圆的同时加工，不止提高了效率，也避免了发生在加工工具表面的放电的能量浪费。若选用另一个待加工晶圆作为加工工具以实现同时加工两个晶圆，则该方案实际上就是图1中对应的实施例方案。

参照图2，示出了本发明一个实施例晶圆加工后的表面示意图，对为加工后的晶圆任一横截面进行分析，绘出轮廓线，图中坐标轴的横轴x和竖轴y所代表数值的单位均为微米(μm)，以晶圆边缘(未加工表面)为初始点，x轴的数据代表距离起点的距离，y轴的数据代表晶圆高度，可以直观看出，轮廓线接近直线且x＜1500μm的区域是晶圆的未加工区域，在x=1500左右的区域是晶圆未加工区域和减薄区域的过渡面，在减薄区域(即x＞1500μm)内，减薄后的表面各部位高度误差小于100μm，减薄后表面十分光滑，且随着对电源电压的值和电压周期变化的优化，能达到更好的减薄效果。

以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明并不限于所述实施例，所属领域的技术人员在不脱离本发明宗旨的前提下还可做出种种的等同变形或替换。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (4)

1.一种晶圆减薄工艺，其特征在于，包括以下步骤：

设置电源，所述电源包括第一极与第二极；

将待加工的第一晶圆与所述第一极电连接，将另一待加工第二晶圆与所述第二极电连接，并使得所述第一晶圆与所述第二晶圆间形成间隙，其中，第二晶圆作为加工工具；

启动所述电源，当所述第一晶圆与所述第二晶圆之间的电压不小于所述间隙内介质的击穿电压时，对所述晶圆上朝向所述间隙的表面被烧蚀，其中，所述介质为液体，所述电源包括电极极性转换装置，所述电极极性转换装置对脉冲电压进行计数统计，当统计脉冲数满足一定条件时进行电极极性转换，在一定时间周期内实现所述电源两极的定期转换，以保证在一定时间内所述第一晶圆和所述第二晶圆减薄去除的厚度相同。

2.根据权利要求1所述的晶圆减薄工艺，其特征在于，在加工过程中，驱动所述第一晶圆和/或所述加工工具运动，以使所述第一晶圆的加工表面至所述加工工具的表面的距离为固定值，或者在设定范围内。

3.根据权利要求2所述的晶圆减薄工艺，其特征在于，在加工过程中，驱动所述第一晶圆和/或所述加工工具进行旋转运动。

4.根据权利要求1所述的晶圆减薄工艺，其特征在于，所述液体中添加研磨颗粒。