CN212859971U - 一种晶圆减薄装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及晶圆厚度减薄技术领域，公开了一种晶圆减薄装置，包括电源与工具电极，所述电源的一极与所述工具电极电连接，所述电源的另一极能够与待加工的晶圆电连接，所述工具电极上设有多个放电端子。本实用新型运用电火花加工的原理，通过将工具电极和晶圆分别连接电源两极，然后依靠电压击穿工具电极和晶圆间的间隙，在工具电极和晶圆间形成放电通道，进而对放电通道位置的晶圆表面进行减薄，整个过程属于非接触型加工，工具电极和晶圆间没有接触作用力，晶圆没有接触力过大而破碎的风险。

Description

一种晶圆减薄装置

技术领域

本实用新型涉及晶圆厚度减薄技术领域，尤其涉及一种晶圆减薄装置。

背景技术

晶圆是一种片状的半导体，是制造集成电路的一个必不可少的材料。它的制造流程主要包括晶棒制造，晶片制备，晶圆完成三个阶段。

晶棒制造：晶圆制造的第一个流程是晶棒制造，它一般是通过在原材料中提纯→融化/气化→结晶，得到的初始晶棒。随后经过外圆磨削光整晶棒的外表面，完成一根晶棒的制造。

晶圆制备：晶圆是从晶棒中均匀切割下来的圆形片状晶圆。待晶棒完成制备后，采用线锯或者是电火花线/薄片切割的方法将晶棒分切成厚度均匀的晶片，称为切片晶圆。

晶圆完成：晶圆制备后的表面质量、厚度未能达到刻蚀电路与制作集成电路器件的要求，因此需要在晶圆完成部分需要对表面质量与晶圆厚度进行修正，主要工序包括：磨削、研磨、抛光、化学抛光。具体来说，首先采用金刚石刀具磨削工艺，以高效率去除切片工艺产生的表面裂纹。研磨是一种机械无磨料加工工艺，可以去除被切薄片表面的粗糙度和部分表面下的损伤。通常在研磨过程后，可以实现初始的全局平面化。化学机械抛光(CMP)通常是实现大平面无损的标准工艺，属于晶圆完成的最后一道工艺。

晶圆的减薄是指将切片晶圆的厚度进一步减小到设计范围内的工序，通过减小晶圆的厚度，制造出厚度更小的元器件，主要目的是减小集成电路的封装体积、提高器件的电气性能以及增强器件的散热性。由于切片晶圆是由晶棒中通过金刚石线锯的方式切割下来，切割表面不可避免地存在着裂纹、翘曲等缺陷，另一方面，切削过程难以保证切割表面完全相平，晶圆的厚度不均匀，因此，减薄也同时起到了晶圆表面平坦化功能。

随着电子科学技术的进步，各行业均向着自动化、智能化的方向发展，由此增大了市场上对集成电路电子器件的数量需求。为了应对电子市场器件急剧的增长需求，晶圆尺寸不断地增大，从而提高电子器件的产量，降低电子器件的制造成本。然而，为了增加晶圆的机械强度，防止晶圆在制备过程中由于搬运、装卸、加工而产生裂纹或造成破碎，在晶圆尺寸增大的同时其厚度也会相应地增加。与此相反，当今市场对电子设备不断向小、轻、薄的方向发展，如新型智能手机、笔记本电脑的厚度均在10mm以内，同时电子设备还向着系统集成化、3C (Computer，Communication，Consumer electronic)融合化方向发展，促进了芯片封装技术在后摩尔时代的改革，基于TSV (硅通孔)的三维封装技术凭借其空间占用小、集成度高、电气性能优越成为了未来封装技术的主流。由于基于TSV(硅通孔)的三维封装技术是通过多层芯片的堆叠，依靠硅通孔进行电气连接，在减少封装面积的同时缩小集成电路中各模块间电气连接的距离，以达到更好的电气性能。然而，受制于目前硅通孔的制造工艺，硅通孔深径比一般只能达到10-15。为了提高晶圆的表面利用率，硅通孔的直径应尽可能减小，因此，三维封装技术对晶圆的厚度提出了一定的要求，而且，晶圆的薄化不仅有助于制造更小、更薄的器件，轻量化的同时可以提高散热效果，还能进一步缩小集成电路中各模块间电气连接的距离，同时提高器件的集成度与性能。此外，针对目前SiC功率器件而言，以MOSFET器件为例，SiC基底的薄化可降低器件导通电阻，减少不必要的导通压降，提升功率器件在高压环境下的性能表现。

总而言之，晶圆减薄是晶圆完成过程中的一个非常必要而且重要的工序，也是提高器件各方面的性能的关键工序。

由于第三代半导体具有非常高的硬脆性以及化学稳定性，传统加工硅晶圆的方法难以高效率、高质量、低成本地应用于加工SiC晶圆。因此，本系统的应用对象主要是第三代半导体晶圆，其余半导体材料的晶圆制造也可通用。

而传统的晶圆减薄工艺一般采用砂轮磨削进行减薄，利用砂轮在晶圆表面的旋转磨削，将晶圆进行逐层地减薄，但是现有的常用半导体材料，如半导体材料如硅、砷化镓、碳化硅、氮化镓等硬度高、脆性好，属于典型的难机械加工材料，对应地，在进行晶圆减薄时，在机械应力的作用下容易造成晶圆破碎，尤其是加工大直径的晶圆时，因此，需要一种晶圆减薄装置，以解决传统晶圆减薄工艺中由于机械应力导致晶圆破碎的问题。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种晶圆减薄装置，解决了传统晶圆减薄工艺中由于机械应力导致晶圆破碎的问题。

本实用新型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装置，包括电源与工具电极，所述电源的一极与所述工具电极电连接，所述电源的另一极能够与待加工的晶圆电连接，所述工具电极上设有多个放电端子。

作为上述技术方案的进一步改进，所述工具电极包括主体，多个所述放电端子均匀阵列在所述主体的外侧。

作为上述技术方案的进一步改进，所述放电端子与所述主体间设有绝缘层，所述主体上设有若干电容。

作为上述技术方案的进一步改进，所述主体包括圆形基盘，所述圆形基盘中设置若干电容槽以安装电容，所述圆形基盘的侧面向外突出形成若干凸起，所述凸起间形成安装槽以安装所述放电端子，不同所述放电端子对应不同所述电容。

作为上述技术方案的进一步改进，多个所述放电端子相互独立，所述电源进行放电时，多个所述放电端子分别向待加工的所述晶圆进行放电。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电源为脉冲电源，且在所述电源进行一次脉冲放电时，各所述放电端子均对所述晶圆进行放电。

作为上述技术方案的进一步改进，所述工具电极能与所述晶圆相对旋转，所述工具电极与所述晶圆的轴向距离可调。

作为上述技术方案的进一步改进，还设置用于存储绝缘液体的容器，所述工具电极和所述晶圆置于所述容器内，所述绝缘液体为煤油、矿物油或去离子水，所述绝缘液体中分散有用以改善放电状态的颗粒。

作为上述技术方案的进一步改进，所述工具电极和所述晶圆浸入所述绝缘液体内；或所述绝缘液体通过供给管流向所述晶圆表面以使所述绝缘液体充满所述工具电极与所述晶圆表面间的缝隙。

作为上述技术方案的进一步改进，各所述放电端子间留有缝隙。

本实用新型的有益效果是：本实用新型运用电火花加工的原理，通过将工具电极和晶圆分别连接电源两极，然后依靠电压击穿工具电极和晶圆间的间隙，在工具电极和晶圆间形成放电通道，进而对放电通道位置的晶圆表面进行减薄，由于放电通道总是发生在工具电极和晶圆间的最近两点间，且放电通道能量集中、横截面小，在多次放电后可对晶圆表面进行均匀减薄，且整个过程属于非接触型加工，工具电极和晶圆间没有接触作用力，晶圆没有接触力过大而破碎的风险。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型一个实施例中晶圆减薄装置的工作示意图；

图2是本实用新型一个实施例中晶圆减薄装置的工作原理示意图；

图3是本实用新型一个实施例中晶圆减薄装置的工作示意图；

图4是本实用新型一个实施例中工作电极的立体示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型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、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。

在本实用新型的描述中，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，本实用新型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。本实用新型所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本实用新型。

参照图1，示出了现有技术中晶圆减薄装置的工作示意图，现有技术中采用机械磨削的方式进行晶圆减薄，图中晶圆1位于晶圆托盘2中，砂轮3接触晶圆1的表面并相对于晶圆1旋转，砂轮3上的金刚石磨粒31接触并磨削晶圆1的表面，此处的金刚石磨粒31对晶圆1的表面施加了一个较大的接触力，由于晶圆属于脆性材料，金刚石磨粒31对晶圆1的磨削容易导致晶圆1的破碎，尤其是在晶圆1直径较大时其受力破碎的可能性更大(即能承受的最大接触力更小)。

此外，由于采用磨削制造的晶圆表面粗糙度较高，一般为了获得更好的加工表面，需要更换更细的金刚石颗粒，而磨粒变细会导致砂轮的成本大幅上升，且由于磨削是通过磨粒对晶圆表面的接触运动，为了达到更好的晶圆表面效果，一般要通过长时间的磨削，以保证磨粒接触到晶圆表面的所有位置。

基于此，本申请中的方案采用非接触式的加工工艺对晶圆表面进行加工减薄，在减薄过程中避免晶圆受到机械应力的影响，从而避免了晶圆因为接触受力而破碎的情况。

参照图2，示出了本实用新型一个实施例中晶圆减薄装置的工作原理示意图，将晶圆1作为电源4的一极(或与电源的某一极电连接)，电源4的另一极连接一个工具电极5，工具电极5与晶圆1间留有间隙，当脉冲电压加到两极之间，便将当时条件下极间最近点击穿，形成放电通道。由于通道的截面积很小，放电时间极短，致使能量高度集中(10～107W/mm)，放电区域产生的瞬时高温足以使材料熔化甚至蒸发，以致形成一个小凹坑。第一次脉冲放电结束之后，经过很短的间隔时间，第二个脉冲又在另一极间最近点击穿放电，当凹坑足够多时，即对晶圆实现了减薄。

为了达到更好的减薄效果，工具电极5包括多个放电端子，放电端子均匀地分布在某一区域内，对该区域内的晶圆部分实现同步的均匀加工。

参照图3,示出了实用新型一个实施例中晶圆减薄装置的工作示意图，将晶圆1置于一个可旋转的工作台6上，使晶圆 1能绕它的中心轴旋转，工具电极5由位于装置上部的传动轴带动，并能绕工具电极5的中心轴发生旋转。

晶圆1和工具电极5的自转方向相反，因此，工具电极5 上的放电端子能对晶圆1的多个表面区域放电。

由于晶圆1进行减薄后，晶圆1的表面和工具电极5的放电端子间的距离变大，为了维持良好的加工效果，工具电极5 朝着晶圆1的方向运动，以保证工具电极5的放电端子和晶圆 1间的间隙保持在一个合适的范围(优选为0.01～0.05mm)。

进一步地，晶圆1和工具电极5共同置于具有一定绝缘度的液体介质(常用煤油或矿物油或去离子水)中，降低所需击穿电压的电压强度要求，且便于除去减薄产生的碎屑。

进一步地，在液体介质中添加微细颗粒7，如碳粉、硅粉、铜粉或金刚石纳米颗粒等，能改善放电状态稳定性，改善表面质量，提高加工效率，最终实现高效率高质量的晶圆减薄。

参照图4,示出了实用新型一个实施例中工作电极的立体示意图，工作电极以与能固定在连接轴上的主轴51作为其自转轴心，工作电极包括主体，主体包括位于主轴51上的圆形基盘，圆形基盘中设置若干电容槽54以安装电容，圆形基盘的侧面向外突出形成若干凸起，所述凸起间形成安装槽以安装所述放电端子52，不同所述放电端子52对应连接不同所述电容。

对应的，在某一具体实施例中，放电端子52选用铜块作为金属极，金属极亦可选择石墨、银块等导电固体，放电端子 52以圆形阵列的方式分布于工作电极的外围，各放电端子52 之间留有一定缝隙，其目的在于便于工作液的流动与排屑(减薄产生的废屑等)。放电端子52与工作电极主体间设有绝缘层 53，以使各放电端子相互独立。

因此，基于该工作电极的结构，在进行晶圆减薄时，放电脉冲同时对各个电容充电，各电容连接的放电端子与当时条件下极间最近点的液体介质击穿，形成放电通道，因此，使用该工作电极时，与传统的脉冲放电不同的是，一个电源脉冲过程形成的放电次数取决于放电端子的个数，原因是其中一个电极块的发生极间放电的时候，并不会影响其他并联的回路，因此在一次脉冲过程可实现多次极间放电，从而提高放电效率。

在本实用新型的另一实施例中，晶圆减薄装置包括一根供给管，绝缘液体通过供给管流向所述晶圆表面，所述绝缘液体充满工具电极与晶圆表面间的缝隙，达到与工具电极和晶圆浸入绝缘液体这一方案相同的技术效果。

以上是对本实用新型的较佳实施进行的具体说明，但本实用新型并不限于所述实施例，所属领域的技术人员在不脱离本实用新型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，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种晶圆减薄装置，其特征在于，包括电源与工具电极，所述电源的一极与所述工具电极电连接，所述电源的另一极能够与待加工的晶圆电连接，所述工具电极上设有多个放电端子。

2.根据权利要求1所述的晶圆减薄装置，其特征在于，所述工具电极包括主体，多个所述放电端子均匀阵列在所述主体的外侧。

3.根据权利要求2所述的晶圆减薄装置，其特征在于，所述放电端子与所述主体间设有绝缘层，所述主体上设有若干电容。

4.根据权利要求2所述的晶圆减薄装置，其特征在于，所述主体包括圆形基盘，所述圆形基盘中设置若干电容槽以安装电容，所述圆形基盘的侧面向外突出形成若干凸起，所述凸起间形成安装槽以安装所述放电端子，不同所述放电端子对应不同所述电容。

5.根据权利要求2所述的晶圆减薄装置，其特征在于，多个所述放电端子相互独立，所述电源进行放电时，多个所述放电端子分别向待加工的所述晶圆进行放电。

6.根据权利要求2所述的晶圆减薄装置，其特征在于，所述电源为脉冲电源，且在所述电源进行一次脉冲放电时，各所述放电端子均对所述晶圆进行放电。

7.根据权利要求1所述的晶圆减薄装置，其特征在于，所述工具电极能与所述晶圆相对旋转，所述工具电极与所述晶圆的轴向距离可调。

8.根据权利要求7所述的晶圆减薄装置，其特征在于，还设置用于存储绝缘液体的容器，所述工具电极和所述晶圆置于所述容器内，所述绝缘液体为煤油、矿物油或去离子水，所述绝缘液体中分散有用以改善放电状态的颗粒。

9.根据权利要求8所述的晶圆减薄装置，其特征在于，所述工具电极和所述晶圆浸入所述绝缘液体内；或所述绝缘液体通过供给管流向所述晶圆表面以使所述绝缘液体充满所述工具电极与所述晶圆表面间的缝隙。

10.根据权利要求7所述的晶圆减薄装置，其特征在于，各所述放电端子间留有缝隙。

Images