硅背面减薄技术及其在光电探测器中的应用

硅背面减薄技术及其在光电探测器中的应用

江海波，胡莉娟，陶启林，雷仁方

摘要：对硅片背面减薄技术进行了介绍，阐述主流硅片减薄技术以及去除损伤层工艺方法。另外，结合集成电路发展趋势指出实现硅片大尺寸与薄型化减薄加工是减薄技术的发展趋势，实现方式包括联机化操作系统、TAIKO、DBG、键合减薄等，介绍背面减薄技术在TSV-3D封装、曲面CCD制作以及背面照射器件制备中的应用。

关键词：集成电路制造，硅片，背面减薄，背照，光电探测器。

中图分类号：TN405

文章编号：1000-0755(2019)01-0066-04

中文引用格式：江海波，胡莉娟，陶启林，雷仁方.硅背面减薄技术及其在光电探测器中的应用`J`.电子技术, 2019, 48(01): 66-69.

Silicon Backside Thinning Technology in Photoelectric Detector and Application

JIANG Haibo, HU Lijuan, TAO Qilin, LEI Renfang

Abstract — The paper introduces the technology of back thinning of silicon wafer, and expounds the process of thin wafer thinning and the process of removing the damaged layer, such as chemical mechanical polishing, wet etching and dry polishing. And introduces the development status and development trend of silicon wafer thinning technology, focuses on large size and thin wafer processing technology: the latest online operating system, TAIKO, DBG (Dicing Before Grinding), bond thinning. The application of back thinning technology in the preparation of photoelectric detector is briefly described. 

Index Terms — integrated circuit manufacturing, silicon wafer, backside thinning, backside-illuminated, photoelectric detector. 

0  引言 

硅集成电路正在向高集成化、高密度化和高性能化方向发展，促使硅片向着大尺寸、薄型化方向发展。硅片背面减薄技术是在硅片表面电路制作完成后，对硅片背面硅材料进行减薄处理，使其达到所需厚度的一种技术`1,2`。硅片背面减薄技术在芯片制作中的应用包含以下几个优点`3`。（1）降低热阻，提高热扩散效率。随着特征尺寸缩小，器件密度增加，器件的散热和快速冷却成为棘手问题。通过减薄工艺，可以提高芯片热扩散效率，从而提高集成电路的可靠性和成品率。（2）减小芯片封装体积。硅片厚度的减小降低了芯片体积，减薄是实现芯片薄型化这一发展趋势的必由之路。（3）提高划片加工成品率。减薄硅片可以减轻封装划片时的加工量，避免划片中产生崩边、崩角等缺陷，降低芯片破损概率等。（4）提高机械性能。硅片越薄，柔韧性越好，当厚度小于50μm时，芯片可以自由弯曲而不会发生断裂，并且可以实现芯片的三维集成。

随着微电子产品向轻薄短小的方向发展，减薄已成为集成电路制造过程中必不可少的工序，广泛应用于光电探测器等硅芯片的制作工艺中`4`。如何实现大尺寸、超薄化硅片加工，成为硅片制造与芯片加工行业迫切关心的问题，国内外均在此领域投入大量资金，开发先进减薄技术与工艺，推动减薄朝着薄型化、全自动集成方向发展，而国内目前对这方面的研究相对落后，报道较少。本文以硅片磨削减薄工艺，阐述了主流减薄技术的工艺原理、方法与去除损伤层技术，分析前沿减薄技术及其在光电探测器制备方面的应用。

1  硅片减薄技术

现已开发的硅片背面减薄技术有多种，包括磨削减薄、化学机械抛光、干式抛光、电化学腐蚀、湿法腐蚀、等离子辅助化学腐蚀、常压等离子腐蚀等方法`5-9`。1984年提出的硅片自旋转磨削减薄技术`10`，具有加工效率高，均匀性好等特点，受到广泛应用。该技术与去损伤工艺结合，可实现大尺寸硅片超薄加工，目前已成为主流工艺技术。主要工艺流程如图1所示。 

  1.1  硅片自旋转磨削减薄

磨削减薄过程本身是一个砂轮在硅片表面物理施压、损伤、破裂、移除的过程`11`。减薄机作业时，磨轮与硅片沿各自中心轴高速旋转，同时，研磨轮以设定速度向硅片表面步进，实现硅晶圆减薄，减薄硅片纹路呈扇形分布。

砂轮的目数决定磨痕的分布和粗细度`12`，常用的砂轮组合是325#砂轮+2000#砂轮，325#砂轮实现大余量减薄加工，具有去除量大，减薄速度快，磨痕粗糙的特点，2000#砂轮小量精磨削加工，得到磨痕细，损伤浅的硅片。自旋转磨削减薄见图2所示。

自旋转磨削减薄中，磨削深度T、磨轮进给速度f和硅片旋转速度n之间关系`13`如式（1）。

T＝f/n （1）

硅片为脆性材料，当磨削深度小于某一临界值时，可以实现延性域磨削，硅材料不再是脆性断裂，具有损伤小的特点。已有的大量实验表明Si材料脆性-塑性转换临界值约为0.06μm`14`。因此，可以通过调整硅片进给速度f与硅片转速n，实现在极微小磨削深度下的延性域减薄，降低减薄损伤。

硅片自旋转磨削减薄因磨削力相对稳定，加工硅片面型精度好，可加工大尺寸硅片，并且易于实现厚度与表面质量的在线检测与控制。

  1.2 去损伤工艺

图3所示，对硅片实施薄型化加工，会在硅片表面引入损伤，造成硅片强度降低，翘曲度增大，在后续工艺中碎片率增加。Hadamovsky`15`提出损伤层自上而下分别分为：多晶层、断裂层、过渡层和弹性畸变层。如图4所示是2000#砂轮磨削减薄硅片表面与截面SEM图。

为了消除减薄引入损伤，改善加工品质，国内外研究者提出了多种磨削加工后消除损伤与应力的方法，最常用的是化学机械抛光与湿法腐蚀`16`。

化学机械抛光通过化学腐蚀与机械研磨，去除硅片表面损伤层。抛光作业中，硅片表面与抛光垫做相对运动，通过碱性抛光液对硅片表面的腐蚀作用与纳米颗粒的研磨作用相结合，去除表面损伤层。其中化学腐蚀在硅片表面形成软质层，在磨粒作用下，硅片表面凸出表面部分被磨平。该工艺可以有效去除减薄损伤，实现硅片全局抛光，现已广泛应用于硅片减薄加工制作工艺。

湿法腐蚀是利用酸性腐蚀液（硝酸、氢氟酸等）或碱性腐蚀液（KOH、TMAH等）与硅片发生化学反应，达到去除硅片表层损伤的目的，优点是效率高，适用批量工艺，缺点是均匀性难控制`17,18`。

另外DISCO公司提出一种去除硅片表面损伤的干式抛光技术`19`，原理与硅片磨削类似，不同之处是用纤维和金属氧化物制成的抛光轮取代金刚石砂轮。干式抛光可以去除硅片磨削过程产生的损伤，可以实现硅片的纳米和亚纳米级镜面加工，工艺过程不使用化学试剂，成本低，具有一定的应用前景，但工艺效率低（1μm/min），只适合去除较浅的损伤层。

2  减薄技术的发展现状及趋势

在硅片薄型化需求日益扩大的市场背景下，为了同时满足大尺寸与薄型化的市场需求，如何减少搬运过程中发生的硅片破损及切割加工时产生的背面崩裂现象，成为工艺中必须面对的问题。为此，国外厂商相继开发了诸多的先进设备与工艺制程，包括联机化操作系统、太鼓超薄研磨工艺（Taiko工艺）（Dicing-before-grinding，DBG）、键合减薄等技术，解决了硅片大尺寸与薄型化加工中的难题。

联机化操作系统指将硅片减薄、去损伤以及去保护膜工序集成在一台设备上，通过机械式搬运系统使硅片从磨削减薄到去除损伤层始终被吸在真空吸盘上，硅片始终保持平整状态。联机化操作系统设计紧凑、多工位集成、效率高，解决了硅片去除损伤以及搬运难题，现已实现将300mm硅片减薄至5μm。如图5、图6为联机化操作系统与厚度5μm，直径300mm硅片。代表厂商有东京精密公司（PG3000）、日本DISCO公司（DFG8760）与中国电子科技集团公司第四十五所等`20`。

Taiko工艺`21`（图7）指对硅片进行减薄时，保留晶片外围边缘部分，只对圆内进行磨削减薄。通过该项技术，可实现降低薄型晶片的搬运风险、提高硅片强度、减少硅片翘曲与崩边的问题，使薄型化后加工更加方便。与硬基体衬底键合相比，硅片薄型化后也可进行高温工艺，并且一体构造，形状单一，可降低颗粒带入。

DBG技术是在背面磨削之前将硅片正面切割出一定深度的切口，再进行背面减薄的技术`22`。该技术能有效抑制切割晶片产生的背面崩裂及芯片破损，从而能够顺利从大尺寸硅片上切割芯片。由于大幅减少了硅片背面崩裂现象，所以能维持高抗折强度硅片的同时，对硅片进行超薄加工。利用研磨机的研磨加工对硅片实施分离作业，可有效避免薄型硅片搬运过程中破损风险。

国外硅片超精密减薄加工起步早，发展迅速，以美国STRASBAUGH公司、日本DISCO公司与TSK公司、德国G&N公司等开发的减薄技术代表较高水平。国内厂商在硅片减薄工艺设备与工艺开发方面起步较晚，在超精密、全自动工艺方面与国外存在不小的差距。现以中国电子科技集团公司第四十五所、上海华进、上海技美等为代表的设备制作厂商正在加紧投入，奋力追赶。

3  背面减薄技术在光电探测器制备中的应用

背面减薄技术广泛应用在电荷耦合器件（Charge coupled device, CCD）与红外、可见、紫外等光电探测器制备工艺中`23`，成为器件制作必不可少的工艺。减薄不仅可有效改善硅片接触特性与热阻等特性，还可应用在TSV-3D封装、曲面CCD制作以及背面照射器件制备中，应用前景广泛。

  3.1 应用在TSV-3D封装技术

减薄技术可应用于TSV （Through silicon via）三封装技术中，该技术通过在芯片和芯片之间，晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片多层互连。TSV制作的关键技术包括对准技术、键合技术和堆叠前晶圆减薄技术，减薄处理要求上层芯片的TSV高度必须控制在几十微米以内。常用减薄方案包括采用机械磨削加化学机械抛光、机械磨削加湿式刻蚀、机械磨削加干法刻蚀、机械磨削加干式抛光，实现晶圆减薄至极限厚度。

TSV作为目前芯片互连的最新技术，用该技术加工的芯片（图8）具备在三维方向堆叠密度最大、芯片间互连线最短、外形尺寸最小等特点，TSV技术有效降低了芯片功耗，提高了芯片性能。意法半导体、FPGA厂商赛灵思、台积电（TSMC）、IBM、韩国海力士半导体、三星电子等半导体厂商纷纷开发出TSV技术，应用在内存条、MEMS、CPU、DRAM、FLASH、CIS、RF等产品中。应用TSV技术的三维集成电路为半导体业界提供全新的效率、功耗、效能及体积优势。TSV的广泛使用，再度引起产业的变革。

  3.2 曲面CCD制备

传统的平面CCD，边缘位置处的光线是斜射到感光面上，越靠近边缘，入射的光线越少，因此绝大多数成像系统会出现边缘变暗，画质劣化的情况。上述现象虽然可以用平面CCD铺成空间曲面来优化，如图9所示Ballaerospace公司研制Kepler望远镜，但这样只有小部分像素能准确聚焦，用矩形单元铺出的曲面不完善，视场越大，单元之间空隙越大。

当芯片厚度小于50μm时，可以弯曲到一定程度而不会断裂，特殊的超薄芯片甚至可以随意弯曲，曲面CCD正是在这方面的应用，如图10所示，STA 2900曲面CCD，弯曲半径500mm。曲面CCD是利用电磁、热胀冷缩、真空等外力，在CCD封装时让传感器在一定范围内发生形变并保持，以修正镜头像场弯曲，改善广角镜头边缘画质，同时可以简化系统，实现多光谱超灵敏成像，获得更大的视场，曲面CCD已成为一个新的研究热点，受到欧美各国国防、空间、天文部门的重视。

减薄平面CCD并进行弯曲，是制作曲面图像传感器的重要途径，进行这方面研究的单位有美国国防先进研究计划局（DARPA）（太空监视望远镜SST：首个采用曲面CCD的大型望远镜）、欧洲极大望远镜（E-ELT）、Sarnoff公司（湿法化学腐蚀减薄）、法国CEA-LETI（曲面微测辐射热计）等。

曲面图像传感器能用较少光学元件消除像差，提供更高的成像质量，增大视场，降低系统重量和尺寸，在国防和天文研究领域有良好的应用前景。但作为一种新兴器件，现阶段难免存在工艺复杂、成本高的缺点，克服上述缺点是曲面图像传感器的当务之急。

  3.3 背面照射器件

背照式图像传感器是在像素尺寸不断缩小的环境下，基于传统正面照射型改进的新像素结构。背照技术中，光线可由没有布线层阻挡的衬底“背面”直接射入光电二极管区，量子效率会得到显著提升。当前国外如索尼三星、松下、富士等公司相继发布了背照式高性能小尺寸像素图像传感器。重庆光电技术研究所已完成背照工艺技术开发，制作出背照式1 024×512可见光CCD，量子效率比正照提高了50%，成像照片图11所示。

背照器件需要背面进光，因此需要将器件背面减薄，制备方案有键合加减薄的方式或窗口减薄加倒焊。背照式传感器制备工艺复杂，硅片厚度一致性、背面损伤及器件可靠性是制作工艺难点。如何在深亚微米工艺下设计高性能背照式图像传感器是机遇也是挑战。

4  结语

本文介绍硅片减薄技术，着重阐述了磨削减薄技术的作用、原理以及去除损伤方法，并介绍了减薄技术的发展现状与发展趋势，介绍了大尺寸、薄型化硅片的前沿减薄加工技术以及硅片减薄技术在光电探测器制备方面的应用。

芯片减薄可以改善器件性能，成为芯片制作不可缺少的工艺，其中硅片自旋转磨削减薄是硅片减薄的主流方案，适用于大尺寸硅片减薄加工。减薄过程中会在硅片表面引入损伤，通过化学机械抛光与湿法腐蚀等方法可以去除损伤，降低硅片碎裂风险。随着集成电路的发展，大尺寸、薄型化硅片减薄加工成为硅片制作趋势，通过联机化操作系统、TAIKO、DBG、键合减薄等，解决了大尺寸与薄型化中的加工难题。减薄工艺广泛应用在光电探测器制备工艺中，应用于TSV-3D封装、曲面CCD制作以及背面照射器件制备中。

当前国内集成电路制造厂家所需半导体制造设备绝大部分是从国外直接进口的成套生产线，厂家尚不掌握300mm及以上的大直径硅片超精密磨削技术及装备。减薄机市场主要由国外厂商占据，严重制约了国内半导体制造技术的发展。因此，针对大尺寸化、超薄化硅片超精密磨削加工装备的发展趋势，开发拥有自主知识产权的硅片超精密磨削系统和装备与硅片减薄工艺技术，对实现我国半导体制造技术的跨越式发展具有重大的战略意义。

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