Waarom is uitdunnen nodig?

In de back-end procesfase, dewafeltje (siliciumwafelDe achterkant van een chip (met circuits aan de voorkant) moet worden uitgedund voordat deze verder wordt gesneden, gelast en verpakt. Dit vermindert de montagehoogte van de chip, verkleint het volume van de chipverpakking, verbetert de thermische diffusie-efficiëntie, de elektrische prestaties en de mechanische eigenschappen, en vermindert de hoeveelheid snijwerk. Achterkantslijpen heeft als voordelen een hoge efficiëntie en lage kosten. Het heeft de traditionele natte ets- en ionenetsprocessen vervangen en is uitgegroeid tot de belangrijkste technologie voor het uitdunnen van de achterkant van een chip.

De dunne wafer

Hoe kun je afvallen?

Belangrijkste proces van waferverdunning in het traditionele verpakkingsproces

De specifieke stappen vanwafeltjeBij het verdunnen wordt de te bewerken wafer aan de verdunningsfilm gehecht. Vervolgens wordt de verdunningsfilm met de chip erop onder vacuüm aan de poreuze keramische wafertafel bevestigd. De binnen- en buitencirkelvormige hartlijnen van het werkoppervlak van de komvormige diamantslijpschijf worden uitgelijnd met het midden van de siliciumwafer. De siliciumwafer en de slijpschijf draaien vervolgens om hun respectievelijke assen voor het inslijpen. Het slijpproces bestaat uit drie fasen: grof slijpen, fijn slijpen en polijsten.

De wafer die uit de waferfabriek komt, wordt aan de achterkant geslepen om de wafer te verdunnen tot de dikte die nodig is voor de verpakking. Tijdens het slijpen van de wafer wordt tape op de voorkant (het actieve gebied) aangebracht om het circuitgebied te beschermen, terwijl de achterkant tegelijkertijd wordt geslepen. Na het slijpen wordt de tape verwijderd en de dikte gemeten.
De slijpprocessen die met succes zijn toegepast bij de preparatie van siliciumwafels omvatten onder andere slijpen met een roterende tafel.siliciumwafelRotatieslijpen, dubbelzijdig slijpen, enz. Met de steeds hogere eisen aan de oppervlaktekwaliteit van siliciumwafels met één kristalstructuur worden voortdurend nieuwe slijptechnologieën voorgesteld, zoals TAIKO-slijpen, chemisch-mechanisch slijpen, polijstslijpen en planetaire schijfslijpen.

Slijpen met draaitafel:

Rotatieslijpen is een vroeg slijpproces dat gebruikt werd bij de preparatie en het dunner maken van de achterkant van siliciumwafers. Het principe ervan wordt weergegeven in Figuur 1. De siliciumwafers worden bevestigd op de zuignappen van de draaitafel en draaien synchroon mee met de draaitafel. De siliciumwafers zelf draaien niet om hun as; de slijpschijf wordt axiaal aangedreven terwijl deze met hoge snelheid roteert, en de diameter van de slijpschijf is groter dan de diameter van de siliciumwafer. Er zijn twee soorten rotatieslijpen: vlak indringslijpen en vlak tangentieel slijpen. Bij vlak indringslijpen is de breedte van de slijpschijf groter dan de diameter van de siliciumwafer, en de slijpschijf beweegt continu in axiale richting totdat het overtollige materiaal is verwijderd, waarna de siliciumwafer wordt geroteerd door de aandrijving van de draaitafel. Bij vlak tangentieel slijpen beweegt de slijpschijf in axiale richting, en de siliciumwafer wordt continu geroteerd door de aandrijving van de draaischijf, en het slijpen wordt voltooid door heen-en-weergaande (reciprocatie) of kruip- (kruip)voeding.

Figuur 1, schematisch diagram van het principe van roterende tafelslijpen (vlak tangentieel).

Vergeleken met de slijpmethode heeft slijpen met een draaitafel de voordelen van een hoge afnamesnelheid, minimale oppervlakteschade en eenvoudige automatisering. Echter, het daadwerkelijke slijpoppervlak (actief slijpen) B en de insnijhoek θ (de hoek tussen de buitencirkel van de slijpschijf en de buitencirkel van de siliciumwafer) veranderen tijdens het slijpproces met de verandering van de snijpositie van de slijpschijf. Dit resulteert in een instabiele slijpkracht, waardoor het moeilijk is om de ideale oppervlaktenauwkeurigheid (hoge TTV-waarde) te bereiken en gemakkelijk defecten zoals randafbrokkeling en randvervorming kunnen ontstaan. De technologie van het slijpen met een draaitafel wordt voornamelijk gebruikt voor de bewerking van siliciumwafers met een diameter kleiner dan 200 mm. De toename van de afmetingen van siliciumwafers met een diameter van een enkelkristal stelt hogere eisen aan de oppervlaktenauwkeurigheid en de bewegingsnauwkeurigheid van de werkbank, waardoor slijpen met een draaitafel niet geschikt is voor het slijpen van siliciumwafers met een diameter groter dan 300 mm.
Om de slijpefficiëntie te verbeteren, maakt commerciële tangentieel slijpapparatuur voor vlakken doorgaans gebruik van een structuur met meerdere slijpschijven. Zo is de apparatuur bijvoorbeeld uitgerust met een set voorslijpschijven en een set voorslijpschijven, waarbij de draaitafel één volledige omwenteling maakt om achtereenvolgens het voorslijpen en het fijnslijpen uit te voeren. Een voorbeeld van dit type apparatuur is de G-500DS van het Amerikaanse bedrijf GTI (Figuur 2).

Afbeelding 2, G-500DS roterende tafelslijpmachine van GTI Company in de Verenigde Staten.

Rotatieslijpen van siliciumwafels:

Om te voldoen aan de eisen van de preparatie en het dunner maken van grote siliciumwafers, en om een nauwkeurige oppervlaktebewerking met een goede TTV-waarde te verkrijgen, stelde de Japanse wetenschapper Matsui in 1988 een rotatieslijpmethode voor siliciumwafers voor (in-feedgrinding). Het principe hiervan wordt weergegeven in Figuur 3. De siliciumwafer met één kristalstructuur en de komvormige diamantslijpschijf, die op de werkbank zijn bevestigd, roteren om hun respectievelijke assen, terwijl de slijpschijf tegelijkertijd continu in de axiale richting wordt aangevoerd. De diameter van de slijpschijf is groter dan de diameter van de te bewerken siliciumwafer en de omtrek ervan loopt door het midden van de siliciumwafer. Om de slijpkracht en de slijpwarmte te verminderen, wordt de vacuümzuignap meestal convex of concaaf gevormd, of wordt de hoek tussen de slijpschijfas en de as van de zuignap aangepast om semi-contactslijpen tussen de slijpschijf en de siliciumwafer te garanderen.

Figuur 3, Schematisch diagram van het principe van roterend slijpen van siliciumwafels

Vergeleken met slijpen op een draaitafel heeft roterend slijpen van siliciumwafers de volgende voordelen: ① Het slijpen van één enkele wafer is mogelijk, zelfs voor grote siliciumwafers van meer dan 300 mm; ② Het werkelijke slijpoppervlak B en de snijhoek θ zijn constant, waardoor de slijpkracht relatief stabiel is; ③ Door de hellingshoek tussen de as van de slijpschijf en de as van de siliciumwafer aan te passen, kan de oppervlaktevorm van de siliciumwafer actief worden gecontroleerd voor een betere oppervlaktenauwkeurigheid. Bovendien biedt roterend slijpen van siliciumwafers, met een groot slijpoppervlak en snijhoek θ, de voordelen van slijpen met een grote marge, eenvoudige online detectie en controle van dikte en oppervlaktekwaliteit, een compacte constructie, eenvoudige integratie van meerdere slijpstations en een hoge slijpefficiëntie.
Om de productie-efficiëntie te verbeteren en te voldoen aan de behoeften van halfgeleiderproductielijnen, maakt commerciële slijpapparatuur, gebaseerd op het principe van roterend slijpen van siliciumwafers, gebruik van een multi-spindel-multi-stationstructuur. Hierdoor kunnen grof- en fijnslijpen in één laad- en loscyclus worden uitgevoerd. In combinatie met andere hulpapparatuur kan hiermee het volledig automatische slijpen van siliciumwafers met één kristalstructuur, zowel "dry-in/dry-out" als "cassette-to-cassette", worden gerealiseerd.

Dubbelzijdig slijpen:

Bij het roterend slijpen van siliciumwafers, waarbij zowel de boven- als onderkant worden bewerkt, moet het werkstuk stapsgewijs worden omgedraaid, wat de efficiëntie beperkt. Bovendien ontstaan er bij het roterend slijpen van siliciumwafers oppervlaktefouten, zoals het kopiëren van de randen en slijpsporen. Hierdoor is het onmogelijk om defecten zoals golvingen en taps toelopende vormen op het oppervlak van de siliciumwafer na draadsnijden (multi-saw) effectief te verwijderen, zoals weergegeven in Figuur 4. Om deze problemen te verhelpen, is in de jaren negentig de dubbelzijdige slijptechnologie (doublesidegrinding) ontwikkeld. Het principe hiervan is weergegeven in Figuur 5. De siliciumwafer wordt symmetrisch aan beide zijden vastgeklemd in een borgring en langzaam aangedreven door een rol. Aan weerszijden van de siliciumwafer bevinden zich twee komvormige diamantslijpschijven. Deze schijven worden aangedreven door een elektrische spindel met luchtlagers en draaien in tegengestelde richting, waardoor de siliciumwafer aan beide zijden wordt geslepen. Zoals in de afbeelding te zien is, kan dubbelzijdig slijpen de golvingen en tapsheid op het oppervlak van de siliciumwafel na draadsnijden effectief verwijderen. Afhankelijk van de richting van de as van de slijpschijf kan dubbelzijdig slijpen horizontaal of verticaal plaatsvinden. Horizontaal dubbelzijdig slijpen vermindert effectief de invloed van vervorming van de siliciumwafel door het eigen gewicht op de slijpkwaliteit. Bovendien zorgt het ervoor dat de slijpomstandigheden aan beide zijden van de siliciumwafel gelijk zijn en dat slijpdeeltjes en spanen zich niet gemakkelijk aan het oppervlak van de siliciumwafel hechten. Het is een relatief ideale slijpmethode.

Figuur 4, "Foutkopie" en slijtagedefecten bij het roterend slijpen van siliciumwafels.

Figuur 5, schematisch diagram van het dubbelzijdige slijpprincipe

Tabel 1 toont de vergelijking tussen roterend slijpen en dubbelzijdig slijpen van de drie bovengenoemde typen siliciumwafers met één kristal. Dubbelzijdig slijpen wordt voornamelijk gebruikt voor de verwerking van siliciumwafers kleiner dan 200 mm en heeft een hoge waferopbrengst. Door het gebruik van vaste slijpschijven kan met dubbelzijdig slijpen van siliciumwafers met één kristal een veel hogere oppervlaktekwaliteit worden bereikt dan met dubbelzijdig slijpen. Daarom voldoen zowel roterend slijpen als dubbelzijdig slijpen aan de kwaliteitseisen voor gangbare siliciumwafers van 300 mm en zijn het momenteel de belangrijkste methoden voor het afvlakken van siliciumwafers. Bij de keuze van een methode voor het afvlakken van siliciumwafers is het noodzakelijk om rekening te houden met de eisen ten aanzien van de diameter, de oppervlaktekwaliteit en de polijsttechnologie van de siliciumwafer met één kristal. Voor het dunner maken van de achterkant van de wafer kan alleen een enkelzijdige verwerkingsmethode worden gekozen, zoals roterend slijpen.

Naast het kiezen van de slijpmethode voor siliciumwafers, is het ook noodzakelijk om de juiste procesparameters te selecteren, zoals positieve druk, korrelgrootte van de slijpschijf, bindmiddel van de slijpschijf, slijpschijfsnelheid, snelheid van de siliciumwafer, viscositeit en debiet van de slijpvloeistof, enz., en een geschikte procesroute te bepalen. Meestal wordt een gesegmenteerd slijpproces gebruikt, bestaande uit grof slijpen, semi-fijn slijpen, fijn slijpen, vonkvrij slijpen en langzaam terugslijpen, om enkelkristallijne siliciumwafers te verkrijgen met een hoge verwerkingsefficiëntie, een hoge oppervlaktegladheid en minimale oppervlakteschade.