Warum ist eine Ausdünnung nötig?

In der Backend-Prozessphase,Waffel (SiliziumwaferBei Chips mit Schaltkreisen auf der Vorderseite muss die Rückseite vor dem Vereinzeln, Verschweißen und Verpacken ausgedünnt werden. Dies reduziert die Bauhöhe des Gehäuses, verringert das Chipvolumen, verbessert die Wärmeleitfähigkeit, die elektrischen Eigenschaften und die mechanischen Eigenschaften des Chips und verringert den Vereinzelungsaufwand. Das Rückseitenschleifen ist hocheffizient und kostengünstig und hat die traditionellen Nassätzen und Ionenätzverfahren als wichtigste Technologie zur Rückseitenverdünnung abgelöst.

Die dünnere Scheibe

Wie kann man abnehmen?

Hauptprozess der Waferverdünnung im traditionellen Verpackungsprozess

Die einzelnen Schritte vonWaffelBeim Dünnschichtverfahren wird der zu bearbeitende Wafer mit der Dünnschicht verbunden. Anschließend werden die Dünnschicht und der darauf befindliche Chip mittels Vakuum auf den porösen Keramik-Wafertisch adsorbiert. Die inneren und äußeren kreisförmigen Mittellinien der Arbeitsfläche der becherförmigen Diamantschleifscheibe werden auf die Mitte des Siliziumwafers ausgerichtet. Siliziumwafer und Schleifscheibe rotieren um ihre jeweiligen Achsen, um den Einschleifvorgang durchzuführen. Der Schleifprozess umfasst drei Stufen: Grobschleifen, Feinschleifen und Polieren.

Die aus der Waferfabrik kommenden Wafer werden rückseitig geschliffen, um sie auf die für die Verpackung erforderliche Dicke zu bringen. Beim Schleifen wird die Vorderseite (aktive Fläche) mit Klebeband geschützt, während gleichzeitig die Rückseite geschliffen wird. Nach dem Schleifen wird das Klebeband entfernt und die Dicke gemessen.
Zu den Schleifverfahren, die erfolgreich bei der Siliziumwafer-Herstellung angewendet wurden, gehören das Drehtischschleifen.SiliziumwaferRotationsschleifen, doppelseitiges Schleifen usw. Mit der weiteren Verbesserung der Anforderungen an die Oberflächenqualität von einkristallinen Siliziumwafern werden ständig neue Schleiftechnologien vorgeschlagen, wie z. B. TAIKO-Schleifen, chemisch-mechanisches Schleifen, Polierschleifen und Planetenscheibenschleifen.

Schleifen mit Drehtisch:

Das Drehtischschleifen ist ein älteres Schleifverfahren zur Vorbereitung und Rückseitenverdünnung von Siliziumwafern. Das Prinzip ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Siliziumwafer werden auf den Saugnäpfen des Drehtisches fixiert und rotieren synchron mit diesem. Die Wafer selbst rotieren nicht um ihre Achse; die Schleifscheibe wird axial zugeführt und dreht sich dabei mit hoher Geschwindigkeit. Ihr Durchmesser ist größer als der des Wafers. Es gibt zwei Arten des Drehtischschleifens: das Einstechschleifen und das Tangentialschleifen. Beim Einstechschleifen ist die Schleifscheibenbreite größer als der Waferdurchmesser. Die Schleifscheibenspindel fährt kontinuierlich axial vor, bis das überschüssige Material abgetragen ist. Anschließend wird der Wafer durch den Drehtisch weitergedreht. Beim Tangentialschleifen fährt die Schleifscheibe axial vor, und der Wafer rotiert kontinuierlich durch die rotierende Scheibe. Der Schleifvorgang erfolgt durch Hin- und Herbewegung oder Kriechbewegung.

Abbildung 1, schematische Darstellung des Prinzips des Rundtischschleifens (tangentiales Planschleifen).

Im Vergleich zum Schleifen bietet das Rundtischschleifen Vorteile wie hohe Abtragsrate, geringe Oberflächenbeschädigung und einfache Automatisierung. Allerdings verändern sich die tatsächliche Schleiffläche (aktives Schleifen) B und der Einschnittwinkel θ (der Winkel zwischen dem Außenkreis der Schleifscheibe und dem Außenkreis des Siliziumwafers) mit der Position der Schleifscheibe. Dies führt zu einer instabilen Schleifkraft, erschwert das Erreichen einer idealen Oberflächengenauigkeit (hoher TTV-Wert) und begünstigt Defekte wie Kantenverwerfungen. Die Rundtischschleiftechnologie wird hauptsächlich für die Bearbeitung von einkristallinen Siliziumwafern unter 200 mm eingesetzt. Mit zunehmender Größe der einkristallinen Siliziumwafer steigen die Anforderungen an die Oberflächengenauigkeit und die Bewegungsgenauigkeit der Anlage, weshalb das Rundtischschleifen für das Schleifen von einkristallinen Siliziumwafern über 300 mm nicht geeignet ist.
Um die Schleifleistung zu verbessern, verwenden kommerzielle Tangentialschleifmaschinen für Flächen in der Regel eine Mehrscheiben-Schleifanlage. Beispielsweise sind an der Maschine ein Satz Grobschleifscheiben und ein Satz Feinschleifscheiben angebracht, wobei der Drehtisch eine Umdrehung durchführt, um nacheinander Grob- und Feinschleifen zu ermöglichen. Zu diesem Maschinentyp gehört beispielsweise die G-500DS der amerikanischen Firma GTI (Abbildung 2).

Abbildung 2, G-500DS Drehtischschleifmaschine der Firma GTI in den Vereinigten Staaten

Rotationsschleifen von Siliziumwafern:

Um den Anforderungen der Herstellung großflächiger Siliziumwafer und der Rückseitenverdünnung gerecht zu werden und eine hohe Oberflächengenauigkeit mit guten TTV-Werten zu erzielen, schlug der japanische Wissenschaftler Matsui 1988 ein Rotationsschleifverfahren für Siliziumwafer (In-Feed-Schleifen) vor. Dessen Prinzip ist in Abbildung 3 dargestellt. Der einkristalline Siliziumwafer und eine becherförmige Diamantschleifscheibe, die auf der Werkbank fixiert sind, rotieren um ihre jeweiligen Achsen, während die Schleifscheibe gleichzeitig kontinuierlich axial vorgeschoben wird. Der Durchmesser der Schleifscheibe ist dabei größer als der Durchmesser des zu bearbeitenden Siliziumwafers, und ihr Umfang verläuft durch dessen Mitte. Um die Schleifkraft und die Schleifwärme zu reduzieren, wird der Vakuumsauger üblicherweise konvex oder konkav geformt, oder der Winkel zwischen der Spindel der Schleifscheibe und der Spindelachse des Saugers wird so eingestellt, dass ein halber Kontakt zwischen Schleifscheibe und Siliziumwafer gewährleistet ist.

Abbildung 3, Schematische Darstellung des Rotationsschleifprinzips von Siliziumwafern

Im Vergleich zum Schleifen auf einem Drehtisch bietet das Rotationsschleifen von Siliziumwafern folgende Vorteile: ① Das Schleifen eines einzelnen Wafers in einem Arbeitsgang ermöglicht die Bearbeitung von Siliziumwafern mit einem Durchmesser von über 300 mm. ② Die tatsächliche Schleiffläche B und der Schnittwinkel θ sind konstant, und die Schleifkraft ist relativ stabil. ③ Durch die Anpassung des Neigungswinkels zwischen der Achse der Schleifscheibe und der Achse des Siliziumwafers lässt sich die Oberflächenform des einkristallinen Siliziumwafers aktiv steuern, um eine höhere Oberflächengenauigkeit zu erzielen. Darüber hinaus bietet das Rotationsschleifen von Siliziumwafern hinsichtlich Schleiffläche und Schnittwinkel θ Vorteile wie große Schleifränder, einfache Online-Dicken- und Oberflächenqualitätsprüfung und -steuerung, kompakte Anlagenstruktur, einfaches integriertes Mehrstationenschleifen und hohe Schleifeffizienz.
Um die Produktionseffizienz zu steigern und den Anforderungen von Halbleiterfertigungslinien gerecht zu werden, verwendet eine kommerzielle Schleifanlage, die auf dem Prinzip des Siliziumwafer-Rotationsschleifens basiert, eine Mehrspindel-Mehrstationenstruktur. Diese ermöglicht das Grob- und Feinschleifen in einem einzigen Be- und Entladevorgang. In Kombination mit weiteren Hilfseinrichtungen realisiert sie das vollautomatische Schleifen von einkristallinen Siliziumwafern im Trocken- und Trockenverfahren sowie von Kassette zu Kassette.

Doppelseitiges Schleifen:

Beim Rotationsschleifen von Siliziumwafern, bei dem Ober- und Unterseite bearbeitet werden, muss das Werkstück gewendet und die Bearbeitung schrittweise durchgeführt werden, was die Effizienz einschränkt. Gleichzeitig entstehen beim Rotationsschleifen von Siliziumwafern Oberflächenfehler (Kopien) und Schleifspuren (Schleifmarken). Defekte wie Welligkeit und Konizität auf der Oberfläche des einkristallinen Siliziumwafers nach dem Drahterodieren (Mehrfachsägen) lassen sich nicht effektiv entfernen (siehe Abbildung 4). Um diese Nachteile zu beheben, wurde in den 1990er Jahren das doppelseitige Schleifen entwickelt. Dessen Funktionsprinzip ist in Abbildung 5 dargestellt. Die beidseitig symmetrisch angeordneten Spannvorrichtungen fixieren den einkristallinen Siliziumwafer in einem Haltering und drehen sich langsam, angetrieben von einer Rolle. Jeweils zwei becherförmige Diamantschleifscheiben sind relativ zueinander auf beiden Seiten des einkristallinen Siliziumwafers angeordnet. Angetrieben von einer luftgelagerten elektrischen Spindel rotieren sie in entgegengesetzte Richtungen und werden axial vorgeschoben, um das doppelseitige Schleifen des einkristallinen Siliziumwafers zu ermöglichen. Wie aus der Abbildung ersichtlich, lassen sich durch beidseitiges Schleifen Welligkeiten und Verjüngungen auf der Oberfläche von Silizium-Einkristallwafern nach dem Drahterodieren effektiv beseitigen. Je nach Ausrichtung der Schleifscheibenachse kann das beidseitige Schleifen horizontal oder vertikal erfolgen. Horizontales beidseitiges Schleifen reduziert den Einfluss von Verformungen des Siliziumwafers durch dessen Eigengewicht auf die Schleifqualität und gewährleistet gleichmäßige Schleifbedingungen auf beiden Seiten des Wafers. Zudem wird verhindert, dass Schleifpartikel und Späne auf der Oberfläche haften bleiben. Es handelt sich daher um ein relativ ideales Schleifverfahren.

Abbildung 4, „Fehlerkopie“- und Verschleißspurdefekte beim Rotationsschleifen von Siliziumwafern

Abbildung 5, schematische Darstellung des doppelseitigen Schleifprinzips

Tabelle 1 vergleicht das Schleifen und das beidseitige Schleifen der drei oben genannten Arten von einkristallinen Siliziumwafern. Das beidseitige Schleifen wird hauptsächlich für die Bearbeitung von Siliziumwafern unter 200 mm Durchmesser eingesetzt und erzielt eine hohe Waferausbeute. Durch den Einsatz feststehender Schleifscheiben lässt sich beim Schleifen von einkristallinen Siliziumwafern eine deutlich höhere Oberflächenqualität erzielen als beim beidseitigen Schleifen. Daher erfüllen sowohl das Rotationsschleifen als auch das beidseitige Schleifen die Anforderungen an die Bearbeitungsqualität gängiger 300-mm-Siliziumwafer und sind derzeit die wichtigsten Planbearbeitungsverfahren. Bei der Auswahl eines Planbearbeitungsverfahrens für Siliziumwafer müssen die Anforderungen an Durchmesser, Oberflächenqualität und Poliertechnologie des einkristallinen Siliziumwafers umfassend berücksichtigt werden. Für die Rückseitenverdünnung des Wafers kann nur ein einseitiges Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise das Rotationsschleifen, gewählt werden.

Neben der Wahl des Schleifverfahrens beim Siliziumwafer-Schleifen müssen auch geeignete Prozessparameter wie Anpressdruck, Korngröße der Schleifscheibe, Bindemittel der Schleifscheibe, Drehzahl der Schleifscheibe, Drehzahl des Siliziumwafers, Viskosität und Durchflussrate des Schleifmittels etc. bestimmt und ein optimaler Prozessablauf festgelegt werden. Üblicherweise wird ein segmentierter Schleifprozess mit Vorschleifen, Vorschlichtschleifen, Feinschleifen, funkenfreiem Schleifen und langsamem Rückschleifen eingesetzt, um einkristalline Siliziumwafer mit hoher Bearbeitungseffizienz, hoher Oberflächenebenheit und geringer Oberflächenbeschädigung zu erhalten.