减薄抛光的半导体晶片背面微损伤成因分析

减薄抛光的半导体晶片背面微损伤成因分析

 ,郭玉良,刘瑞雨

 恩智浦半导体（天津）有限公司 天津

摘要

硅晶片裂纹失效是影响半导体芯片封装质量和可靠性的重要因素之一。从硅片供应商、半导体晶片制造、封装组装到最终客户应用，供应链的每个环节都需要解决这个问题。找到影响晶片裂纹的关键因素，对于实施准确的纠正措施是至关重要的调查。晶片裂纹产生的关键因素是晶片背面磨削后的微损伤。本研究旨在探讨影响背磨抛光后背面微损伤的各种因素，通过设计由背磨过程中各工序和机械步骤组成的实验方法，通过轮廓仪监测确定各因素对背磨抛光后晶片背面微损伤的影响。为了提高薄晶片的机械强度，对薄片进行抛光是敏感晶片的常用工艺。结果表明，抛光后的晶片背面被触碰会导致微损伤。

关键词

背面研磨，晶片裂纹，背面损伤，抛光。

引言

目前，对于半导体封装来说，越来越小是大趋势，这就要求晶片越做越薄。但硅片越薄，翘曲、微裂纹、应力等问题就越严重，会影响成品率、搬运、揭膜、激光打标和切粒等。同时，对可靠性的要求也很高，尤其是在汽车安全方面。封装晶片裂纹是影响可靠性的一种典型问题，对175微米厚度以下晶圆背面进行抛光，去除磨轮减薄损伤层以改善晶片的力学性能是半导体制造中常见的工艺。晶圆背面进行镜面抛光后，晶片强度提高。 但单机抛光并没有消除晶片裂纹，一些失效案例中还是出现了晶片破裂。

1. LQFP芯片在使用过程中发生晶片破裂

LQFP (Low Profile Quad Flat Packages) 48ld 7x7EP (Exposed Pad)几个芯片由于功能失效被客户退回，其中一个是Pin 37在热功能测试中没有波形，见图1。失效分析包括封装光学检查、x射线检查和SAM(扫描声学显微镜)，未发现异常。用磨削工具对失效部件背面进行脱模处理后，对晶片裂纹进行了捕捉，光学和扫描电子显微镜(SEM)图像显示了微损伤(长约370um，宽约12um)，穿过晶片背面裂纹线。用EDX(能量色散x射线光谱)进行成分分析。断裂硅间隙和微损伤区主要含有C和Si，与晶片背面完整的硅晶片相匹配，含碳较高是因FA分析过程中，用化学方法去除晶片附着层导致的，见图2。

图1 管脚37 Vcc5 短路

图2 微损伤的光谱分析

    根据失效分析，可以确定，晶片背面的损伤与晶片裂纹的位置相匹配，晶片裂纹本质上是潜伏的，在后续的制造和使用过程中，晶片在高温和电脉冲的作用下才会产生裂纹。背部损伤为机械损伤或异物擦伤。其他返回的芯片在晶片背面有类似的微损伤(损伤长度:300到500um，宽度:12到13um，深度:0.33到0.45um)，损伤从哪里来？我们列出背磨工艺流程图，进行背面微损伤分析，见图3。由于背磨会使晶片背面厚度减少60%，因此在背磨过程中，任何在背磨前的微小损伤都会被去除掉，所以可以排除背磨前的工艺。

图3 背磨工艺流程图

2.实验步骤

由于背面损伤是减薄后的划痕，所以很有可能是在抛光或去胶带过程中造成的。因此，涉及到抛光和揭胶带过程。所有与晶圆背面直接接触的零件都需要进行验证，使用假片晶圆进行模拟加工，并使用轮廓仪逐步监控晶圆背面

3. 抛光和揭胶带过程的分析

使用故障树进行分析，参考图4，外来物影响的概率很低，而且外来颗粒造成的损伤形状与LQFP的损伤完全不同，所以不会做为关注点。

抛光机抛光后有两部分直接接触晶圆背面， T2吸盘将晶圆从卡盘台转移到旋转台，机械手将晶圆从旋转台搬运到物料盒。加工5片晶圆假片，T2吸盘将晶圆片运送到清洗台后，将晶圆取出，用轮廓仪进行检测，未发现划痕。用同样的方法，加工5片硅片，机械手将晶圆运送到物料盒后取出，用轮廓仪进行检测，每片硅片上都有划痕，损伤形状与客户退回物料相似。

图4 故障树分析

机械手在运送晶圆时动作正常，检查划痕位置是否与机械手真空孔匹配，见图5，5个实验晶圆的损伤数据与客户退货品的长度、宽度、深度相似，见下表。

图5 晶圆微损伤位置与机械手对应位置

机械手材料是陶瓷的并有涂层，检查机械手表面可以看到真空孔附近有凸起，机械手从清洗台上抓取晶圆时，机械手与晶圆之间有一点位移，在接触晶圆背面时，机械手突起刮伤了晶圆背面，这是晶圆背面损伤的原因。用客户退回的LQFP芯片在晶圆位置上映射抛光机机械手的接触区域，我们发现有一个芯片位置是抛光机机械手接触不到的，见图6，这说明还有其他因素导致了微损伤。

图6 退货芯片在晶圆上的位置与机械手接触区域对比

揭膜机有三个部件直接接触晶圆背面，机械手，对准工作台和卡盘工作台。准备5个抛光假晶片。请注意，从抛光机旋转台上取出抛光晶圆，避免抛光机机械手接触晶圆背面，以免被其划伤。揭膜机机械手抓取晶圆损伤检查，机械手从物料盒中取出晶圆时停止揭膜机，手动释放真空，将晶圆拿到轮廓仪下检查， 5片晶圆背面未发现划伤。对准工作台损伤检查，晶圆对准完成后停止揭膜机，释放真空，将晶圆从对准工作台取出，并在轮廓仪下观察对准工作台接触区域，未发现损伤。卡盘工作台损伤检查，将5片晶片在揭膜机上自动运行，揭膜后将5片晶片移出，用轮廓仪检查，观察到晶圆背面有一些小损伤，这些损伤的唯一来源应该是揭膜机卡盘工作台，微观损伤分布在5个圆环状区域，与卡盘工作台的真空孔布局相匹配，客户退货的LQFP芯片在晶圆上的位置也在5个圆环状区域的覆盖范围内，见图7。

图7 退货芯片所在位置与卡盘工作台真空孔布局

4. 结论

    本文着重研究了硅晶片裂纹因素之一，即抛光晶圆背面损伤。抛光机机械手和揭膜机卡盘工作台是抛光晶圆背面小损伤的根本原因。用单机版抛光机对晶圆进行抛光，并用日东HR8500II揭膜机揭膜，对晶圆进行抛光提高晶片机械强度，并不是很好的生产方案。

参考文献

M. Murugesan, T. Fukushima, J.C. Bea, K. W. Lee, M. Koyanagi, “Yield enhancement and mitigating the Si-chipping and wafer cracking in ultra-thin 20µm-thick 8- and 12-inch LSI wafer” 2015, IEEE, USA

Asen Long Xin Jiang, Lai Chih Ming, Jeff Chen Yi Gao, Tan Kim Hwee, “Silicon Wafer Backside Thinning with Mechanical and Chemical Method for Better Mechanical Property” 2007, IEEE, China

Kazuto Aizawa, Jun Maeda, Yuya Hasegawa and Shinya Takyu, “A Study on Back Grinding Tape for Ultra-thin Chip Fabrication” 2019, IEEE, Hong Kong