TSV硅晶圆背面磨削与CMP工艺中的关键力学问题

Through Silicon Vias (TSV) fabrication is the core technology of 3D chips integration, and backside grinding and chemical mechanical polishing (CMP) of TSV wafer are the critical processes for TSV fabrication. Mechanical load during process will cause wafer damage which results in low product quality and high manufacture cost. Therefore, mass production of TSV chips is still under development. In order to reveal the damage mechanism of TSV wafer, this project will systematically study the stress and deformation of TSV wafer during backside grinding and CMP processes by experimental method, theoretical analysis and numerical analysis. This project proposes a new methodology of the grinding force real-time measurement, based on MEMS pressure sensor arrays. And a model of grinding force will be established. Numerical modeling and analysis of temporary bonding structure of TSV wafer during backside grinding and CMP will be conducted, in the purpose of understanding the interaction among TSV wafer, bonding materials and carrier wafer under grinding force. After that, the experimental study of stress, strain and damage of internal structure of TSV wafer will be performed, in order to evaluate the silicon damage, and the integrity of TSV structure and front side circuit layers. The results of this project will supply the theoretical basis to optimize the process of TSV wafer fabrication and improve the yield.

硅通孔（TSV）技术是3D芯片集成的核心，TSV晶圆背面磨削与化学机械抛光（CMP）是TSV芯片制造的关键工艺，工艺载荷引起的晶圆损伤和破坏导致制造低良率和高制造成本，成为TSV芯片大规模应用的主要障碍。本项目采用实验研究、理论分析和数值模拟方法系统研究背面磨削和CMP工艺下TSV晶圆的应力、变形，揭示导致TSV晶圆损伤和破坏的机理。拟提出一种新的TSV晶圆背面磨削工艺磨削力在线测量方法，开发基于MEMS压力传感器阵列的磨削力实时测试装置，建立TSV晶圆背面磨削的磨削力模型。建立TSV晶圆背面磨削和CMP工艺临时键合体的力学模型和数值分析模型，研究磨削力作用下TSV晶圆、键合胶和支撑晶圆之间的力和变形关系，研究工艺载荷下TSV晶圆内部结构的应力、应变和损伤，评估TSV晶圆Si损伤、TSV结构和晶圆正面Cu-low-k层的完整性。本项目成果可为TSV晶圆制造工艺优化、提高良率提供依据。

硅晶圆是集成电路制造中的主要基体材料。基于晶圆自旋转技术的硅晶圆磨削是当今硅晶圆减薄的主要方式。然而随着封装工艺的不断革新，封装结构变得更加复杂，晶圆减薄不再仅仅局限于裸晶圆的磨削，而是存在于芯片制造的各个工艺步中。晶圆减薄工艺载荷引起的晶圆损伤和破坏导致制造良率低和制作成本高，已经成为限制封装技术发展的一大障碍。.本项目通过实验研究、理论分析和数值模拟，研究了硅晶圆背面磨削工艺下TSV晶圆的应力、变形，揭示了导致TSV晶圆损伤和破坏的机理。具体工作包括：基于薄膜压力传感器，开发了一套适用于硅晶圆自旋转磨削的磨削力在线测量装置及方法，实现了磨削力的在线测量，研究了磨削力的分布规律和工艺参数对磨削力的影响规律；实验研究了晶圆磨削工艺下晶圆损伤，包括：表面粗糙度、亚表面损伤深度、残余应力，建立了晶圆磨削损伤与工艺参数之间的关系；提出了硅晶圆磨削减薄工艺的磨削力理论预测模型，粗糙度预测模型，亚表面损伤深度预测模型；基于实验得到的磨削力结果，建立了包含TSV、正面电路Cu-low-k层、RDL层等细部结构的器件晶圆复合体有限元模型，研究了TSV晶圆背面磨削过程中的应力和变形分布规律，提出了综合考虑磨削质量和磨削效率的磨削工艺优化方法，得到了最优磨削工艺参数。本项目研究成果可为TSV晶圆制造工艺优化、提高TSV晶圆制造良率提供理论依据和技术支撑。.依托本项目，课题组公开发表SCI论文14篇，中文期刊论文1篇，发明专利12项（国际发明专利2项，国内发明专利10项），国际学术会议论文12篇（EI检索），1名博士后出站，培养博士生3名，硕士毕业生5名。