國(guó)慶期間半導(dǎo)體行業(yè)也有好消息傳來。據(jù)清華大學(xué)新聞網(wǎng)消息，由清華大學(xué)機(jī)械系路新春教授帶領(lǐng)清華大學(xué)成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目公司華海清科研發(fā)的首臺(tái)12英寸超精密晶圓減薄機(jī)Versatile-GP300正式出機(jī)，發(fā)往國(guó)內(nèi)某集成電路龍頭企業(yè)。該裝備是路新春教授團(tuán)隊(duì)與華海清科繼解決國(guó)內(nèi)集成電路CMP裝備“卡脖子”問題后的又一突破性成果，將用于3D IC制造、先進(jìn)封裝等芯片制造產(chǎn)線，滿足12英寸晶圓超精密減薄工藝需求。

據(jù)華海清科官網(wǎng)信息，Versatile-GP300是公司研制的用于12英寸晶圓減薄拋光一體機(jī)，通過新型整機(jī)布局集成超精密磨削、CMP及后清洗工藝，配置先進(jìn)的厚度偏差與表面缺陷控制技術(shù)，提供多種系統(tǒng)功能擴(kuò)展選項(xiàng)，具有高精度、高剛性、工藝開發(fā)靈活等優(yōu)點(diǎn)?？苫赩ersatile-GP300拓展和研發(fā)多種配置，滿足3D IC制造、先進(jìn)封裝等領(lǐng)域的晶圓減薄技術(shù)需求。

晶圓減薄為何如此重要？

伴隨著晶圓尺寸的增大，其厚度也相應(yīng)增厚，這是為了保證晶圓在制造過程中具有足夠的強(qiáng)度。比如6英寸和8英寸的晶圓厚度是625微米和725微米，而12英寸的厚度達(dá)到775微米。但另一方面隨著電子產(chǎn)品小型化的驅(qū)動(dòng)，集成電路尺寸不斷微縮，特別是3D、SiP等先進(jìn)封裝等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)芯片的厚度提出更高的要求，基本要求就是越薄越好。
       對(duì)一個(gè)厚度725微米的12英寸晶圓，其電路層的有效厚度一般為5-10微米，極限厚度也就是20-30微米，而占總厚度90%以上的襯底材料僅是為保證晶圓在制造、測(cè)試和運(yùn)送過程中有足夠的強(qiáng)度。因此電路層制作完成后，在封測(cè)階段  首先要對(duì)晶圓進(jìn)行背面減薄，使其達(dá)到所需的厚度，然后再進(jìn)行后續(xù)的劃片等工序：

       晶圓減薄后對(duì)芯片有以下優(yōu)點(diǎn)：
       第一是芯片散熱效率顯著提高。隨著芯片結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，集成度越來越高，晶體管數(shù)量大幅增加，散熱已逐漸成為影響芯片性能和壽命的關(guān)鍵因素。顯然更薄的芯片有利于熱量從襯底導(dǎo)出。
       第二是減薄后的芯片可以減少芯片封裝體積，可以讓芯片尺寸更小。
       第三是減少芯片的內(nèi)部應(yīng)力。芯片厚度越厚，其工作過程中由于熱量的產(chǎn)生，使得芯片背面產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，較大的內(nèi)應(yīng)力會(huì)讓芯片產(chǎn)生破裂。
       除此以外，更薄的晶圓還可提高芯片的器件性能和提高后續(xù)劃片加工的成品率。

晶圓減薄的原理及常見技術(shù)

在半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展中業(yè)界推出了諸如磨削、研磨、CMP、干式拋光、電化學(xué)腐蝕、濕法腐蝕和等離子輔助化學(xué)腐蝕（PACE）、常壓等離子腐蝕（ADPE）等很多減薄技術(shù)，目前常用的是磨削、CMP、濕法腐蝕、ADPE和干式拋光等五種。
       磨削是目前晶圓背面減薄的主要手段，其基本原理是通過旋轉(zhuǎn)的金剛砂輪對(duì)晶圓背面進(jìn)行磨削，金剛砂輪基材通常有陶瓷、環(huán)氧樹脂。磨削由于效率高，減薄后的晶圓平整度好，成本較低，表面加工質(zhì)量可以滿足一般集成電路封裝技術(shù)要求，成為最常見的一種減薄技術(shù)。
       磨削的技術(shù)路線主要有旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)磨削技術(shù)和晶圓自旋轉(zhuǎn)磨削技術(shù)兩種，其中旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)磨削技術(shù)起步較早，在上個(gè)世紀(jì)70年代就已經(jīng)用于100mm以下晶圓背面減薄。目前這種技術(shù)也主要用于200mm及以下晶圓背面減薄工藝。
       旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)磨削技術(shù)的基本原理是：磨輪先向下運(yùn)動(dòng)，獲得一個(gè)預(yù)定的磨削厚度后工作臺(tái)緩慢、均勻地平移，載片臺(tái)便獲得一個(gè)均勻的劃切進(jìn)給速度。當(dāng)載片臺(tái)上的晶圓從進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的磨輪到旋出高速旋轉(zhuǎn)的磨輪時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了一次磨削過程：

       晶圓自旋轉(zhuǎn)磨削技術(shù)于80年代提出，主要是克服了旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)磨削技術(shù)對(duì)更大尺寸晶圓磨削存在局限性的問題。晶圓自旋轉(zhuǎn)磨削技術(shù)的基本原理是：在尺寸略大于晶圓的工件轉(zhuǎn)臺(tái)上，晶圓通過真空吸盤夾持在工件轉(zhuǎn)臺(tái)中心，杯形金剛石磨輪工作面的內(nèi)外圓周中線調(diào)整到晶圓的中心位置，磨輪和晶圓繞各自的軸線回轉(zhuǎn)，磨輪垂直向下進(jìn)行縱向切入磨削，也就是所謂的in-feed:

       磨削深度Tw與磨輪軸向進(jìn)給速度f和晶圓轉(zhuǎn)速Nw之間存在如下關(guān)系：Tw=f/Nw，可以看出對(duì)給定的磨輪軸向進(jìn)給速度，提高晶圓轉(zhuǎn)速便可以減少晶圓磨削深度。
       晶圓自旋轉(zhuǎn)磨削技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：
       第一：在加工脆性材料時(shí)，當(dāng)磨削深度小于某一臨界值時(shí)，在給定的軸向進(jìn)給速度下如果工作臺(tái)轉(zhuǎn)速足夠高，便可以實(shí)現(xiàn)極微小磨削深度，也就是可實(shí)現(xiàn)延性域磨削。
       第二：通過同時(shí)提高晶圓轉(zhuǎn)速和磨輪軸向進(jìn)給速度，可以在保持與普通磨削同樣的磨削深度下達(dá)到較高的材料去除率，磨削效率較高。
       第三：因?yàn)槟ポ喤c晶圓的接觸長(zhǎng)度、接觸面積、切入角不變，磨削力恒定，加工狀態(tài)穩(wěn)定，可以避免晶圓出現(xiàn)中凸或塌邊情況。
       第四：磨輪旋轉(zhuǎn)速度高于晶圓轉(zhuǎn)速，因此磨輪的磨損對(duì)晶圓平整度影響較小。
       第五：晶圓自旋轉(zhuǎn)磨削設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，容易實(shí)現(xiàn)多工位集成，可以和拋光裝置集成一起，實(shí)現(xiàn)磨削拋光一體化。
基于上述優(yōu)點(diǎn)，在200mm以上的晶圓背面減薄中，晶圓自旋轉(zhuǎn)磨削技術(shù)取代旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)磨削技術(shù)，成為主流技術(shù)。
啰嗦一句，相比技術(shù)路線復(fù)雜的光刻技術(shù)，磨削技術(shù)目前就上述兩種技術(shù)路線，技術(shù)確定性很強(qiáng)，因而華海清科就算起步較晚，只要相應(yīng)的技術(shù)獲得突破，設(shè)備性能能達(dá)到技術(shù)要求，設(shè)備能被客戶采用，便就有了一定的市場(chǎng)空間。

晶圓減薄設(shè)備典型結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)要求

因?yàn)椴捎镁A自旋轉(zhuǎn)磨削技術(shù)的減薄機(jī)可以集成拋光，因此一體化減薄機(jī)在200mm以上的晶圓減薄中成為很典型的設(shè)備，比如華海清科此次推出的Versatile-GP300以及行業(yè)巨頭日本DISCO的DGP8761全自動(dòng)300mm三軸四卡盤研削拋光一體機(jī)。
       在如下圖的一體化減薄機(jī)中，左邊是磨拋主體，集成了磨削和拋光功能，其通過一個(gè)帶有4個(gè)真空吸盤的大圓盤回轉(zhuǎn)臺(tái)的360度旋轉(zhuǎn)，使晶圓在不用離開真空吸盤的情況下就可以順次移送到粗磨、精磨、拋光等不同的加工工位，完成了整個(gè)減薄過程：

       這種一體化的設(shè)計(jì)完全克服了磨片后晶圓嚴(yán)重翹曲造成的難以搬到拋光機(jī)的問題，也避免了磨片后嚴(yán)重翹曲使表面損傷擴(kuò)大甚至破裂的風(fēng)險(xiǎn)。
       日本DISCO是全球領(lǐng)先的減薄拋光設(shè)備供應(yīng)商，其DGP8761三軸四卡盤全自動(dòng)研削拋光機(jī)也是一種集成磨削和拋光的一體化減薄機(jī)，其加工過程是用機(jī)械手臂將晶圓從晶圓盒中取出，放到中心定位臺(tái)上進(jìn)行中心定位；用T1取物手臂將晶圓搬運(yùn)到工作臺(tái)上；進(jìn)行粗研磨加工；進(jìn)行細(xì)研磨加工；進(jìn)行干式拋光加工去除殘余應(yīng)力；用T2取物手臂將晶圓從工作臺(tái)上轉(zhuǎn)移到離心清洗臺(tái)上；進(jìn)行清洗和干燥；將晶圓轉(zhuǎn)移到貼膜機(jī)上。
       DGP8761可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)厚度25微米以下的12英寸晶圓減薄工藝，通過優(yōu)化搬運(yùn)部機(jī)構(gòu)布局縮短了加工作業(yè)時(shí)間，提高了效率：

       減薄機(jī)的主要質(zhì)量要求是：
       第一：擁有晶圓完整性，無破損；
       第二：達(dá)到晶圓厚度精度及超薄化能力要求；
       第三：達(dá)到晶圓表面粗糙度要求；
       第四：達(dá)到晶圓表面損傷層厚度（SSD）要求；
       第五：晶圓厚度一致性要求。
       減薄機(jī)的主要性能指標(biāo)也主要圍繞上述要求，比如DISCO的DFG8540和DFG8560，除了可加工的晶圓直徑、減薄技術(shù)等，重要的技術(shù)指標(biāo)就有磨削精度，且細(xì)分出片間誤差、總厚度精度等指標(biāo)：

當(dāng)然衡量減薄機(jī)最粗暴的技術(shù)指標(biāo)還是減薄厚度，比如DISCO的設(shè)備就可達(dá)到最低5微米的減薄厚度，雖然因?yàn)榧庸こ杀镜仍虿⑽雌占?，?微米的水平也說明了DISCO的技術(shù)水準(zhǔn)。

國(guó)產(chǎn)減薄機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀：正處大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化前夜

路新春教授團(tuán)隊(duì)自2000年起便開展了CMP基礎(chǔ)研究，并承擔(dān)了國(guó)家重大科技攻關(guān)任務(wù)十余項(xiàng)，并通過華海清科這個(gè)產(chǎn)業(yè)化公司相繼推出了國(guó)產(chǎn)8英寸、12英寸CMP設(shè)備，打破了國(guó)外對(duì)該領(lǐng)域的壟斷。目前華海清科CMP設(shè)備實(shí)現(xiàn)28nm工藝量產(chǎn)，并具備14-7nm工藝拓展能力。
       相比CMP，減薄機(jī)在華海清科的產(chǎn)品線中屬于拓展產(chǎn)品，因?yàn)橛辛藴p薄與拋光技術(shù)的集成趨勢(shì)，公司順理成章的將業(yè)務(wù)拓展至減薄設(shè)備領(lǐng)域，推出了Versatile-GP300減薄拋光一體機(jī)。
       不過目前華海清科的減薄機(jī)還沒有貢獻(xiàn)營(yíng)收，2017-2020年其營(yíng)收為0.19億元、0.36億元、2.11億元和3.86億元，其中CMP設(shè)備貢獻(xiàn)的營(yíng)收為0.14億元、0.32億元、1.95億元和3.53億元，其余來自配套材料及技術(shù)服務(wù)。截止2020年公司累計(jì)銷售300系列CMP設(shè)備33臺(tái)，200系列CMP設(shè)備1臺(tái)：

        除了華海清科，國(guó)內(nèi)還擁有減薄機(jī)研發(fā)能力的就是中國(guó)電科裝備旗下的中科電，其國(guó)家02專項(xiàng)“300mm超薄晶圓減薄拋光一體機(jī)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化“項(xiàng)目在2020年4月通過科技部正式驗(yàn)收，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)在集成電路高端裝備自主創(chuàng)新進(jìn)程上實(shí)現(xiàn)新的突破。相關(guān)消息顯示，中科電減薄一體機(jī)是國(guó)內(nèi)首臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并滿足大生產(chǎn)的300mm減薄拋光一體機(jī)，具備晶圓粗磨、精磨、非接觸測(cè)量、拋光、清洗、傳輸和保護(hù)膜處理等全自動(dòng)流片能力。

       總體上華海清科和中科電已經(jīng)在減薄設(shè)備上取得重大突破，下一步就是如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，提升市占率。