单晶硅片减薄工艺的断裂强度优化方法：基于亚表面损伤深度预测模型与芯片强度评估

针对3D IC技术中硅片减薄工艺效率与强度难以兼顾的行业难题，本研究通过建立粗/精磨亚表面损伤(SSD)深度预测模型，提出了一种兼顾研磨效率与芯片强度的优化方法。结果表明：简化砂轮特征参数的SSD预测模型兼具高精度与工程适用性，优化方案使50 μm超薄硅片研磨效率提升近一倍，同时保持表面粗糙度与强度。该研究为超薄晶圆减薄工艺设计提供了方法论指导。

　　

随着集成电路(IC)器件向微型化、高密度化发展，3D IC技术对超薄单晶硅片的需求急剧增长。然而，晶圆厚度减至50微米量级时，极易发生变形断裂，成为制约行业发展的"卡脖子"难题。传统减薄工艺中，粗磨与精磨分步进行虽能保证强度，却牺牲了效率；而整合工艺又面临亚表面损伤(SSD)深度不可控的风险。如何实现"又快又好"的减薄加工，成为学术界与产业界共同关注的焦点。

针对这一挑战，中国研究人员在《Materials Science and Engineering: B》发表最新成果。研究团队创新性地建立了粗磨阶段裂纹损伤与精磨阶段位错损伤的差异化预测模型，通过激光共聚焦显微镜(VK-X250)观测SSD深度，结合三弯法测试芯片强度，构建了工艺参数-损伤深度-力学性能的闭环优化体系。关键技术包括：基于单颗磨粒划擦理论的SSD预测模型、考虑应变率的位错动力学分析、以及多方案对比的表面粗糙度-强度关联评估。

SSD深度检测
采用差异化观测策略：粗磨阶段用激光共聚焦显微镜直接测量[110]晶向裂纹深度；精磨阶段通过化学蚀刻放大位错缺陷后检测。这种分级检测方法突破了传统手段对纳米级位错损伤的观测极限。

SSD深度预测模型
粗磨模型通过简化砂轮特征参数，将复杂磨粒分布转化为等效切削深度；精磨模型引入应变率因子，揭示位错增殖与应力场的动态关系。验证显示模型预测误差<15%，远优于需精确获取砂轮参数的传统方法。

结论
研究实现了三大突破：1) 粗/精磨SSD预测模型使工艺设计周期缩短60%；2) 优化方案使50 μm晶圆研磨效率提升98%，强度保持>1.2 GPa；3) 首次揭示研磨台阶数存在效率饱和阈值。该成果为3D IC超薄晶圆制造提供了从理论预测到工艺优化的完整技术路线，相关方法已应用于12英寸晶圆量产线。

讨论指出，当前模型对<10 nm位错簇的预测仍存在局限，未来可通过分子动力学模拟进一步优化。该研究不仅解决了减薄工艺的效率-强度权衡难题，其建立的SSD-强度关联数据库更为IC封装可靠性设计提供了重要参考依据。