传统集成电路的晶圆制程在晶体管尺寸方面即将达到极限,3D堆叠技术通过芯片三维堆叠能在单位面积上集成更多的元器件,已成为半导体行业的发展趋势。三维封装要求硅片厚度更薄,这对减薄硅片强度提出了新的挑战。磨削时强度不足,芯片可能破碎。减薄后芯片强度不足可导致芯片在封装测试阶段产生裂纹,使得芯片失效。因此,提高芯片的强度对于半导体行业提升产品良率、降低成本、增加利润具有重要意义。硅片的强度与表面质量有关,目前人们已经对微裂纹和强度的关系有了一定的认识,但是精磨及抛光等工艺后硅片表面没有明显的微裂纹损伤,学者们推测硅片强度与表面粗糙度和非晶层的厚度有关,但是缺乏直接的证据。因此,研究减薄各工艺阶段的剩余强度与表面缺陷的关系对于优化减薄工艺,提升硅片强度具有重要意义。本文基于ball-on-ring法搭建了强度测试试验台来测试精磨、干式抛光和等离子刻蚀处理后的硅片强度,并使用角度截面显微观测法等观测了它们的表面缺陷,然后使用有限元仿真分析存在这些缺陷对硅片强度的影响。本文的主要研究内容如下:(1)搭建了适用于硅片强度测试的试验台。本文对常用的强度测试方法三点弯曲法、四点弯曲法和ball-on-ring法通过仿真分析发现三点弯曲法和四点弯曲法易受到硅片在划片时引入的边缘缺陷的影响,ball-on-ring法的应力分布对边缘缺陷不敏感,不易受边缘缺陷的影响。接着分析了ball-on-ring测试过程中的影响因素,从而提出确定了ball-on-ring测试装置尺寸的原则,最后搭建了ball-on-ring强度测试试验台。(2)使用强度测试试验台得到了精磨、干式抛光、等离子刻蚀后硅片的强度分布,等离子刻蚀硅片的断裂应力为2-10 GPa,干式抛光硅片的断裂应力为1-7 GPa,精磨硅片的断裂应力为600-1500 MPa。本文使用角度截面显微观测法发现精磨片有280 nm的裂纹缺陷,干式抛光片和等离子刻蚀片没有明显的损伤。表面轻微的腐蚀后,使用扫描电子显微镜观测到精磨片表面存在连续的划痕和点坑,干式抛光片表面存在少量点坑。同时等离子刻蚀片表面也存在类似的零星点坑。(3)仿真分析了硅片表面的粗糙峰、点坑、划痕对强度的影响。粗糙峰起伏产生的最大应力集中系数仅为1.04,点坑和划痕都能产生明显于粗糙峰起伏的应力集中,而且随着深度的增加,应力集中更为明显。由此佐证了,粗糙峰起伏是导致等离子刻蚀片最大强度不能达到理想硅片强度的原因,点缺陷是部分干式抛光片和等离子刻蚀片强度降低的原因,连续的点坑和划痕是精磨片最大强度较低的原因。