詳解晶圓的劃片工藝流程

文章來源：晶格半導體

原文作者：晶格半導體

本文主要介紹晶圓的劃片工藝流程

在半導體制造的復雜流程中，晶圓歷經前道工序完成芯片制備后，劃片工藝成為將芯片從晶圓上分離的關鍵環(huán)節(jié)，為后續(xù)封裝奠定基礎。由于不同厚度的晶圓具有各異的物理特性，因此需匹配不同的切割工藝，以確保切割效果與芯片質量。

一、基于晶圓厚度的切割工藝選擇

1、厚度 100um 以上的晶圓 - 刀片切割

對于厚度超過 100um 的晶圓，刀片切割(Blade dicing or blade sawing)是常用的方法。這種方法在長期的實踐中展現(xiàn)出高效切割大量晶圓的能力，能夠滿足大規(guī)模生產的需求。在刀片切割過程中，諸多細節(jié)關乎切割質量。為保護晶圓免受外部損傷，需事先在晶圓上貼敷膠膜。與 “背面減薄” 過程中膠膜貼在晶圓正面不同，刀片切割時膠膜要貼在晶圓背面，而在后續(xù)的共晶貼片(Die Bonding)過程中，這層貼在背面的膠膜會自動脫落。切割時，因刀片與晶圓間摩擦劇烈，需從各個方向連續(xù)噴灑 DI 水(去離子水)，以降低摩擦產生的熱量并沖走切割碎屑。

同時，為實現(xiàn)更好的切片效果，葉輪上會附有金剛石顆粒。值得注意的是，切口(即刀片厚度與凹槽寬度)必須均勻，且不得超過劃片槽的寬度，以保證切割精度。然而，刀片切割并非毫無挑戰(zhàn)。若切片的進給速度大幅提高，小芯片邊緣剝落的風險將顯著增加。因此，通常需將葉輪的旋轉次數(shù)控制在每分鐘 30000 次左右，以平衡切割效率與切割質量。此外，在切割較窄跡道(street)寬度的晶圓時，對設備精度要求極高。需要使用具有高分度軸精度、高光學放大和先進對準運算的設備，以確保每次切割都能精確落在跡道中心幾微米范圍內。而且，選擇刀片厚度也需謹慎權衡。雖窄跡道切割應盡量選用最薄的刀片，但很薄的刀片(如 20μm)極為脆弱，容易過早破裂和磨損，導致其壽命期望和工藝穩(wěn)定性較厚刀片差。對于 50 - 76μm 跡道的刀片，推薦厚度為 20 - 30μm。

2、厚度不到 100um 的晶圓 - 激光切割

當晶圓厚度不足 100um 時，激光切割成為更為適宜的選擇。激光切割利用高能量密度的激光束瞬間熔化或氣化被切割材料，從而實現(xiàn)晶圓的分離。這種方法的顯著優(yōu)勢在于能夠有效減少剝落和裂紋問題，尤其適用于對芯片邊緣質量要求較高的場景。然而，激光切割在處理 100um 以上厚度的晶圓時，生產效率會大大降低，這限制了其在厚晶圓切割中的應用。

3、厚度不到 30um 的晶圓 - 等離子切割

對于厚度小于 30um 的超薄晶圓，等離子切割展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。等離子切割通過高溫、高速的等離子體射流將材料熔化并吹離，實現(xiàn)切割目的。該工藝速度快，且不會對晶圓表面造成損傷，能夠有效提高良率。但等離子切割工藝過程更為復雜，對設備和操作要求較高，需要專業(yè)的技術人員和精密的設備來確保切割的準確性和穩(wěn)定性。

二、刀片切割工藝的關鍵要點

碎片問題及控制頂面碎片(TSC, top - side chipping)：頂面碎片發(fā)生在晶圓的頂面，當切片接近芯片的有源區(qū)域時，這一問題可能影響芯片合格率。其產生主要與刀片磨砂粒度、冷卻劑流量和進給速度相關。合適的刀片磨砂粒度能夠確保切割的平滑性，避免對芯片表面造成過度損傷;穩(wěn)定的冷卻劑流量可以有效降低切割過程中的溫度，減少因熱應力導致的碎片產生;而合理控制進給速度則能保證切割的穩(wěn)定性，防止因過快或過慢的進給導致芯片表面出現(xiàn)碎片。

背面碎片(BSC, back - side chipping)：背面碎片出現(xiàn)在晶圓的底面，當大的、不規(guī)則微小裂紋從切割的底面擴散并匯合時，就可能引發(fā)這一問題。當這些微小裂紋足夠長，導致不可接受的大顆粒從切口除掉時，BSC 便成為影響合格率的關鍵因素。一般而言，如果背面碎片的尺寸在 10μm 以下，可忽略不計;當尺寸大于 25μm 時，可看作潛在受損;不過，50μm 的平均大小在一定程度上可接受，具體還需視晶圓的厚度而定。為應對這些挑戰(zhàn)，切片系統(tǒng)與刀片之間的協(xié)作至關重要，特別是在高端應用中。刀片的特性，如金剛石(磨料)尺寸、金剛石含量和粘結劑的類型，對切割質量起著決定性作用。結合物作為分布有金剛石磨料的基體，其成分和結構會影響刀片的性能。此外，進給率和心軸速度等因素也會影響刀片的選擇。理解這些關鍵參數(shù)之間的關系，是為特定應用選擇最合適刀片的必要前提。

刀片負載監(jiān)測(Blade Load Monitering)在切片或其他磨削過程中，新一代的切片系統(tǒng)能夠自動監(jiān)測施加在刀片上的負載或扭矩，確保在不超出可接受的切削質量參數(shù)范圍內進行切割。對于每一套工藝參數(shù)，都存在一個切片質量下降和 BSC 出現(xiàn)的極限扭矩值。通過監(jiān)測切削質量與刀片基板相互作用力的關系，并測量相關變量，可以及時發(fā)現(xiàn)工藝偏差和損傷的形成。進而實時調整工藝參數(shù)，使扭矩不超過極限值，同時獲得最大的進給速度，實現(xiàn)高效、高質量的切割。切片工序的關鍵環(huán)節(jié)之一是切割刀片的修整(dressing)。在非監(jiān)測的切片系統(tǒng)中，修整工序往往通過反復試驗來確定。而在刀片負載受監(jiān)測的系統(tǒng)中，修整的終點可通過測量的力量數(shù)據(jù)來精準判斷，從而建立最佳的修整程序。這種方法具有顯著優(yōu)勢，既無需限時保證最佳刀片性能，又能避免因使用部分修整的刀片切片而導致的合格率損失。

冷卻劑流量穩(wěn)定(Coolant Flow Stabilization)以穩(wěn)定的扭矩運轉的切片系統(tǒng)，要求進給率、心軸速度和冷卻劑流量保持穩(wěn)定。冷卻劑在刀片上施加的阻力會造成扭力，因此，最新一代的切片系統(tǒng)通過精確控制冷卻劑流量，來維持穩(wěn)定的流速和阻力，進而保持冷卻劑扭矩影響的穩(wěn)定性。當切片機的冷卻劑流量穩(wěn)定且其他參數(shù)均受控制時，能夠維持一個穩(wěn)定的扭矩。若記錄到扭矩偏離穩(wěn)定值，可能是由于噴嘴堵塞導致冷卻劑流量變化、噴嘴調整不當、刀片個體差異、刀片磨損情況或操作員錯誤等不受控因素引起。及時排查和解決這些問題，對于確保切割質量和工藝穩(wěn)定性至關重要。