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詳解晶圓的劃片工藝流程

中科院半導體所 ? 來源:晶格半導體 ? 2025-02-07 09:41 ? 次閱讀
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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

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。

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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碎片。

背面碎片(BSC, back - side chipping):背面碎片出現在晶圓的底面,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范圍內進行切割。對于每一套工藝參數,都存在一個切片質量下降和 BSC 出現的極限扭矩值。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)現工藝偏差和損傷的形成。進而實時調整工藝參數,使扭矩不超過極限值,同時獲得最大的進給速度,實現高效、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據來精準判斷,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。

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