文章來(lái)源：晶格半導(dǎo)體

原文作者：晶格半導(dǎo)體

本文主要介紹晶圓的劃片工藝流程

在半導(dǎo)體制造的復(fù)雜流程中，晶圓歷經(jīng)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(guān)鍵環(huán)節(jié)，為后續(xù)封裝奠定基礎(chǔ)。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(zhì)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(duì)于厚度超過(guò) 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(zhǎng)期的實(shí)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(chǎn)的需求。在刀片切割過(guò)程中，諸多細(xì)節(jié)關(guān)乎切割質(zhì)量。為保護(hù)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(guò)程中膠膜貼在晶圓正面不同，刀片切割時(shí)膠膜要貼在晶圓背面，而在后續(xù)的共晶貼片(Die Bonding)過(guò)程中，這層貼在背面的膠膜會(huì)自動(dòng)脫落。切割時(shí)，因刀片與晶圓間摩擦劇烈，需從各個(gè)方向連續(xù)噴灑 DI 水(去離子水)，以降低摩擦產(chǎn)生的熱量并沖走切割碎屑。

同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)更好的切片效果，葉輪上會(huì)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(guò)劃片槽的寬度，以保證切割精度。然而，刀片切割并非毫無(wú)挑戰(zhàn)。若切片的進(jìn)給速度大幅提高，小芯片邊緣剝落的風(fēng)險(xiǎn)將顯著增加。因此，通常需將葉輪的旋轉(zhuǎn)次數(shù)控制在每分鐘 30000 次左右，以平衡切割效率與切割質(zhì)量。此外，在切割較窄跡道(street)寬度的晶圓時(shí)，對(duì)設(shè)備精度要求極高。需要使用具有高分度軸精度、高光學(xué)放大和先進(jìn)對(duì)準(zhǔn)運(yùn)算的設(shè)備，以確保每次切割都能精確落在跡道中心幾微米范圍內(nèi)。而且，選擇刀片厚度也需謹(jǐn)慎權(quán)衡。雖窄跡道切割應(yīng)盡量選用最薄的刀片，但很薄的刀片(如 20μm)極為脆弱，容易過(guò)早破裂和磨損，導(dǎo)致其壽命期望和工藝穩(wěn)定性較厚刀片差。對(duì)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(dāng)晶圓厚度不足 100um 時(shí)，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(shí)現(xiàn)晶圓的分離。這種方法的顯著優(yōu)勢(shì)在于能夠有效減少剝落和裂紋問(wèn)題，尤其適用于對(duì)芯片邊緣質(zhì)量要求較高的場(chǎng)景。然而，激光切割在處理 100um 以上厚度的晶圓時(shí)，生產(chǎn)效率會(huì)大大降低，這限制了其在厚晶圓切割中的應(yīng)用。

3、厚度不到 30um 的晶圓 - 等離子切割

對(duì)于厚度小于 30um 的超薄晶圓，等離子切割展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。等離子切割通過(guò)高溫、高速的等離子體射流將材料熔化并吹離，實(shí)現(xiàn)切割目的。該工藝速度快，且不會(huì)對(duì)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(guò)程更為復(fù)雜，對(duì)設(shè)備和操作要求較高，需要專業(yè)的技術(shù)人員和精密的設(shè)備來(lái)確保切割的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

二、刀片切割工藝的關(guān)鍵要點(diǎn)

碎片問(wèn)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(dāng)切片接近芯片的有源區(qū)域時(shí)，這一問(wèn)題可能影響芯片合格率。其產(chǎn)生主要與刀片磨砂粒度、冷卻劑流量和進(jìn)給速度相關(guān)。合適的刀片磨砂粒度能夠確保切割的平滑性，避免對(duì)芯片表面造成過(guò)度損傷;穩(wěn)定的冷卻劑流量可以有效降低切割過(guò)程中的溫度，減少因熱應(yīng)力導(dǎo)致的碎片產(chǎn)生;而合理控制進(jìn)給速度則能保證切割的穩(wěn)定性，防止因過(guò)快或過(guò)慢的進(jìn)給導(dǎo)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(dāng)大的、不規(guī)則微小裂紋從切割的底面擴(kuò)散并匯合時(shí)，就可能引發(fā)這一問(wèn)題。當(dāng)這些微小裂紋足夠長(zhǎng)，導(dǎo)致不可接受的大顆粒從切口除掉時(shí)，BSC 便成為影響合格率的關(guān)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(jì);當(dāng)尺寸大于 25μm 時(shí)，可看作潛在受損;不過(guò)，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(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，切片系統(tǒng)與刀片之間的協(xié)作至關(guān)重要，特別是在高端應(yīng)用中。刀片的特性，如金剛石(磨料)尺寸、金剛石含量和粘結(jié)劑的類型，對(duì)切割質(zhì)量起著決定性作用。結(jié)合物作為分布有金剛石磨料的基體，其成分和結(jié)構(gòu)會(huì)影響刀片的性能。此外，進(jìn)給率和心軸速度等因素也會(huì)影響刀片的選擇。理解這些關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系，是為特定應(yīng)用選擇最合適刀片的必要前提。

刀片負(fù)載監(jiān)測(cè)(Blade Load Monitering)在切片或其他磨削過(guò)程中，新一代的切片系統(tǒng)能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)施加在刀片上的負(fù)載或扭矩，確保在不超出可接受的切削質(zhì)量參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行切割。對(duì)于每一套工藝參數(shù)，都存在一個(gè)切片質(zhì)量下降和 BSC 出現(xiàn)的極限扭矩值。通過(guò)監(jiān)測(cè)切削質(zhì)量與刀片基板相互作用力的關(guān)系，并測(cè)量相關(guān)變量，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝偏差和損傷的形成。進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，使扭矩不超過(guò)極限值，同時(shí)獲得最大的進(jìn)給速度，實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量的切割。切片工序的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是切割刀片的修整(dressing)。在非監(jiān)測(cè)的切片系統(tǒng)中，修整工序往往通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)確定。而在刀片負(fù)載受監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)中，修整的終點(diǎn)可通過(guò)測(cè)量的力量數(shù)據(jù)來(lái)精準(zhǔn)判斷，從而建立最佳的修整程序。這種方法具有顯著優(yōu)勢(shì)，既無(wú)需限時(shí)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(dǎo)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(yùn)轉(zhuǎn)的切片系統(tǒng)，要求進(jìn)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(huì)造成扭力，因此，最新一代的切片系統(tǒng)通過(guò)精確控制冷卻劑流量，來(lái)維持穩(wěn)定的流速和阻力，進(jìn)而保持冷卻劑扭矩影響的穩(wěn)定性。當(dāng)切片機(jī)的冷卻劑流量穩(wěn)定且其他參數(shù)均受控制時(shí)，能夠維持一個(gè)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(dǎo)致冷卻劑流量變化、噴嘴調(diào)整不當(dāng)、刀片個(gè)體差異、刀片磨損情況或操作員錯(cuò)誤等不受控因素引起。及時(shí)排查和解決這些問(wèn)題，對(duì)于確保切割質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性至關(guān)重要。