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半導(dǎo)體晶圓劃片刀情況簡(jiǎn)述
一、劃片機(jī)
劃片機(jī)是半導(dǎo)體行業(yè)使用劃片刀或通過(guò)激光等方式高精度切割晶圓或基板的裝置，是半導(dǎo)體后道封測(cè)中晶圓切割和WLP切割環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備。隨著集成電路沿大規(guī)模方向發(fā)展，劃片工藝呈現(xiàn)愈發(fā)精細(xì)化、高效化的趨勢(shì)。
從19世紀(jì)60年代依賴(lài)于人工操作的金剛刀劃片機(jī)，到1968年英國(guó)LP公司發(fā)明的金剛石砂輪劃片機(jī)，采用研磨的工藝替代了傳統(tǒng)的劃線(xiàn)斷裂工藝。目前劃片機(jī)廣泛用于半導(dǎo)體封測(cè)、EMC導(dǎo)線(xiàn)架、陶瓷薄板、PCB、藍(lán)寶石玻璃等材料的精密劃切領(lǐng)域。
圖1 劃片機(jī)切割圖
半導(dǎo)體晶圓劃片機(jī)是將含有很多芯片的wafer晶圓分割成晶片顆粒，切割的質(zhì)量與效率直接影響芯片的質(zhì)量和生產(chǎn)成本。半導(dǎo)體晶圓劃片機(jī)主要包括砂輪劃片機(jī)和激光劃片機(jī)，砂輪劃片機(jī)是綜合了水氣電、空氣靜壓高速主軸、精密機(jī)械傳動(dòng)、傳感器及自動(dòng)化控制等技術(shù)的精密數(shù)控設(shè)備，其特點(diǎn)為切割成本低、效率高，適用較厚晶圓的切割。激光劃片機(jī)是利用高能激光束照射工件表面，使被照射區(qū)域局部熔化、氣化，從而達(dá)到劃片目的，其特點(diǎn)為切割精度高、切割速度快，適用于較薄晶圓的切割。
圖2 晶圓劃片機(jī)
二、晶圓劃片工藝
1、工藝對(duì)比
砂輪劃片刀切割的方式包含一次切割和分步連續(xù)切割，效率高、成本低、壽命長(zhǎng)，是使用最廣泛的切割工藝，在較厚晶圓（>100微米）具備優(yōu)勢(shì)。激光切割精度高、速度快，主要適用較薄晶圓（<100微米）切割，在切割較厚晶圓時(shí)存在高溫?fù)p壞晶圓問(wèn)題，而且還需要刀片進(jìn)行二次切割，另外，激光頭價(jià)格較貴，壽命較短。目前刀片切割占據(jù)80%市場(chǎng)份額，激光切割僅占據(jù)20%，預(yù)計(jì)刀片切割在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)仍將是主流方式。
2、主流技術(shù)
金剛石切割是劃片主流技術(shù)，切割采用金剛石顆粒與粘結(jié)劑組成的刀片，金剛石顆粒作為切割時(shí)的磨粒被金屬鎳固定在刀體上，刀片按一定速度旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給，采用水為切削液，切割時(shí)金剛石顆粒凸起與粘結(jié)劑形成一種稱(chēng)作“容屑槽”的結(jié)構(gòu)，對(duì)切割道材料進(jìn)行鏟挖進(jìn)而分割開(kāi)來(lái)。在切割過(guò)程中，金剛石顆粒不斷磨損暴露出新顆粒，使刀片保持鋒利狀態(tài)，將切割碎屑清理出去。在切割時(shí)產(chǎn)生的碎屑會(huì)粘附在刀片上，因此在切割過(guò)程要設(shè)法防止切割碎屑的粘附，且對(duì)切割碎屑做適當(dāng)?shù)奶幚?，保證刀片在切割過(guò)程正常工作。
圖4 金剛石劃片切割原理
對(duì)于金剛石切割而言，金剛石顆粒越大，刀片切割能力越強(qiáng)，金剛石顆粒磨損越慢，刀片使用周期越長(zhǎng)，但顆粒越大，切割過(guò)程對(duì)切割面的沖擊力越大，容易造成嚴(yán)重的裂紋和崩邊等缺陷。較小的金剛石磨粒能夠減小切割時(shí)對(duì)切割面的沖擊力，降低產(chǎn)生較大切割缺陷風(fēng)險(xiǎn)，但金剛石若不能及時(shí)脫落更新，則容易發(fā)生裹刀現(xiàn)象，導(dǎo)致刀片切割能力急劇下降，出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷。
金剛石顆粒濃度會(huì)顯著影響切割芯片質(zhì)量，當(dāng)金剛石顆粒濃度較大時(shí)，金剛石顆粒能夠隨著粘結(jié)劑的磨損及時(shí)脫落更新，有助于延長(zhǎng)刀片壽命。并且粘結(jié)劑越軟，金剛石脫落越容易，反之則越難，因此，使用粘結(jié)劑較硬的刀體切割，會(huì)對(duì)切割面造成較嚴(yán)重?fù)p傷，而粘結(jié)劑較軟的刀體沖擊力較小，損傷較小。金剛石顆粒尺寸與濃度的選擇要與粘結(jié)劑類(lèi)型相結(jié)合，綜合考慮選擇適合刀片。
3、劃片流程
芯片由晶圓切割成單獨(dú)的顆粒后，再經(jīng)芯片封裝即可使用。劃片時(shí)需控制移動(dòng)劃片刀的速度及劃片刀的轉(zhuǎn)速。不同芯片的厚度及藍(lán)膜的黏性都需要有相應(yīng)的配合參數(shù)，以減少劃片時(shí)產(chǎn)生崩碎現(xiàn)象。切割中殘留的硅渣會(huì)破壞劃片刀具及芯片，造成良品率損失，劃片時(shí)需要用潔凈水沖洗，以便移除硅渣，且噴水角度及水量需要加以控制。
使用刀片劃片方式進(jìn)行切割，金剛石刀片以每分鐘3-4萬(wàn)轉(zhuǎn)的高速切割晶圓街區(qū)部分，同時(shí)，承載晶圓的工作臺(tái)以一定的速度沿刀片與晶圓接觸點(diǎn)的切線(xiàn)方向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，切割晶圓產(chǎn)生的硅屑被去離子水沖走。有些芯片在劃片時(shí)為了達(dá)到特殊的芯片表面保護(hù)效果，同一切割道要切割兩次。此時(shí)，第一次切割時(shí)用的刀片比較寬，第二次切割時(shí)用的刀片比較窄。
圖6 劃片工藝流程
4、影響切割質(zhì)量因素
存在多種因素影響晶圓切割質(zhì)量，包括材料、切割儀器、工作環(huán)境、切割方法及其他因素等。從材料角度，晶圓的硅基底和電路層材料會(huì)導(dǎo)致晶圓在切割時(shí)有不同力學(xué)表現(xiàn)，選用不同材質(zhì)刀片會(huì)對(duì)切割方式有不同的要求，因而會(huì)呈現(xiàn)出不同的切割質(zhì)量。從切割儀器角度，由于不同機(jī)臺(tái)切割動(dòng)力存在差別，因此切割臺(tái)的選擇也會(huì)影響切割質(zhì)量。從工作環(huán)境角度，冷卻水的壓力和流速是影響切割質(zhì)量的因素，水流速度過(guò)慢會(huì)造成冷卻效果不足，切割摩擦產(chǎn)生的熱量難以及時(shí)導(dǎo)出而積累，可能造成金剛石磨粒破碎，導(dǎo)致刀片切割能力下降，切割精度降低，還會(huì)導(dǎo)致切割碎屑不能及時(shí)移除而影響刀片切割能力。從切割方法角度，主要涉及切割深度，刀片旋轉(zhuǎn)速度以及進(jìn)給速度等，適宜的參數(shù)對(duì)獲得良好切割質(zhì)量十分關(guān)鍵。就其他因素而言，如機(jī)臺(tái)操作技巧等也會(huì)影響晶圓切割質(zhì)量。
5、切割缺陷
晶圓切割容易造成的缺陷類(lèi)型主要有裂紋、崩邊和剝離等，這些缺陷可能會(huì)造成芯片的直接損壞，也可能會(huì)影響芯片后續(xù)封裝及后續(xù)使用可靠性。如切割導(dǎo)致的微裂紋會(huì)在芯片中引入應(yīng)力，成為潛在的芯片脆弱區(qū)，影響封裝后的可靠性。在切割過(guò)程中芯片受到強(qiáng)烈刀體沖擊而出現(xiàn)金屬層連同硅基底塊狀脫落的崩邊現(xiàn)象，若崩邊過(guò)大損傷到芯片功能區(qū)域，會(huì)直接造成芯片失效。切割過(guò)程中沖擊造成的金屬層剝離，而硅基底并不受到損傷的層狀剝離現(xiàn)象，通常不會(huì)造成芯片功能損壞，但如果剝離面積較大，擴(kuò)展到功能區(qū)，也十分危險(xiǎn)。