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半導體晶圓劃片刀情況簡(jiǎn)述
一、劃片機
劃片機是半導體行業(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，是半導體后道封測中晶圓切割和WLP切割環(huán)節的關(guān)鍵設備。隨著(zhù)集成電路沿大規模方向發(fā)展，劃片工藝呈現愈發(fā)精細化、高效化的趨勢。
從19世紀60年代依賴(lài)于人工操作的金剛刀劃片機，到1968年英國LP公司發(fā)明的金剛石砂輪劃片機，采用研磨的工藝替代了傳統的劃線(xiàn)斷裂工藝。目前劃片機廣泛用于半導體封測、EMC導線(xiàn)架、陶瓷薄板、PCB、藍寶石玻璃等材料的精密劃切領(lǐng)域。
圖1 劃片機切割圖
半導體晶圓劃片機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。半導體晶圓劃片機主要包括砂輪劃片機和激光劃片機，砂輪劃片機是綜合了水氣電、空氣靜壓高速主軸、精密機械傳動(dòng)、傳感器及自動(dòng)化控制等技術(shù)的精密數控設備，其特點(diǎn)為切割成本低、效率高，適用較厚晶圓的切割。激光劃片機是利用高能激光束照射工件表面，使被照射區域局部熔化、氣化，從而達到劃片目的，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
二、晶圓劃片工藝
1、工藝對比
砂輪劃片刀切割的方式包含一次切割和分步連續切割，效率高、成本低、壽命長(cháng)，是使用最廣泛的切割工藝，在較厚晶圓（>100微米）具備優(yōu)勢。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)存在高溫損壞晶圓問(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80%市場(chǎng)份額，激光切割僅占據20%，預計刀片切割在較長(cháng)時(shí)期內仍將是主流方式。
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劑形成一種稱(chēng)作“容屑槽”的結構，對切割道材料進(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)程要設法防止切割碎屑的粘附，且對切割碎屑做適當的處理，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
對于金剛石切割而言，金剛石顆粒越大，刀片切割能力越強，金剛石顆粒磨損越慢，刀片使用周期越長(cháng)，但顆粒越大，切割過(guò)程對切割面的沖擊力越大，容易造成嚴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)對切割面的沖擊力，降低產(chǎn)生較大切割缺陷風(fēng)險，但金剛石若不能及時(shí)脫落更新，則容易發(fā)生裹刀現象，導致刀片切割能力急劇下降，出現嚴重缺陷。
金剛石顆粒濃度會(huì )顯著(zhù)影響切割芯片質(zhì)量，當金剛石顆粒濃度較大時(shí)，金剛石顆粒能夠隨著(zhù)粘結劑的磨損及時(shí)脫落更新，有助于延長(cháng)刀片壽命。并且粘結劑越軟，金剛石脫落越容易，反之則越難，因此，使用粘結劑較硬的刀體切割，會(huì )對切割面造成較嚴重損傷，而粘結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劑類(lèi)型相結合，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速。不同芯片的厚度及藍膜的黏性都需要有相應的配合參數，以減少劃片時(shí)產(chǎn)生崩碎現象。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)轉的高速切割晶圓街區部分，同時(shí)，承載晶圓的工作臺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)為了達到特殊的芯片表面保護效果，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 )導致晶圓在切割時(shí)有不同力學(xué)表現，選用不同材質(zhì)刀片會(huì )對切割方式有不同的要求，因而會(huì )呈現出不同的切割質(zhì)量。從切割儀器角度，由于不同機臺切割動(dòng)力存在差別，因此切割臺的選擇也會(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)導出而積累，可能造成金剛石磨粒破碎，導致刀片切割能力下降，切割精度降低，還會(huì )導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，刀片旋轉速度以及進(jìn)給速度等，適宜的參數對獲得良好切割質(zhì)量十分關(guān)鍵。就其他因素而言，如機臺操作技巧等也會(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 )影響芯片后續封裝及后續使用可靠性。如切割導致的微裂紋會(huì )在芯片中引入應力，成為潛在的芯片脆弱區，影響封裝后的可靠性。在切割過(guò)程中芯片受到強烈刀體沖擊而出現金屬層連同硅基底塊狀脫落的崩邊現象，若崩邊過(guò)大損傷到芯片功能區域，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象，通常不會(huì )造成芯片功能損壞，但如果剝離面積較大，擴展到功能區，也十分危險。