晶圆切割追求刀片与工艺的双重优化

 

在过去四十年间，刀片(blade)与划片(dicing)系统不断改进以应对工艺的挑战，满足不同类型材料切割的要求。行业不断研究刀片、切割工艺参数等对切割品质的影响，使切割能够满足日新月异的晶圆材质变化。

 

划片机制(The Dicing Mechanism)

 

硅晶圆划片工艺是“后端”封装制程工艺中的第一步。该工艺将晶圆分成独立带有电气性能的芯片，用于随后的芯片粘合(die bonding)、引线焊接(wire bonding)和测试。划片机空气静压主轴以每分钟30000~60000rpm的速度(83~175m/sec的线性速度)转动刀片。该刀片由嵌入电镀镍矩阵结合剂中的研磨金刚石制成。

 

在晶圆切割过程中，刀片碾碎基础材料，同时去掉所产生的碎屑，冷却水(通常是去离子水)用于冷却刀片并改善切割品质，通过帮助去掉碎屑而延长刀片寿命。

 

关键工艺参数

 

 

晶圆切割追求生产效率和合格率最大化，同时投入的成本最小。但是，面临的挑战是，生产效率增加往往导致合格率降低，反之亦然。随着进给速度增加，切割品质会下降，同时也影响刀片寿命。

 

晶圆切割经常遇到较窄的切割槽，要求设备能将每一次切割都精准放在切割槽中心几微米范围内。这不仅需要非常高的设备精度，更需要一款高精度超薄划片刀。

 

可是，越薄的刀片(比如：10µm)越脆弱，更容易过早破裂和磨损，导致其寿命和工艺稳定性较之稍厚的刀片差。对于50~76µm切割槽的刀片一般推荐刀片厚度应该是20~30µm。

 

崩边(Chipping)

  

正崩(TSC, top-side chipping)，发生在晶圆的表面，当划片刀接近晶圆的有源区域时，主要依靠主轴转速、金刚石粒度、金刚石浓度、冷却水流量和进给速度等因素控制。

 

背崩(BSC, back-side chipping)，发生在晶圆的背面，当不规则微小裂纹从晶圆的背面扩散开并汇合到一起时，这些微小裂纹足够长而引起较大颗粒从切口掉出，背崩就会影响到产品合格率。通常，切割硅晶圆的质量判定标准是：如果背面崩缺尺寸在10µm以下，忽略不计；当尺寸大于25µm时，可以看作是潜在的受损；一般，50µm以内的平均大小在可接受范围内，具体要求可示晶圆的厚度来定。

 

可以用来控制崩边的的方法和技术，主要是优化刀片，以及优化工艺参数。

 

刀片优化(Blade Optimization)

 

 

除了尺寸，有三个关键元素决定刀片特性：金刚石(磨料)尺寸、金刚石含量和粘结剂的类型。这些元素的结合效果决定刀片的寿命和切割品质(TSC与BSC)。改变任何一个参数都将直接影响刀片性能。

 

为一个既定的划片工艺选择最佳刀片，要求在刀片寿命与切割品质之间作出平衡。高寿命，品质降低；高品质，寿命降低。划片刀所用金刚石越细，对工艺参数的变化越敏感。

 

其它因素，诸如进给速度和主轴转速，也可能影响刀片选择。切割参数对材料去除率有直接影响，它反过来会影响刀片的性能和工艺效率。刀片厂家（例如：深圳西斯特）会对这些规律做深入研究，以应对市场诸多材料精密划切过程中面临的多样需求。

 

为了选择一款合适的刀片，重要的还是要理解刀片外表硬度的影响，刀片外表硬度通常叫做基体硬度。基体硬度通过金刚石尺寸、浓度和粘合物硬度来决定。通常，较细的磨料尺寸、较高的金刚石浓度和较硬的粘合物将得到相对增加的基体硬度。通常建议，与其它因素综合考虑，较硬的材料需要较软的(基体)刀片来切，反之亦然。例如，砷化镓(GaAs)晶圆一般要求较细的金刚砂尺寸(较硬的刀片)，而钽酸锂(LiTaO3)晶圆最适合用较粗的金刚砂尺寸和较低的金刚石浓度(较软的刀片)。

 

结语

总而言之，划片工艺变得越来越精良且要求高。切割迹道变得越来越窄，且迹道内可能充满测试用的衰耗器(test pad)，并且刀片可能还需要切割由不同材料制成的各种涂敷层。在这些条件下达到最大的划片工艺合格率和生产率，要求有精准选刀能力与先进工艺控制能力。