晶圓級(jí)劃片工藝中的出入口分析

1晶圓級(jí)封裝工藝現(xiàn)在，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的電子和多功能設(shè)備的發(fā)展變化了人們的日常生活。半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展是促進(jìn)這些變化的主要技術(shù)驅(qū)動(dòng)力量。隨著晶圓上器件集成度的增加,芯片尺寸減小、切割槽寬度減小,芯片的厚度越來(lái)越薄,晶圓制程中應(yīng)用到更多新材料,這些對(duì)芯片封裝核心工序劃片提出了更高的要求。劃片工藝是封裝工藝中的第一步,它是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的劃片刀沿著晶圓上劃槽切割晶圓,將晶圓上每個(gè)芯片分割開(kāi)(圖1)。劃片刀在高速旋轉(zhuǎn)切割時(shí),其表面突起的鋒利的高硬度金剛砂顆粒對(duì)切割部進(jìn)行鏟挖,由于這些機(jī)械力是直接作用在晶圓表面并在晶體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力損傷,故而容易產(chǎn)生背面崩裂(BacksideChipping)問(wèn)題(圖2)。通常,我們把背面崩裂控制在50μm以下,超過(guò)50μm被認(rèn)為存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)背面崩裂尺寸超過(guò)100μm,芯片存在可靠性問(wèn)題。更嚴(yán)重的崩裂會(huì)造成芯片缺損(圖3),這樣的芯片則直接報(bào)廢。2原因分析本文主要從工藝材料、工藝條件、劃片刀和劃片機(jī)設(shè)備四個(gè)方面來(lái)分析晶圓產(chǎn)生背面崩裂的原因以及對(duì)應(yīng)的措施(圖4)。2.1材料的工藝和材料2.1.1晶圓切割隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的非硅(non-Si)材料和新工藝應(yīng)用到晶圓制造,運(yùn)用傳統(tǒng)的工藝條件切割這些晶圓,常會(huì)出現(xiàn)芯片正面崩裂、背面崩裂、芯片破損等情況,如砷化鎵(GaAs)晶圓、鉭酸鋰(LiTaO3)晶圓、切割槽中帶有測(cè)試點(diǎn)的晶圓(BondPadOverActive)等。這對(duì)于晶圓切割工藝提出了更高的要求,通常采用一些特殊型號(hào)的的刀片或切割方式。例如,砷化鎵(GaAs)晶圓需要采用較細(xì)的金剛砂尺寸、較硬結(jié)合劑的刀片切割;鉭酸鋰(LiTaO3)晶圓需要較粗的金剛砂尺寸和較低的金剛石濃度、較軟結(jié)合劑的刀片切割。而切割槽中帶有測(cè)試點(diǎn)的這類(lèi)晶圓由于切割時(shí)測(cè)試圖形等形成的碎屑容易嵌在劃片刀金剛砂顆粒之間,影響金剛砂顆粒剝落和更新,導(dǎo)致劃片刀過(guò)載,一般會(huì)采用StepCut的切割方式。2.1.2應(yīng)力大小及損傷層厚度是晶圓內(nèi)部小裂紋和芯片責(zé)任小的重要因素,晶圓背面減薄是通過(guò)機(jī)械研削的方式對(duì)晶圓背面進(jìn)行減薄,研削必然會(huì)在晶圓背面形成一定厚度的損傷層。而背面損傷層的存在,破壞了晶圓內(nèi)部單晶硅的晶格排列,使晶圓的內(nèi)部存在較大的應(yīng)力。利用劃片刀切割晶圓時(shí),晶圓內(nèi)部的應(yīng)力從芯片切割的底面擴(kuò)散開(kāi),形成不規(guī)則的微小裂紋;當(dāng)這些微小裂紋足夠長(zhǎng)并匯合到一起的時(shí)候就產(chǎn)生了芯片背面崩裂。晶圓內(nèi)部存在應(yīng)力的大小與損傷層的厚度成正比,所以損傷層的厚度越大晶圓內(nèi)部存在的應(yīng)力越大,切割時(shí)產(chǎn)生芯片背面崩裂越大。損傷層的厚度又與研磨砂輪金剛砂直徑成正比,所以選擇小金剛砂直徑的砂輪,可以最大程度上減少機(jī)械研削造成的損傷層,減小內(nèi)部應(yīng)力造成的背面崩裂。2.1.3材料的減薄衡量晶圓減薄質(zhì)量的一個(gè)主要參數(shù)是翹曲度。以上提到機(jī)械切削會(huì)使晶圓的內(nèi)部存在較大的應(yīng)力,傳統(tǒng)的減薄工藝一般將晶圓硅片從原始厚度減薄到300μm~400μm。在這個(gè)厚度上,硅片仍然具有相當(dāng)?shù)暮穸葋?lái)容忍減薄工程中的磨削對(duì)硅片的損傷及內(nèi)在應(yīng)力,同時(shí)其剛性也足以使硅片保持原有的平整狀態(tài)。但隨著機(jī)械研削厚度的增大,晶圓自身抗拒上述應(yīng)力的能力就變?nèi)?主要體現(xiàn)在晶圓外部,即晶圓翹曲。翹曲度與晶圓厚度成反比,翹曲度越大,晶圓內(nèi)部存在的應(yīng)力越大,切割時(shí)產(chǎn)生的背面崩裂越大。對(duì)于超薄晶圓而言,切割前必須進(jìn)行去除殘留缺陷、釋放應(yīng)力后處理。目前背面減薄后,后處理技術(shù)一般有3種:化學(xué)機(jī)械拋光、干刻蝕和化學(xué)濕刻蝕先進(jìn)的減薄劃片工藝。通過(guò)這些方法可以顯著地減小硅片的翹曲度同時(shí)提高芯片的強(qiáng)度。2.2調(diào)整調(diào)整后的調(diào)整刀極限控制在劃片過(guò)程中,劃片刀刃口的金剛砂顆粒不斷的被磨損、剝落和更新,以保證刃口鋒利,得到較好的切割效果。如果被磨損的金剛砂顆粒沒(méi)有及時(shí)脫落更新,就會(huì)導(dǎo)致劃片刀變鈍,切割電流變大,切割溫度過(guò)高,即所謂劃片刀過(guò)載,發(fā)生芯片背面崩裂。從以上分析可以看出,解決劃片刀過(guò)載的問(wèn)題,可以有效的控制背面崩裂。在工藝控制方面,冷卻水流量、切割速度、主軸轉(zhuǎn)速是影響劃片刀過(guò)載的三個(gè)主要因素。2.2.1確保切割質(zhì)量切割時(shí),冷卻水(通常使用去離子水)的主要作用是冷卻切割晶圓表面以及切割縫內(nèi),確保切割的品質(zhì),同時(shí)冷卻刀片、延長(zhǎng)刀片壽命,同時(shí)可以幫助把切割產(chǎn)生的碎屑沖掉。如果冷卻水流量不足,會(huì)導(dǎo)致切割溫度過(guò)高,發(fā)生刀片過(guò)載現(xiàn)象。所以切割過(guò)程中,需要嚴(yán)格控制冷卻水流量在工藝范圍內(nèi)。2.2.2切割溫度過(guò)高造成劃片刀加載過(guò)慢較快的進(jìn)給速度切割時(shí),磨損的金剛砂顆?？赡軟](méi)有及時(shí)脫落更新,造成劃片刀過(guò)載現(xiàn)象。但較慢的進(jìn)給速度不是總能保證好的切割品質(zhì),太慢的進(jìn)給速度會(huì)產(chǎn)生更高的熱量,造成切割溫度過(guò)高。在選擇切割速度時(shí),要根據(jù)晶圓結(jié)構(gòu)、材料,劃片刀的特性選擇合適的切割速度。2.2.3軸轉(zhuǎn)速對(duì)切割質(zhì)量的影響主軸轉(zhuǎn)速是指劃片機(jī)空氣主軸(spindle)每分鐘的轉(zhuǎn)速。主軸轉(zhuǎn)速的快慢同樣影響晶圓切割質(zhì)量。過(guò)慢的主軸轉(zhuǎn)速導(dǎo)致劃片刀切割能力不足,切割時(shí)劃片刀容易變鈍,切割溫度過(guò)高產(chǎn)生劃片刀過(guò)載現(xiàn)象。所以一般我們選擇高速的主軸轉(zhuǎn)速來(lái)有效控制芯片背面崩裂。2.3調(diào)整刀結(jié)構(gòu)以提高切割質(zhì)量為核心劃片是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的金剛砂刀片對(duì)晶圓進(jìn)行切割,劃片刀的選擇直接影響切割質(zhì)量。劃片刀結(jié)構(gòu)如圖5所示,主要由法蘭和刀刃組成。而劃片刀刃是由金剛砂顆粒粘合而成,刀刃呈鋸齒狀(圖6)。金剛砂顆粒大小、結(jié)合劑強(qiáng)度和金剛砂密度是影響劃片刀性能的三個(gè)主要因素。2.3.1切片保鮮類(lèi)型較小的顆粒容易在切割時(shí)從刀片上剝落,保持刀片的鋒利,劃片質(zhì)量較好,切割后晶圓背面崩裂小,但這類(lèi)型刀片要求劃片速度較慢,刀片壽命較短;而較大顆粒的劃片刀壽命較長(zhǎng),但劃片背面崩裂較大(圖7)。2.3.2小金剛砂顆粒晶片較軟結(jié)合劑的劃片刀,金剛砂顆粒容易在切割時(shí)從刀片上剝落,露出新的顆粒,保持刀片的鋒利,切割后晶圓背面崩裂小。同小金剛砂顆粒刀片一樣,缺點(diǎn)是劃片速度較慢,刀片壽命較短;較硬結(jié)合劑劃片刀磨損慢壽命長(zhǎng),但切割后晶圓背面崩裂大(圖8)。2.3.3切割晶圓回復(fù)形貌低密度劃片刀能有效地對(duì)抗切割時(shí)的負(fù)載,晶圓背面崩裂小;高密度劃片刀對(duì)抗切割負(fù)載性較差,切割后晶圓背面崩裂大(圖9)。綜上所述,小顆粒、軟結(jié)合劑、低密度的劃片刀切割時(shí)產(chǎn)生的背面崩裂較小,但這樣的刀片存在劃片速度較慢、刀片壽命較短的缺點(diǎn)。大規(guī)模生產(chǎn)時(shí),我們需要在刀片壽命與切削質(zhì)量之間作出平衡去選擇最佳性價(jià)比的刀片。2.3.4垂直切線板的安裝。在執(zhí)法刀片安裝是指將刀片套置在劃片機(jī)主軸上,使刀片法蘭背面與主軸法蘭表面緊貼,再用鎖緊螺母將刀片固定住。安裝正常的刀片切割時(shí)與工作臺(tái)上的晶圓垂直(圖10),而安裝異常的刀片切割時(shí)與工作臺(tái)上的晶圓有小角度的傾斜(圖11),容易造成晶圓背面崩裂、飛片,嚴(yán)重會(huì)造成刀片損壞。造成安裝異常有兩種情況:(1)鎖緊螺母沒(méi)有將刀片固定緊,切割時(shí)刀片左右振動(dòng);(2)主軸法蘭粗糙度超標(biāo)(一般標(biāo)準(zhǔn)是2μm),使刀片法蘭背面與主軸法蘭表面沒(méi)法緊貼(如圖12)。當(dāng)出現(xiàn)背面崩裂時(shí),檢查刀片是否正常安裝也是重要的一項(xiàng)。2.4設(shè)備部分2.4.1工作臺(tái)表面出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象劃片機(jī)工作臺(tái)(ChuckTable)是與產(chǎn)品接觸的承載介質(zhì),它的主要成分是陶瓷。陶瓷盤(pán)隨著使用年限增長(zhǎng)表面產(chǎn)生陶瓷粉末化,同時(shí)生產(chǎn)中產(chǎn)生磨損,表面出現(xiàn)部分高低不平的現(xiàn)象,甚至出現(xiàn)不規(guī)則的小坑。工作臺(tái)表面的不平整會(huì)造成切割時(shí)背面產(chǎn)生崩裂現(xiàn)象,還容易打壞刀片,造成大面積的產(chǎn)品表面擦傷報(bào)廢。所以我們定期需要對(duì)工作臺(tái)的平整度進(jìn)行測(cè)量,如果工作臺(tái)水平度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)(一般標(biāo)準(zhǔn)為152mm工作臺(tái)為6μm,203mm工作臺(tái)為8μm),就需要請(qǐng)專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行打磨,嚴(yán)重的則直接報(bào)廢。2.4.2穩(wěn)定工作引起的深度全覆蓋,導(dǎo)致主軸振動(dòng)主軸震動(dòng)是指主軸軸心旋轉(zhuǎn)時(shí)候的振動(dòng),也就是主軸旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。如果主軸的不穩(wěn)定工作連帶了刀片的不穩(wěn)定工作,造成切割時(shí)產(chǎn)生背面大面積崩裂現(xiàn)象。我們一般通過(guò)設(shè)定每步跳動(dòng)的值(一般設(shè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值1mm),然后跳動(dòng)數(shù)格(如20格),測(cè)量出它的累計(jì)誤差來(lái)判斷主軸是否震動(dòng)。如果產(chǎn)生震動(dòng),需設(shè)備廠商來(lái)進(jìn)行調(diào)試。3處理方法3.1基于變形幾何的無(wú)內(nèi)應(yīng)力插裝法制備晶圓級(jí)過(guò)板機(jī)開(kāi)槽切割StepCut是利用雙軸劃片機(jī),先使用Z1主軸劃片刀對(duì)被加工物進(jìn)行開(kāi)槽,再使用較薄的Z2軸劃片刀進(jìn)行完全切割。SingleCut是一刀直接將晶圓切穿,而StepCut分2步實(shí)施切割加工,如圖13(a)、(b),可以有效抑制背面崩裂的產(chǎn)生。通常StepCutZ1主軸劃片刀選用金剛砂顆粒較小、中等強(qiáng)度結(jié)合劑和中等金剛砂密度的刀片。由于較小的顆粒容易在切割時(shí)從刀片上剝落,保持刀片的鋒利,并且切割較淺,冷卻效果好,所以不會(huì)發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象。而Z2主軸劃片刀選用金剛砂顆粒中等、較軟強(qiáng)度結(jié)合劑和低密度的刀片,其主要起到有效控制崩片的作用。以下所用的減小內(nèi)部應(yīng)力的StepCut比傳統(tǒng)的StepCut多加了一個(gè)步驟:加工第一步在Y方向上等距切割幾刀,將晶圓內(nèi)部減薄時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分散到各小塊上,再進(jìn)行StepCut切割。具體步驟如下(圖14):(1)先在Y方向上等距切割幾刀,將晶圓分成幾小塊;(2)晶圓轉(zhuǎn)過(guò)90°,沿X方向進(jìn)行正常的StepCut;(3)沿Y方向進(jìn)行正常的StepCut直到結(jié)束。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,這種小塊切割比整張晶圓切割,可以減少10%的背面崩裂,保證更好的切割質(zhì)量。3.2晶圓切割工藝流程DBG(DicingBeforeGrinding)是一種將晶圓先半切割,然后利用背面研削進(jìn)行芯片分割的技術(shù)。主要步驟如下:先將晶圓半切割加工(不切穿晶圓),在晶圓表面粘貼保護(hù)膜,再使用磨片機(jī)進(jìn)行背面研削加工。當(dāng)研削到事先切入的切割槽深度時(shí),晶圓會(huì)被分割成一個(gè)個(gè)芯片。最后將完成分割的晶圓再次粘貼到框架上,揭去晶圓表面保護(hù)膜(如圖15)。它有別于傳統(tǒng)的“背面研削→晶圓切割”的工藝流程。該工藝最大的優(yōu)點(diǎn)在于可最大限度地抑制分割芯片時(shí)