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隨著電子技術的發(fā)展,對集成電路封裝工藝的要求越來越高。封裝核心工序中劃片工序造成的晶圈崩裂問題是一個工藝難點,也是制約封裝行業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。
劃片工序是將集成電路整片晶圓通過切割設備分割成單個芯粒的工藝過程，是集成電路制造過程中整個晶圓操作的最后一道工序，承載了材料制備及晶圓前道加工等幾百個工序的制造成本。由于劃片工序是一種機械切削過程,切削對象是脆性材料,因此切削難度大,最主要的問題是晶圓的崩裂,一旦出現(xiàn)崩裂,將會造成芯片的報廢,造成整個制造過程的失效。
隨著向小型化和高集成度方向發(fā)展，芯片尺寸減小、切割槽寬度變窄,芯片厚度越來越薄,劃片工藝引起晶圓崩裂而造成整個制造過程失效的風險也越來越大。本文通過對切割過程中產(chǎn)生晶圓崩裂的原因及其機理進行分析,從而對材料、設備、工藝進行改進和優(yōu)化，使晶圓崩裂問題的發(fā)生率趨于最小程度。
一、晶圓崩裂產(chǎn)生的機理分析
晶圓是由硅、砷化鎵等半導體材料制作而成的晶體圓片,是一種脆性材料,脆性高、斷裂韌性低,材料的彈性極限和強度非常接近。在切割過程中,當劃片刀在高速旋轉切割時,其機械力是直接作用在晶圓表面,晶圓表面會產(chǎn)生負載現(xiàn)象,當晶圓所受到的負載超過彈性極限時，在很小的塑性變形后接著就是斷裂，很容易在切割位置附近產(chǎn)生崩裂。
根據(jù)國外學者Evans和MarshaIl對于脆性材料切削加工的實驗分析和理論模型,要實現(xiàn)精密切削加工的條件是，劃片刀上單個金剛石顆粒的最大切削深度應小于脆性材料的臨界切削厚度。臨界切削厚度指在磨粒作用下材料表面剛好產(chǎn)生微裂紋時的磨粒切入厚度值。
劃片刀磨粒平均顆粒尺寸、主軸轉速、工件進給速度和切削深度等條件都是影響脆性材料切割品質的重要因素。
二、晶圓背崩的解決措施
目前,考慮到成本問題,大部分電子封裝企業(yè)劃片工藝是通過金剛砂劃片刀進行的，刀具在劃切過程中對晶圓產(chǎn)生內應力,晶圓崩裂是難以避免的。但是,根據(jù)劃片刀單個磨粒的最大切削深度公式,我們可以改變公式中所含的變量,從優(yōu)化工藝條件、劃片刀和劃片機等幾方面來降低切割過程中的內應力,降低劃片中晶圓崩裂的損失。
1、晶圓厚度減薄過程改善崩裂
晶圓背面減薄是通過機械研磨的方式對晶圓背面進行減薄，在此過程中會在晶圓背面形成一定厚度的損傷層，損傷層的不規(guī)則存在會在晶圓內部產(chǎn)生較大的內應力。劃片刀切割晶圓時，內應力會從切割部位進行釋放,產(chǎn)生微裂紋,當這些微裂紋聚集在一起時就產(chǎn)生芯片的崩裂。晶圓內部存在應力的大小與損傷層的厚度成正比，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械研磨造成的損傷，減小內部應力造成的晶圓崩裂。對于超薄晶圓而言,切割前必須進行化學機械拋光、干刻蝕和化學濕刻蝕等先進的減薄工藝去除殘留缺陷、釋放應力，減小晶圓的翹曲度，降低晶圓崩裂問題。
2、劃片刀具優(yōu)化改善崩裂
劃片刀又稱金剛石劃片刀，由金剛石和結合劑組成,其性能取決于金剛石顆粒的大小、密度和粘結材料。金剛石的暴露量越大,劃片刀就越鋒利。在劃片過程中，劃片刀刃口的金剛石顆粒會不斷地被磨損、剝落和更新,以保證刃口鋒利。如果金剛石顆粒更新及時,切割效果就比較好,劃槽邊緣較光滑。如果被磨損的金剛石顆粒沒有及時更新,就會導致劃片刀變鈍、切割負載變大、切割溫度過高,發(fā)生劃片刀過載。當劃片刀過載時，會影響劃片質量,嚴重時發(fā)生晶圓崩裂。
因此,在選取刀具時要考慮三個因素:金剛石顆粒大小、結合劑強度、金剛石濃度。
2.1 金剛石的顆粒度
較小的顆粒容易在切割時從刀片上剝落，保持刀片的鋒利,劃片質量較好,切割后晶圓崩裂小,但劃片速度較慢,刀片壽命較短。而較大顆粒的劃片刀壽命較長,但劃片毛刺較大,切割后晶圓崩裂較大。
2.2 結合劑強度
軟結合劑的劃片刀，金剛石顆粒容易在切割時從刀片上剝落,露出新的顆粒,保持刀片的鋒利,從而減低切割負載,防止切割后的晶圓背面崩裂,但是劃片速度較慢,刀片壽命較短。硬結合劑劃片刀壽命較長,但在切硬材料時,容易損壞,并且切割后可能產(chǎn)生加大的晶圓背面崩裂。
2.3 金剛石濃度
高濃度劃片刀對抗切割負載能力較差，切割后晶圓背面崩裂大，單刀具使用壽命較長。低濃度劃片刀能有效地對抗切割時的負載，切割質量好，晶圓背面崩裂小,但刀具使用壽命較短。
綜合劃片質量和劃片刀壽命兩方面考慮，傳統(tǒng)的集成電路封裝劃片一般選擇4μm ~6μm 的金剛砂顆粒、中等強度結合劑和中等金剛石濃度的劃片刀。而在應對劃片刀過載問題時，必須選擇較小的顆粒(如 2μm ~6μm)、低濃度和軟結合劑的劃片刀，從而保證金剛石顆粒能及時剝落和更新，保持劃片刀鋒利。大規(guī)模生產(chǎn)時,我們需要在劃片刀壽命與切割品質之間作出平衡，來選擇最佳性價比的劃片刀。
三、預切割改善崩裂
在生產(chǎn)加工過程中，劃片機一般提供兩種切割模式,單刀切割(Single Cut）和臺階式切割(Step Cut)，針對厚度較薄或劃片槽金屬較多的產(chǎn)品，通過將切割模式改為臺階式(Step Cut)切割模式,即先用一把刀在晶圓表面開一定深度的槽,再用另一把刀切穿晶圓,其優(yōu)點在于，減小了劃片刀在切割過程中對晶圓施加的壓力，減少了必須使用較高的刀常寬比的劃片刀所帶來的機械擺動和嚴重的崩角問題，提供了選擇不同類型的劃片刀的可能性來分別優(yōu)化正面崩角/分層及背面崩角。
通常臺階式切割中Z1主軸劃片刀選用金剛石顆粒較小、中等強度結合劑和中等金剛砂密度的刀片，由于較小的金剛石顆粒容易在切割時從刀片上剝落,保持刀片的鋒利,并且切割較淺,冷卻效果好,所以不會發(fā)生過載現(xiàn)象。而Z2主軸劃片刀選用金剛石顆粒中等、較軟強度結合劑和低濃度的刀片,其主要起到有效控制背崩的作用。
四、工藝優(yōu)化改善崩裂
在劃片過程中，劃片刀刃口的金剛石顆粒不斷被磨損、剝落和更新,以保證刃口鋒利,得到較好的切割效果。如果被磨損的金剛石顆粒沒有及時脫落更新,就會導致劃片刀變鈍,切割電流變大,切割溫度過高,即所謂劃片刀過載,發(fā)生芯片背面崩裂。解決劃片刀過載的問題,可以有效的控制背面崩裂。在工藝控制方面,冷卻水優(yōu)化、切割速度、主軸轉速是影響劃片刀過載的三個主要因素。
4.1 切割速度
較快的進給速度切割時，磨損的金剛石顆?？赡軟]有及時脫落更新,造成劃片刀過載現(xiàn)象。但較慢的進給速度不是總能保證好的切割品質，太慢的進給速度會產(chǎn)生更高的熱量，造成切割溫度過高。在選擇切割速度時,要根據(jù)晶圓結構、材料,及劃片刀的特性選擇合適的切割速度。
4.2 主軸轉速
主軸轉速是指劃片機空氣主軸(spindle)每分鐘的轉速。主軸轉速的快慢同樣影響晶圓切割質量。過慢的主軸轉速導致劃片刀切割能力不足，切割時劃片刀容易變鈍，切割溫度過高產(chǎn)生劃片刀過載現(xiàn)象。所以一般選擇高速的主軸轉速來有效控制芯片背面崩裂。
4.3 冷卻水優(yōu)化
切割時,冷卻水通常使用去離子(DI)水,其主要作用是冷卻切割晶圓表面以及切割縫內，確保切割的品質,同時冷卻刀片、延長刀片壽命,同時可以幫助把切割產(chǎn)生的碎屑沖掉。如果冷卻水流量不足會導致切割溫度過高，發(fā)生刀片過載現(xiàn)象。所以切割過程中,需要嚴格控制冷卻水流量在工藝范圍內。由于冷卻水的表面張力作用，冷卻水無法滲透到晶圓背面,冷卻效果不好,在晶圓背面就會發(fā)生背崩現(xiàn)象。目前較常用的做法是在冷卻水中加入表面活性劑(Diamaflow),能夠有效地降低 DI水在晶圓/劃片刀的表面張力,使冷卻水能滲透到晶圓下端,達到良好的冷卻效果,利用此法也能有效地減少背部崩角。
在劃片機的切割工藝中，晶圓崩裂及切割品質問題可以通過選擇合適型號的劃片刀以及調整、優(yōu)化劃切工藝參數(shù)等方面來改善。要想達到高標準的切割品質，切割工藝還需要不斷的探索和經(jīng)驗的積累。例如通過采用金剛石劃片刀和雷射切割相結合的方式，劃切的材質可以多種多樣，使得切割工藝也具有千變萬化的特點。
*引自網(wǎng)絡資料