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隨著電子技術(shù)的發(fā)展,對(duì)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(gè)工藝難點(diǎn),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(shè)備分割成單個(gè)芯粒的工藝過程，是集成電路制造過程中整個(gè)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(gè)工序的制造成本。由于劃片工序是一種機(jī)械切削過程,切削對(duì)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(huì)造成芯片的報(bào)廢,造成整個(gè)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(gè)制造過程失效的風(fēng)險(xiǎn)也越來越大。本文通過對(duì)切割過程中產(chǎn)生晶圓崩裂的原因及其機(jī)理進(jìn)行分析,從而對(duì)材料、設(shè)備、工藝進(jìn)行改進(jìn)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(jī)理分析
晶圓是由硅、砷化鎵等半導(dǎo)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(qiáng)度非常接近。在切割過程中,當(dāng)劃片刀在高速旋轉(zhuǎn)切割時(shí),其機(jī)械力是直接作用在晶圓表面,晶圓表面會(huì)產(chǎn)生負(fù)載現(xiàn)象,當(dāng)晶圓所受到的負(fù)載超過彈性極限時(shí)，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(guó)外學(xué)者Evans和MarshaIl對(duì)于脆性材料切削加工的實(shí)驗(yàn)分析和理論模型,要實(shí)現(xiàn)精密切削加工的條件是，劃片刀上單個(gè)金剛石顆粒的最大切削深度應(yīng)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(shí)的磨粒切入厚度值。
劃片刀磨粒平均顆粒尺寸、主軸轉(zhuǎn)速、工件進(jìn)給速度和切削深度等條件都是影響脆性材料切割品質(zhì)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(jìn)行的，刀具在劃切過程中對(duì)晶圓產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,晶圓崩裂是難以避免的。但是,根據(jù)劃片刀單個(gè)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(jī)等幾方面來降低切割過程中的內(nèi)應(yīng)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(jī)械研磨的方式對(duì)晶圓背面進(jìn)行減薄，在此過程中會(huì)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(huì)在晶圓內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。劃片刀切割晶圓時(shí)，內(nèi)應(yīng)力會(huì)從切割部位進(jìn)行釋放,產(chǎn)生微裂紋,當(dāng)這些微裂紋聚集在一起時(shí)就產(chǎn)生芯片的崩裂。晶圓內(nèi)部存在應(yīng)力的大小與損傷層的厚度成正比，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)械研磨造成的損傷，減小內(nèi)部應(yīng)力造成的晶圓崩裂。對(duì)于超薄晶圓而言,切割前必須進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光、干刻蝕和化學(xué)濕刻蝕等先進(jìn)的減薄工藝去除殘留缺陷、釋放應(yīng)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(jié)合劑組成,其性能取決于金剛石顆粒的大小、密度和粘結(jié)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(huì)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(shí),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(shí)更新,就會(huì)導(dǎo)致劃片刀變鈍、切割負(fù)載變大、切割溫度過高,發(fā)生劃片刀過載。當(dāng)劃片刀過載時(shí)，會(huì)影響劃片質(zhì)量,嚴(yán)重時(shí)發(fā)生晶圓崩裂。
因此,在選取刀具時(shí)要考慮三個(gè)因素:金剛石顆粒大小、結(jié)合劑強(qiáng)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(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(zhǎng),但劃片毛刺較大,切割后晶圓崩裂較大。
2.2 結(jié)合劑強(qiáng)度
軟結(jié)合劑的劃片刀，金剛石顆粒容易在切割時(shí)從刀片上剝落,露出新的顆粒,保持刀片的鋒利,從而減低切割負(fù)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(jié)合劑劃片刀壽命較長(zhǎng),但在切硬材料時(shí),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(duì)抗切割負(fù)載能力較差，切割后晶圓背面崩裂大，單刀具使用壽命較長(zhǎng)。低濃度劃片刀能有效地對(duì)抗切割時(shí)的負(fù)載，切割質(zhì)量好，晶圓背面崩裂小,但刀具使用壽命較短。
綜合劃片質(zhì)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(qiáng)度結(jié)合劑和中等金剛石濃度的劃片刀。而在應(yīng)對(duì)劃片刀過載問題時(shí)，必須選擇較小的顆粒(如 2μm ~6μm)、低濃度和軟結(jié)合劑的劃片刀，從而保證金剛石顆粒能及時(shí)剝落和更新，保持劃片刀鋒利。大規(guī)模生產(chǎn)時(shí),我們需要在劃片刀壽命與切割品質(zhì)之間作出平衡，來選擇最佳性價(jià)比的劃片刀。
三、預(yù)切割改善崩裂
在生產(chǎn)加工過程中，劃片機(jī)一般提供兩種切割模式,單刀切割(Single Cut）和臺(tái)階式切割(Step Cut)，針對(duì)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(tái)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(diǎn)在于，減小了劃片刀在切割過程中對(duì)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(jī)械擺動(dòng)和嚴(yán)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(tái)階式切割中Z1主軸劃片刀選用金剛石顆粒較小、中等強(qiáng)度結(jié)合劑和中等金剛砂密度的刀片，由于較小的金剛石顆粒容易在切割時(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)生過載現(xiàn)象。而Z2主軸劃片刀選用金剛石顆粒中等、較軟強(qiáng)度結(jié)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(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(zhuǎn)速是影響劃片刀過載的三個(gè)主要因素。
4.1 切割速度
較快的進(jìn)給速度切割時(shí)，磨損的金剛石顆粒可能沒有及時(shí)脫落更新,造成劃片刀過載現(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，造成切割溫度過高。在選擇切割速度時(shí),要根據(jù)晶圓結(jié)構(gòu)、材料,及劃片刀的特性選擇合適的切割速度。
4.2 主軸轉(zhuǎn)速
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，切割溫度過高產(chǎn)生劃片刀過載現(xiàn)象。所以一般選擇高速的主軸轉(zhuǎn)速來有效控制芯片背面崩裂。
4.3 冷卻水優(yōu)化
切割時(shí),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(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)致切割溫度過高，發(fā)生刀片過載現(xiàn)象。所以切割過程中,需要嚴(yán)格控制冷卻水流量在工藝范圍內(nèi)。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(huì)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(dá)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(jī)的切割工藝中，晶圓崩裂及切割品質(zhì)問題可以通過選擇合適型號(hào)的劃片刀以及調(diào)整、優(yōu)化劃切工藝參數(shù)等方面來改善。要想達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的切割品質(zhì)，切割工藝還需要不斷的探索和經(jīng)驗(yàn)的積累。例如通過采用金剛石劃片刀和雷射切割相結(jié)合的方式，劃切的材質(zhì)可以多種多樣，使得切割工藝也具有千變?nèi)f化的特點(diǎn)。
*引自網(wǎng)絡(luò)資料