晶圓激光劃片技術(shù)簡析

高愛梅，張永昌，鄧勝強

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

隨著激光器及相關(guān)光學(xué)元件制造技術(shù)的發(fā)展，為激光加工設(shè)備的開發(fā)提供了強大支撐，極大地促進激光微加工應(yīng)用的廣度和深度。晶圓劃片是將制作好圖形的晶圓按切割道分割成單一芯片的過程。隨著芯片設(shè)計及制造技術(shù)的升級，對半導(dǎo)體封裝工藝提出新的需求。如：超薄硅晶圓、低k介質(zhì)晶圓、含懸梁薄膜結(jié)構(gòu)的微機電系統(tǒng)（MEMS,micro electro mechanical system）器件晶圓、硬脆碳化硅晶圓、軟脆碲鋅鎘晶圓等，使得晶圓劃片工藝面臨新挑戰(zhàn)，需求促進設(shè)備加工手段升級。本文較全面地介紹了幾種主流的晶圓劃片工藝，結(jié)合實際案例，分析其優(yōu)缺點和適用領(lǐng)域。

1 激光半劃

1.1 激光開槽+砂輪切割

隨著芯片特征尺寸的不斷縮小和芯片集成度的不斷提高，為提高芯片速度和降低互聯(lián)電阻電容（RC）延遲，低電介常數(shù)（低k）膜及銅質(zhì)材料逐步應(yīng)用在高速電子元器件上。采用砂輪刀具切割低k膜一個突出的問題是膜層脫落，通過使用無機械負(fù)荷的激光開槽，可抑制脫層，實現(xiàn)高品質(zhì)加工并提高生產(chǎn)效率，激光開槽完成后，砂輪刀具沿開槽完成硅材料的全切割，工藝過程如圖1所示，切割效果如圖2所示。

圖1 激光開槽+砂輪切割工藝

圖2 低K介質(zhì)膜切割斷面圖

此外，激光開槽也可用于去除硅晶圓表面的金屬層。當(dāng)切割道表面覆蓋金、銀等金屬層時，直接采用砂輪切割易造成卷邊缺陷，切割效果如圖3所示。可行的方法是通過激光開槽去除切割道的金屬覆蓋層，再采用砂輪切割剩余的硅材料，邊緣整齊，芯片質(zhì)量顯著提升，切割效果如圖4所示。

圖3 砂輪全切割

圖4 激光開槽+砂輪切割

1.2 激光半切+裂片

激光半切適用于解理性較好的材料加工，激光劃切至一定深度，然后采用裂片方式，沿切割道產(chǎn)生縱向延伸的應(yīng)力實現(xiàn)芯片分離。這種加工方式效率高，省掉了貼膜去膜工序，加工成本低。

以GPP（玻璃鈍化二極管）工藝為代表的分立器件硅晶圓是半導(dǎo)體器件的一大類（如圖5所示），主要應(yīng)用在二極管、三極管、可控硅、整流橋等器件領(lǐng)域，隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)需求的急劇增長，對器件的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量都提出了更高要求。目前，行業(yè)內(nèi)都采用了激光半切+裂片方式進行芯片分割，由于晶圓正面的切割道有玻璃鈍化層，工藝要求從晶圓背面劃切，為了簡化工藝流程，晶圓背面一般不做光刻圖形，這就要求設(shè)備具備底部對準(zhǔn)功能，對位晶圓正面，激光從晶圓背面劃切（如圖6所示）。常規(guī)的硅晶圓厚度280 μm，采用光纖激光劃切，速度150～200 mm/s，一次劃切至2/3到3/4深度，然后采用碾壓式裂片方式，一次完成整個晶圓的芯片分離，是一種高性價比的工藝方法。切割效果如圖7所示。

圖5 GPP硅晶圓

圖6 晶圓背面劃切道

氧化鋁、氮化鋁、碳化硅等硬脆材料，由于莫氏硬度高，采用砂輪刀具切割效率非常低，且容易產(chǎn)生崩邊，切割1 mm厚的氧化鋁陶瓷，速度僅為0.5～1 mm/s。采用激光全切割會產(chǎn)生大量熔渣，影響器件性能。利用這種材料解理性較好的特點，采用激光半切后，通過裂片的方式依次沿切割道分離芯片。以1 mm厚的氧化鋁陶瓷為例，采用波長1 064 nm的脈沖光纖激光切割至1/3深度，速度200 mm/s，裂片后芯片斷面干凈無熔渣。切割形貌如圖8、圖9所示。

圖7 晶圓劃切斷面

圖8 氧化鋁切割表面

圖9 氧化鋁切割斷面

1.3 激光半切+背面減薄

對厚度小于100 μm的薄型硅晶圓切割過程中易產(chǎn)生破裂，生產(chǎn)中可以調(diào)整工藝順序，先切割再減薄，采用激光半切割后再進行背面研磨，去除掉多余厚度的材料，采用該技術(shù)可以降低背面崩缺，提高芯片抗折強度，減小薄型晶圓破損的風(fēng)險。

2 激光全切割

激光全切割是采用激光一次或多次完全切透晶圓，如圖10所示，主要應(yīng)用在薄硅晶圓、化合物半導(dǎo)體、背面附金屬膜的晶圓、金屬銅、鉬等，切割斷面如圖11、圖12所示。該方法工藝流程簡單，可以實現(xiàn)高速高品質(zhì)切割。由于激光聚焦光斑的有效焦深范圍內(nèi)都能夠進行切割，在保證完全切透晶圓的時候，藍膜也會被劃傷，影響后續(xù)的擴膜。因此，選擇高損傷閾值的切割膠帶非常重要。

圖10 激光全切割

圖11 砷化鎵切割斷面

圖12 銅切割斷面

3 激光隱形劃切

激光隱形劃切是將激光聚焦作用在材料內(nèi)部形成改質(zhì)層，然后通過裂片或擴膜的方式分離芯片。表面無劃痕、無粉塵污染，幾乎無材料損耗，加工效率高，適合于材料昂貴、抗污染能力差的器件生產(chǎn)，劃切完后無需清洗。能夠進行隱形劃切的材料有藍寶石、玻璃、砷化鎵、碳化硅、鉭酸鋰、薄硅晶圓、硅基MEMS器件等。典型的案例是采用砂輪切割一片100 mm（4英寸）碳化硅晶圓（芯片1.5 mm×1.3 mm）需6 h左右，而且切割槽較寬，造成嚴(yán)重的材料浪費和刀具磨損。而采用激光隱形劃切方式，僅需20 min，切割線寬小于5 μm，芯片設(shè)計中切割道預(yù)留可以更窄。根據(jù)材料的解理特性和厚度不同，結(jié)合裂片工藝，進行單層或多層劃切。比如對90 μm厚的藍寶石晶圓，一層改質(zhì)層即可裂開，對90 μm厚的碳化硅晶圓，需要7-11層改質(zhì)層才可以裂開，如圖13、圖14所示。

圖14 藍寶石隱切斷面

4 異形芯片切割

當(dāng)前，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)較低利潤率的壓力下，為提高競爭力，芯片設(shè)計工程師不斷追求更高的材料利用率。切割線總長越短，晶圓面積浪費越小，在芯片面積一定的情況下，周長最短的是正六邊形密排。一個晶圓上能生產(chǎn)六邊形芯片數(shù)量比同樣尺寸的四邊形芯片數(shù)量多15%，對于大功率LED芯片，設(shè)計成六邊形還會產(chǎn)生更大的光能輸出量。但多邊形結(jié)構(gòu)給晶圓劃切帶來挑戰(zhàn)，加工中首先通過圖像識別定位和位置計算，將切割道解析成夾角為60°的三組直線段，劃完一組，工作臺旋轉(zhuǎn)60°再劃第二組，依次劃完整個晶圓，如圖15所示。

圖15 異形芯片切割軌跡

在芯片樣品設(shè)計階段，為降低試驗成本，往往在一個晶圓上混合排列多種尺寸規(guī)格的芯片，一般成周期性單元分布。劃切時需要設(shè)定晶圓尺寸、街區(qū)寬度、單元周期、每個單元中的街區(qū)間隔等參數(shù)，確定從某個單元的第一道街區(qū)開始劃，對同批次晶圓，可直接調(diào)用該參數(shù)進行加工，如圖16所示。

圖16 不規(guī)則分布芯片切割軌跡

對于柔性基底的晶圓，由于生產(chǎn)過程中的材料變形，造成芯片不規(guī)則分布，常規(guī)的激光劃片機無法滿足加工需求。針對工藝要求有兩種實現(xiàn)方式，沿芯片外輪廓切割，保證每個芯片尺寸一致，加工完后需要單獨清理剩余的殘渣；第二種方式是沿著街區(qū)的中心切，不會有殘渣，但切割完后的芯片尺寸不一致。不管哪種方式，都需要結(jié)合XY工作臺移動，逐塊完成整個晶圓的全幅面掃描，對掃描獲得的每一幀圖像，采用模板匹配的方法識別出每個芯片的中心位置和旋轉(zhuǎn)角度，計算獲得加工軌跡信息。最終振鏡沿芯片的切割軌跡完成整個晶圓切割，如圖17、圖18所示。

圖17 繞芯片外形切

圖18 沿切割道中心切

5 結(jié)束語

晶圓劃片是芯片生產(chǎn)工藝中的重要工序，根據(jù)材料和工藝需求的不同，選擇合適的劃片方式非常重要。本文結(jié)合工藝試驗案例，較全面的分析了幾種主流劃片工藝的特點和適用領(lǐng)域。隨著加工技術(shù)的進步和深入研究，還會有更先進的劃片方式，為創(chuàng)新半導(dǎo)體封裝工藝提供設(shè)備支撐。