一個(gè)晶圓被分割成多個(gè)半導(dǎo)體芯片的工藝

一個(gè)晶圓要經(jīng)歷三次的變化過(guò)程，才能成為一個(gè)真正的半導(dǎo)體芯片：首先，是將塊兒狀的鑄錠切成晶圓；在第二道工序中，通過(guò)前道工序要在晶圓的正面雕刻晶體管；最后，再進(jìn)行封裝，即通過(guò)切割過(guò)程，使晶圓成為一個(gè)完整的半導(dǎo)體芯片?？梢?jiàn)，封裝工序?qū)儆诤蟮拦ば颍谶@道工序中，會(huì)把晶圓切割成若干六面體形狀的單個(gè)芯片，這種得到獨(dú)立芯片的過(guò)程被稱(chēng)作做“切單（Singulation）”,而把晶圓板鋸切成獨(dú)立長(zhǎng)方體的過(guò)程則叫做“晶片切割（Die Sawing）”。近來(lái)，隨著半導(dǎo)體集成度的提高，晶圓厚度變得越來(lái)越薄，這當(dāng)然給“切單”工藝也帶來(lái)了不少難度。

一、晶圓切割（Wafer Dicing）的發(fā)展歷程

圖1. 晶圓切割方法的發(fā)展歷程（切單）

前道和后道工序通過(guò)各種不同方式的互動(dòng)而進(jìn)一步發(fā)展：后道工序的進(jìn)化可以決定晶圓上die單獨(dú)分離出的六面體小芯片的結(jié)構(gòu)和位置，以及晶片上焊盤(pán)（電連接路徑）的結(jié)構(gòu)和位置；與之相反，前端工藝的進(jìn)化則改變了后端工藝中的晶圓背面減薄和“晶片切割（Die Sawing）”晶圓的流程和方法。因此，封裝的外觀日益變得精巧，會(huì)對(duì)后端工藝帶來(lái)很大的影響。而且，根據(jù)包裝外觀的變化，切割次數(shù)、程序和類(lèi)型也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。請(qǐng)參閱："輕薄短小"半導(dǎo)體封裝的發(fā)展歷程。那么，現(xiàn)在就讓我們一起通過(guò)芯片“切單”的演化過(guò)程，來(lái)看看五種切割方法吧。

二、劃片切割（Scribe Dicing）

圖2. 早期的劃片切割法：劃片后進(jìn)行物理上的分割（Breaking）@直徑為6英寸以下的的晶圓

早期，通過(guò)施加外力切割的“掰開(kāi)（Breaking）”是唯一可以把晶圓分割成六面形Die的切割法。然而，這種方法卻存在芯片邊緣剝落（Chipping）或產(chǎn)生裂紋等弊端。而且，由于沒(méi)有完全去除金屬層表面的毛刺（Burr：切割時(shí)產(chǎn)生的一些殘?jiān)?，所以切割表面也非常粗糙?/p>

為了解決這一問(wèn)題，“劃片（Scribing）”切割法應(yīng)運(yùn)而生，即在“掰開(kāi)（Breaking）”前，將晶圓表面切割至大約一半的深度?！皠澠?，顧名思義，是指使用葉輪在晶圓的正面事先鋸切（半切）。早期，6英寸以下的晶圓大部分都使用了這種在芯片之間先“劃片”，再“掰開(kāi)（Breaking）”的切割法。

三、刀片切割（或鋸切）（Blade Dicing or Blade Sawing）

圖3-1. 刀片切割（鋸切）方法@傳統(tǒng)方法

“劃片”切割法逐漸發(fā)展成為“刀片（Blade dicing）”切割（或鋸切）法，即連續(xù)使用刀片兩到三次進(jìn)行切割的方法?！暗镀鼻懈罘梢詮浹a(bǔ)“劃片”后“掰開(kāi)（Breaking）”時(shí)，芯片剝落的現(xiàn)象，可在“切單（Singulation）”過(guò)程中起到保護(hù)芯片的作用?！暗镀鼻懈钆c之前的“劃片”切割有所不同，即進(jìn)行完一次“刀片”切割后，不是“掰開(kāi)（Breaking）”，而是再次用刀片切割。所以，也把它稱(chēng)為“分步切割（Step Dicing）”法。

圖3-2. 刀片切割（鋸切）過(guò)程中，保護(hù)膜的附著與摘除

為了保護(hù)晶圓在切割過(guò)程中免受外部損傷，事先會(huì)在晶圓上貼敷膠膜，以便保證更安全的“切單”?！氨趁鏈p?。˙ack Grinding）”過(guò)程中，膠膜會(huì)貼在晶圓的正面。但與此相反，在“刀片”切割中，膠膜要貼在晶圓的背面。請(qǐng)參閱：背面研磨(Back Grinding)決定晶圓的厚度。而在共晶貼片（Die Bonding，把分離的芯片固定在PCB或定架上）過(guò)程中，貼在背面的這一膠膜會(huì)自動(dòng)脫落。切割時(shí)由于摩擦很大，所以要從各個(gè)方向連續(xù)噴灑DI（Deionized Water，去離子）水。而且，葉輪要附有金剛石顆粒，這樣才可以更好地切片。此時(shí)，切口（刀片厚度：凹槽的寬度）必須均勻，不得超過(guò)劃片槽的寬度。

很長(zhǎng)一段時(shí)間，鋸切一直是被最廣泛使用的傳統(tǒng)切割方法，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以在短時(shí)間內(nèi)切割大量的晶圓。然而，如果切片的進(jìn)給速度（Feeding Speed）大幅提高，小芯片邊緣剝落的可能性就會(huì)變大。因此，應(yīng)將葉輪的旋轉(zhuǎn)次數(shù)控制在每分鐘30000次左右?？梢?jiàn)，半導(dǎo)體工藝的技術(shù)往往是通過(guò)很長(zhǎng)一段時(shí)間的積累和試錯(cuò)來(lái)慢慢積累（在下一節(jié)有關(guān)共晶貼片的內(nèi)容上，將討論有關(guān)切割與DAF（Die Attach Film）的內(nèi)容）。

四、先切割、后減薄 （DBG，Dicing Before Grinding）：切割順序改變了方法

圖4. 現(xiàn)存的刀片切割&DBG（先切割，后減?。┓椒?/p>

在直徑為8英寸晶圓上進(jìn)行刀片切割時(shí)，不用擔(dān)心小芯片邊緣剝落或裂紋等現(xiàn)象。但隨著晶圓直徑增加至21英寸，且厚度也變得極薄，剝落與裂紋現(xiàn)象又開(kāi)始出現(xiàn)了。為了大幅減少在切割過(guò)程中對(duì)晶圓的物理沖擊，“先切割、后研磨”的DBG方法取代了傳統(tǒng)的切割順序。與連續(xù)進(jìn)行切割的傳統(tǒng)“刀片”切割法不同，DBG先進(jìn)行一次“刀片”切割后，就通過(guò)不斷的背面減薄使晶圓厚度逐漸變薄，直到芯片分裂為止?？梢哉f(shuō)，DBG是以往“刀片”切割法的升級(jí)版，因?yàn)樗梢詼p少第二次切割帶來(lái)的沖擊，所以，DBG方法在“晶圓級(jí)封裝”上得到了迅速的普及。

五、激光切割（Laser Dicing）

圖5. 傳統(tǒng)激光切割（grooving）&激光隱形切割（SD）方法的比較

晶圓級(jí)晶片尺寸封裝（WLCSP，Wafer Level Chip Scale Package）工藝主要采用激光切割法。采用激光切割可以減少剝落和裂紋等現(xiàn)象，從而獲得更優(yōu)質(zhì)的芯片，但晶圓厚度為100μm以上時(shí)，生產(chǎn)率將大打折扣。所以，多用在厚度不到100μm（相對(duì)較?。┑木A上。激光切割是通過(guò)在晶圓的劃片槽上施加高能量的激光來(lái)切割硅。但使用傳統(tǒng)的激光（Conventional Laser）切割法，要在晶圓表面上事先涂層保護(hù)膜。因?yàn)?，在晶圓表面加熱或照射激光等，這些物理上的接觸會(huì)在晶圓表面產(chǎn)生凹槽，而且切割的硅碎片也會(huì)粘附在表面上?？梢?jiàn)，傳統(tǒng)的激光切割法也是直接切割晶圓表面，在這一點(diǎn)上，它與“刀片”切割法有相似之處。

激光隱形切割（SD, Stealth Dicing）則是先用激光能量切割晶圓的內(nèi)部，再向貼附在背面的膠帶施加外部壓力，使其斷裂，從而分離芯片的方法。當(dāng)向背面的膠帶施加壓力時(shí)，由于膠帶的拉伸，晶圓將被瞬間向上隆起，從而使芯片分離。相對(duì)傳統(tǒng)的激光切割法，SD的優(yōu)點(diǎn)為：一是沒(méi)有硅的碎屑；二是切口（Kerf：劃片槽的寬度）窄，所以可以獲得更多的芯片。此外，使用SD方法剝落和裂紋現(xiàn)象也將大大減少，這決定了切割的整體質(zhì)量。因此，SD方法非常有望成為未來(lái)最受青睞的一項(xiàng)技術(shù)。

六、等離子切割（Plasma Dicing）

等離子切割是最近發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)，即在制造（Fab）過(guò)程中使用等離子蝕刻的方法進(jìn)行切割。等離子切割法用半氣體材料代替了液體，所以對(duì)環(huán)境影響相對(duì)較小。而且采用了對(duì)整個(gè)晶圓一次性切割的方法，所以“切單”速度也相對(duì)較快。然而，等離子方法要以化學(xué)反應(yīng)氣體為原料，且蝕刻過(guò)程非常復(fù)雜，因此其工藝流程相對(duì)較繁瑣。但與“刀片”切割、激光切割相比，等離子切割不會(huì)給晶圓表面造成損傷，從而可以降低不良率，獲得更多的芯片。

近來(lái)，由于晶圓厚度已減小至30μm，且使用了很多銅（Cu）或低介電常數(shù)（Low-k ）等材料。因此，為了防止毛刺（Burr），等離子切割方法也將受到青睞。當(dāng)然，等離子切割技術(shù)也在不斷的發(fā)展中，相信不久的將來(lái)，終有一天蝕刻時(shí)可以不再需要佩戴專(zhuān)用口罩，因?yàn)檫@就是等離子切割的一大發(fā)展方向。

隨著晶圓的厚度從100μm到50μm、再到30μm、不斷變薄，獲得獨(dú)立芯片的切割方法也從“掰開(kāi)（breaking）”、“刀片”切割，到激光切割，再到等離子切割，不斷變化發(fā)展著。日趨成熟的切割方法，雖然帶來(lái)了切割工藝本身生產(chǎn)成本的增加，但另一方面，通過(guò)大幅減少半導(dǎo)體芯片切割中經(jīng)常出現(xiàn)的剝落、裂紋等不良現(xiàn)象和單位晶圓上芯片獲得量的增多，單個(gè)芯片的生產(chǎn)成本反而卻呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。當(dāng)然，晶圓單位面積芯片獲得量的增加，與劃片槽（Dicing Street寬度）寬度的縮小有著密切的關(guān)系。采用等離子切割法，相對(duì)采用“刀片”切割法，可以獲得將近20%的更多的芯片，這也是為什么人們選擇等離子切割法的一大原因。隨著晶圓、芯片外觀和封裝方法的發(fā)展變化，晶圓加工技術(shù)和DBG等各種切割工藝也正在應(yīng)運(yùn)而生。

來(lái)源：半導(dǎo)體封裝工程師之家

審核編輯：湯梓紅