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切單(Singulation),一個晶圓被分割成 多個半導體芯片的工藝
來源:skhynix | 作者:陳鍾文 | 發布時間: 2021-06-28 | 369 次瀏覽 | 分享到:

   一個晶圓要經歷三次的變化過程,才能成為一個真正的半導體芯片:首先,是將塊兒狀的鑄錠切成晶圓;在第二道工序中,通過前道工序要在晶圓的正面雕刻晶體管;最后,再進行封裝,即通過切割過程,使晶圓成為一個完整的半導體芯片。可見,封裝工序屬于后道工序,在這道工序中,會把晶圓切割成若干六面體形狀的單個芯片,這種得到獨立芯片的過程被稱作做“切單(Singulaton)”,而把晶圓板鋸切成獨立長方體的過程則叫做“晶片切割(Die Sawing)”。近來,隨著半導體集成度的提高,晶圓厚度變得越來越薄,這當然給“切單”工藝也帶來了不少難度。

一、晶圓切割(Wafer Dicing)的發展歷程

圖1. 晶圓切割方法的發展歷程(切單)


   前道和后道工序通過各種不同方式的互動而進一步發展:后道工序的進化可以決定晶圓上die單獨分離出的六面體小芯片)的結構和位置,以及晶片上焊盤(電連接路徑)的結構和位置;與之相反,前端工藝的進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,會對后端工藝帶來很大的影響。而且,根據包裝外觀的變化,切割次數、程序和類型也會發生相應的變化。那么,現在就讓我們一起通過芯片“切單”的演化過程,來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:劃片后進行物理上的分割(Breaking)@直徑為6英寸以下的的晶圓


   早期,通過施加外力切割的“掰開(Breaking)”是唯一可以把晶圓分割成六面形的Die的切割法。然而,這種方法卻存小芯片邊緣剝落(Chipping)或產生裂紋等弊端。而且,由于沒有完全去除金屬表面的毛刺(Burr:切割時產生的一些殘渣),所以切割表面也非常粗糙。

   為了解決這一問題,“劃片(Scribing)”切割法應運而生,即在“掰開(Breaking)”前,將晶圓表面切割至大約一半的深度。“劃片”,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現在芯片之間先“劃片”,再“掰開(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@傳統方法


   “劃片”切割法逐漸發展成為“刀片(Blade dicing)”切割(或鋸切)法,即連續使用刀片兩到三次進行切割的方法。“刀片”切割法可以彌補“劃片”后“掰開(Breaking)”時,小芯片剝落的現象,可在“切單(Singulation)”過程中起到保護小芯片的作用。“刀片”切割與之前的“劃片”切割有所不同,即進行完一次“刀片”切割后,不是“掰開(Breaking)”,而是再次用刀片切割。所以,也把它稱為“分步切割(Step Dicing)”法。

圖3-2. 刀片切割(鋸切)過程中,保護膜的附著與摘除


   為了保護晶圓在切割過程中免受外部損傷,事先會在晶圓上貼敷膠膜,以便保證更安全的“切單”。“背面減薄(Back Grinding)”過程中,膠膜會貼在晶圓的正面。但與此相反,在“刀片”切割中,膠膜要貼在晶圓的背面。而在共晶貼片(Die Bonding,把分離的芯片固定在PCB或定架上)過程中,貼會背面的這一膠膜會自動脫落。切割時由于摩擦很大,所以要從各個方向連續噴灑DI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,切口(刀片厚度:凹槽的寬度)必須均勻,不得超過劃片槽的寬度。

   很長一段時間,鋸切一直是被最廣泛使用的傳統的切割方法,其最大的優點就是可以在短時間內切割大量的晶圓。然而,如果切片的進給速度(Feeding Speed)大幅提高,小芯片邊緣剝落的可能性就會變大。因此,應將葉輪的旋轉次數控制在每分鐘30000次左右。可見,半導體工藝的技術往往是通過很長一段時間的積累和試錯,慢慢積累的秘訣(在下一節有關共晶貼片的內容上,將討論有關切割與DAF的內容)。

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

圖4. 現存的刀片切割&DBG(先切割,后減薄)方法


   在直徑為8英寸晶圓上進行刀片切割時,不用擔心小芯片邊緣剝落或裂紋等現象。但隨著晶圓直徑增加至21英寸,且厚度變也得極薄,剝落與裂紋現象又開始出現了。為了大幅減少在切割過程中對晶圓的物理沖擊,“先切割、后研磨”的DBG方法取代了傳統的切割順序。 與連續進行切割的傳統“刀片”切割法不同,DBG先進行一次“刀片”切割后,就通過不斷的背面減薄使晶圓厚度逐漸變薄,直到芯片分裂為止。可以說,DBG時以往“刀片”切割法的升級版,因為它可以減少第二次切割帶來的沖擊,所以,DBG方法在“晶圓級封裝”上得到了迅速的普及。

五、激光切割(Laser Dicing)

圖5. 傳統激光切割(grooving)&激光隱形切割(SD)方法的比較


   晶圓級晶片尺寸封裝(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象,從而獲得更優質的芯片,但晶圓厚度為100μm以上時,生產率將大打折扣。所以,多用在厚度不到100μm(相對較薄)的晶圓上。激光切割是通過在晶圓的劃片槽上施加高能量的激光來切割硅。但使用傳統的激光(Conventional Laser)切割法,要在晶圓表面上事先涂層保護膜。因為,在晶圓表面加熱或照射激光等,這些物理上的接觸會晶圓表面會產生凹槽,而且切割的硅碎片也會粘附在表面上。可見,傳統的激光切割法也是直接切割晶圓表面,在這一點上,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。當向背面的膠帶施加壓力時,由于膠帶的拉伸,晶圓將被瞬間向上隆起,從而使芯片分離。相對傳統的激光切割法SD的優點為:一是沒有硅的碎屑;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方法剝落和裂紋現象也將大大減少,這至關定切割的整體質量。因此,SD方法非常有望成為未來最受青睞的一項技術。

六、等離子切割(Plasma Dicing)

   等離子切割作時最近發展起來的一項技術,即在制造(Fab)過程中使用等離子蝕刻的方法進行切割。等離子切割法用半氣體材料代替了液體,所以對環境影響相對較小。而且采用了對整個晶圓一次性切割的方法,所以“切單”速度也相對較快。然而,等離子方法要以化學反應氣體為原料,且蝕刻過程非常復雜,因此其工藝流程相對較繁瑣。但與“刀片”切割、激光切割相比,等離子切割不會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,由于晶圓厚度已減小至30μm,且使用了很多銅(Cu)或低介電常數等材料(Low-k )。因此,為了防止毛刺(Burr),等離子切割方法也將受到青睞。當然,等離子切割技術也在不斷的發展中,相信不久的將來,終有一天蝕刻時可以不再需要佩戴專用口罩,因為這就是等離子切割的一大發展方向。

   隨著晶圓的厚度從100μm到50μm、再到30μm、不斷變薄,獲得獨立芯片的切割方法也從“掰開(breaking)”、“刀片”切割,到激光切割,再到等離子切割,不斷變化發展著。日趨成熟的切割方法,雖然帶來了切割工藝本身生產成本的增加,但另一方面,通過大幅減少半導體芯片切割中經常出現的剝落、裂紋等不良現象和單位晶圓上芯片獲得量的增多,單個芯片的生產成本反而卻呈現出下降趨勢。當然,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系。采用等離子切割法,相對采用“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展變化,晶圓加工技術和DBG等各種切割工藝也正在應運而生。



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