影響晶圓劃片質(zhì)量的重要因素

摘 要：在一片晶圓上，通常有幾百個至數(shù)千個芯片連在一起。它們之間留有80um至150um的間隙，此間隙被稱之為劃片街區(qū)（Saw Street）。將每一個具有獨立電氣性能的芯片分離出來的過程叫做劃片或切割（Dicing Saw）。目前，機械式金剛石切割是劃片工藝的主流技術。在這種切割方式下，金剛石刀片（Diamond Blade）以每分鐘3萬轉(zhuǎn)到4萬轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速切割晶圓的街區(qū)部分，同時，承載著晶圓的工作臺以一定的速度沿刀片與晶圓接觸點的切線方向呈直線運動，切割晶圓產(chǎn)生的硅屑被去離子水（DI water）沖走。

關鍵字：晶圓；劃片；切割；金剛石

1 影響晶圓劃片質(zhì)量的重要因素

劃片工具，材料及劃片參數(shù)

劃片工具和材料主要包括：劃片刀（Dicing blade）、承載薄膜（Mounting tape）。劃片參數(shù)主要包括：切割模式、切割參數(shù)（步進速度、刀片轉(zhuǎn)速、切割深度等）。對于由不同的半導體工藝制作的晶圓需要進行劃片工具的選擇和參數(shù)的優(yōu)化，以達到最佳的切割質(zhì)量和最低的切割成本。

2 晶圓劃片重要因素的選擇

2.1 劃片刀的選擇

劃片刀又稱金剛石劃片刀，包含三個主要元素：金剛石顆粒的大小、密度和粘結(jié)材料。金剛石顆粒在晶圓的切割過程中起著研磨劑的作用，通常是由CBN（Cubic Boron Nitride）合成而來。金剛石顆粒尺寸從2um到8um之間變化。為達到更好的切割質(zhì)量，通常選用帶棱角的金剛石顆粒。金剛石顆粒的密度代表著金剛石顆粒占金剛石刀片的體積比。通常劃片刀片供應商都會提供不同的金剛石顆粒密度以適應不同的應用場合。金屬鎳被用作粘結(jié)劑，將金剛石顆粒粘結(jié)在一起。

劃片刀的選擇一般來說要兼顧切割質(zhì)量、切割刀片壽命和生產(chǎn)成本。金剛石顆粒尺寸影響劃片刀的壽命和切割質(zhì)量。較大的金剛石顆粒度可以在相同的刀具轉(zhuǎn)速下，磨去更多的硅材料，因而刀具的壽命可以得到延長。然而，它會降低切割質(zhì)量（尤其是正面崩角和金屬/ILD得分層）。所以，對金剛石顆粒大小的選擇要兼顧切割質(zhì)量和制造成本。

金剛石顆粒的密度對切割質(zhì)量的控制也十分關鍵。對于相同的金剛石顆粒大小但具有不同密度的刀片，劃片刀每一個旋轉(zhuǎn)周期移去的硅材料是相同的，但是，平均到每一個金剛石顆粒移去的硅材料的量是不同的。實驗發(fā)現(xiàn)，高密度的金剛石顆?？梢匝娱L劃片刀的壽命，同時也可以減少晶圓背面崩角。而低密度的金剛石顆?？梢詼p少正面崩角。硬的粘結(jié)材料可以更好地“固定”金剛石顆粒，因而可以提高劃片刀的壽命，而軟的粘結(jié)材料能夠加速金剛石顆粒的“自我鋒利”（Self Sharpening）效應，令金剛石顆粒保持尖銳的棱角形狀，因而可以減小晶圓的正面崩角或分層，但代價是劃片刀壽命的縮短。刀鋒的長度應根據(jù)晶圓的厚度，承載薄膜的厚度，最大允許的崩角的尺寸來進行定義，刀鋒不能選得過長，因為長的刀鋒會在切割時引起刀片的擺動，會導致較大的崩角。

2.2 承載薄膜的選擇

承載薄膜（Mounting Tape）在開始劃片前粘貼在晶圓的背面，用來在完成劃片工藝后，將已相互分離的芯片仍然固定在薄膜上以便于自動粘片機（Die Bonder）完成粘片工序。薄膜的粘度對劃片切割質(zhì)量來說是一個重要特性。實驗證明，較高的薄膜與硅片的粘結(jié)力可以有效地減低晶圓背面的崩角。另一方面，在粘片工藝中，又希望薄膜與硅片之間的粘接力盡可能小，這樣粘片工藝才可以獲得一個穩(wěn)健的工藝窗口，以避免頂起針（Ejector Pin）設置過高或者拾片時間（Pick up time）設置過長造成潛在的芯片斷裂及生產(chǎn)效率降低的問題。

為了兼顧劃片和粘片兩個工序，紫外光敏薄膜（UV Tape）被選用作為晶圓的承載薄膜。UV薄膜的一個顯著特點是它與硅片的粘接力在未經(jīng)紫外光照射前非常高，可達16000mN/25mm，而在經(jīng)過紫外光照射后粘結(jié)力顯著下降，可至600mN/25mm。UV照射前后粘結(jié)力變化了25倍。UV薄膜的這種性質(zhì)很好的兼容了劃片和粘片對質(zhì)量的控制。

2.3 劃片模式的選擇

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），它們之間的區(qū)別如圖7所示。實驗證明，劃片刀的設計不可能同時滿足正面崩角、分層及背面崩角的質(zhì)量控制的要求。這個結(jié)論對于晶圓厚度大于7 mil的低k晶圓尤為適用。為了減小正面金屬層與ILD層的分層，薄劃片刀會被優(yōu)先采用，若晶圓較厚，則需選取刀鋒較長的刀片。 但須注意，具有較高刀鋒/刀寬比的劃片刀在切割時會產(chǎn)生擺動，反而會造成較大的正面分層及背面崩角。

臺階式切割使用兩個劃片刀，第一劃片刀較厚，依程序切入晶圓內(nèi)某一深度，第二劃片刀較薄，它沿第一劃片刀切割的中心位置切透整個晶圓并深入承載薄膜的1/3厚度。臺階式切割的優(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高/刀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。

2.4 劃片冷卻水的添加劑

在劃片機冷卻水中添加某些化學添加劑，能夠有效地降低水在晶圓/劃片刀的表面張力，從而消除了晶圓切割產(chǎn)生的硅屑及金屬顆粒在晶圓表面和劃片刀表面的堆積， 清潔了芯片表面，并減少了芯片的背部崩角。 這些硅屑和金屬碎屑的堆積是造成芯片焊線區(qū)（Bonding Pad）的污染和晶圓背部崩角的一個主要原因。因此，當優(yōu)化劃片刀和劃片參數(shù)無法消除芯片背部崩角時，可以考慮劃片冷卻水的添加劑。

2.5 劃片工藝參數(shù)的優(yōu)化

在確定了劃片刀，承載薄膜及切割模式的設計與選擇之后，下一步就是通過對劃片工藝參數(shù)的優(yōu)化來進一步減小，降低低晶圓的劃片缺陷。根據(jù)先前實驗結(jié)果和對劃片工藝參數(shù)的篩選，三個重要的工藝參數(shù)被選中進行工藝優(yōu)化，包括劃片刀轉(zhuǎn)速、工作臺步進速度和第一劃片刀切割深度。

參考文獻

[1]翟煥春，趙東杰，占志斌. 單晶硅棒切方專用金剛石外圓切割片技術要求及制造工藝探討[A].2008.6.

[2]陳詠旭，李艷麗，占志斌. 工業(yè)金剛石[M].2010.6.

[3]占志斌，王春芳，翟煥春. 多晶硅錠專用金剛石環(huán)形帶鋸條的制造工藝研究[A].2009.10.

作者簡介

夏金鳳（1982-），女，天津市，助理工程師，本科，研究方向：半導體測試。