硅晶圓復(fù)合劃片工藝研究

李燕玲，高愛(ài)梅，張雅麗

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

硅晶圓劃片是集成電路封裝制程中對(duì)晶圓上多個(gè)芯片圖形進(jìn)行劃切加工的關(guān)鍵工序，要求沿切割道完全分離芯片。傳統(tǒng)的加工方式是在晶圓背面貼上藍(lán)膜，采用砂輪刀片完全切斷晶圓而不劃傷藍(lán)膜。由于機(jī)械應(yīng)力的存在，切割槽背面容易產(chǎn)生崩邊。另外，對(duì)于切割道內(nèi)有玻璃、低K介質(zhì)等保護(hù)層的晶圓，容易造成保護(hù)層崩裂和脫落，影響芯片性能。激光劃片屬于非接觸加工，不產(chǎn)生崩邊，無(wú)刀具磨損和水污染，但熱影響和熔渣是不容忽視的問(wèn)題，即便是冷加工的355 nm紫外激光或超快激光，仍然存在一定熱影響。另一個(gè)考驗(yàn)是激光焦點(diǎn)無(wú)法精確控制到入刀深度，在完全切透晶圓時(shí)往往會(huì)損傷藍(lán)膜，影響后續(xù)的擴(kuò)晶工藝。采用專用的激光切割膠帶在一定程度上能夠解決這一難題，但必須控制殘余熱量在膠帶的損傷閾值內(nèi)，且膠帶的使用增加了生產(chǎn)成本。

本文介紹了一種硅晶圓的復(fù)合劃片方式，結(jié)合了砂輪劃切和激光劃切各自的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)大量工藝試驗(yàn)和測(cè)量分析，驗(yàn)證了這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)理想的加工質(zhì)量并能滿足工藝要求，可供相似要求的硅晶圓劃切借鑒。

1 砂輪劃片

1.1 砂輪劃片原理

砂輪劃片機(jī)是通過(guò)高速空氣靜壓電主軸驅(qū)動(dòng)刀片高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的強(qiáng)力磨削，主要用于硅集成電路、發(fā)光二極管、陶瓷、石英、砷化鎵和玻璃等材料的劃切。設(shè)備主要由主軸控制單元、視覺(jué)對(duì)位系統(tǒng)、XYθ三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)、非接觸測(cè)高、刀片破損檢測(cè)單元和漏水檢測(cè)單元組成?？刂浦鬏S轉(zhuǎn)速、劃切進(jìn)給速度等參數(shù)，選擇合適的刀片規(guī)格，可以適應(yīng)不同材料的劃片工藝需求。

1.2 砂輪劃片的優(yōu)缺點(diǎn)

砂輪劃片[1]是接觸式加工，可以精確控制刀片進(jìn)給深度，確保完全劃透晶圓而不損傷藍(lán)膜基底。同時(shí)采用去離子水實(shí)時(shí)冷卻刀片，有效減小了切割道的熱損傷，磨削去除的材料粉末隨冷卻水排走，切割道干凈。砂輪劃片另一個(gè)顯著的特點(diǎn)是切割槽形貌呈現(xiàn)邊緣陡直的矩形槽，這對(duì)于要求切割斷面平整或者某些開(kāi)槽加工的應(yīng)用非常有利。另外，隨著刀片制造工藝的改進(jìn)，強(qiáng)度更好更薄的刀片出現(xiàn)，使得切割槽寬度一直減小到了20 μm，以前砂輪劃片槽寬太大的問(wèn)題得以解決。

在砂輪刀片強(qiáng)力磨削加工中，機(jī)械應(yīng)力造成的芯片隱裂和崩邊是致命的缺陷，通常入刀面的殘?jiān)S水流去除，邊緣效果較好，而出刀面的殘?jiān)鼰o(wú)處可去，極易造成崩邊。尤其對(duì)包含懸梁、腔體等典型結(jié)構(gòu)的MEMS硅晶圓，切割中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力極易破壞這些脆弱的微結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響芯片成品率。

目前常用的砂輪劃片刀有樹(shù)脂結(jié)合劑系列和金屬結(jié)合劑系列兩類(lèi)，刀片厚度0.02～1.5 mm，根據(jù)加工材料的類(lèi)型和工藝要求選擇適合的刀片。但無(wú)論何種刀片，磨削損耗導(dǎo)致頻繁地更換刀片，成為砂輪劃片加工中最大的成本支出。尤其對(duì)藍(lán)寶石、碳化硅等硬脆性材料采用砂輪切割，刀具磨損非常嚴(yán)重，且加工效率低下，并且高速旋轉(zhuǎn)磨削過(guò)程中產(chǎn)生大量熱能，必須配備去離子水冷卻，而切割產(chǎn)生的殘?jiān)S冷卻水排出，又需考慮污染處理問(wèn)題。

1.3 砂輪劃硅晶圓

硅晶圓的劃片是砂輪劃片機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，受晶圓制作工藝、表面處理特性等因素的影響，劃片效果也有所不同。在實(shí)驗(yàn)中選用厚度200 μm，芯片尺寸220 μm，切割道寬度40 μm，正面光刻圖形，切割道表面為氧化硅，厚度2 μm，背面無(wú)圖形，鍍銀層，厚度1 μm的100 mm(4英寸)IC硅晶圓。首先對(duì)硅晶圓進(jìn)行貼藍(lán)膜貼邊框處理，采用厚度24 μm的金剛石刀片，進(jìn)給速度20 mm/s，經(jīng)視覺(jué)識(shí)別對(duì)位后沿切割道進(jìn)行劃片，然后擴(kuò)膜分離芯片，效果如圖1、圖2所示，切割寬度26 μm，晶圓的背面切割道會(huì)產(chǎn)生崩邊，導(dǎo)致芯片邊緣輪廓不整齊，甚至損傷到芯片，會(huì)對(duì)工藝應(yīng)用產(chǎn)生影響。

圖1 晶背面切割道

圖2 切割后芯片

2 激光劃片

2.1 激光劃切原理

隨著激光器制造和相關(guān)光學(xué)元件的技術(shù)成熟與成本下降，激光加工設(shè)備開(kāi)發(fā)速度之快、應(yīng)用范圍之廣，呈現(xiàn)井噴式發(fā)展趨勢(shì)。在微電子領(lǐng)域方面，因機(jī)械加工方法受到器件結(jié)構(gòu)、成品率和工藝產(chǎn)能限制的領(lǐng)域，激光加工以其無(wú)機(jī)械應(yīng)力、加工軌跡靈活、速度快等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)入了不同半導(dǎo)體材料的微加工(劃片、切割、打孔等)應(yīng)用領(lǐng)域。

激光劃片是利用高能激光束照射工件表面，使被照射區(qū)域局部熔化、氣化，從而達(dá)到去除材料，實(shí)現(xiàn)劃片的過(guò)程。激光經(jīng)過(guò)專用光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直和聚焦后，形成微米級(jí)的小光斑，能量密度高，加工效率高。根據(jù)材料對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收特性，配置相應(yīng)的激光器和光學(xué)系統(tǒng)。普遍的規(guī)律是激光波長(zhǎng)越短，加工熱影響區(qū)越小，在相同的平均功率和重復(fù)頻率下，較長(zhǎng)脈寬所劃的槽較深，而較短脈寬產(chǎn)生更優(yōu)的切割品質(zhì)。

2.2 激光劃切的優(yōu)缺點(diǎn)

激光劃片是非接觸式加工，無(wú)機(jī)械應(yīng)力損傷。通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的合理配置，高能量聚焦光斑實(shí)現(xiàn)高速劃片，加工軌跡靈活設(shè)置，理論上可以加工任意圖形。激光劃片最大的優(yōu)勢(shì)是不存在刀具損耗和水污染，設(shè)備使用維護(hù)成本低。缺點(diǎn)在于激光聚焦光斑存在一定焦深，無(wú)法精確控制劃片深度，尤其在全劃切時(shí)，襯底藍(lán)膜也會(huì)被劃傷，影響后續(xù)的擴(kuò)膜和去膜工序。激光劃盲槽的橫截面顯著的呈現(xiàn)V形，且溝槽底部存在殘?jiān)逊e現(xiàn)象。另外，激光加工的熱影響也是制約其應(yīng)用的一個(gè)重要因素。

2.3 激光劃硅晶圓

激光劃片主要采用半劃工藝，根據(jù)材料特性的不同，劃切深度一般控制為片厚的1/3～2/3，然后通過(guò)裂片方式分離芯片。激光全劃硅晶圓時(shí)，必須將晶圓粘貼在專用的切割膠帶上，控制激光作用到膠帶上的能量密度不超過(guò)其損傷閾值，保證在劃透晶圓的同時(shí)不損壞膠帶，然后擴(kuò)膜分離芯片。對(duì)本實(shí)驗(yàn)采用的硅晶圓，采用激光波長(zhǎng)355 nm，功率8 W，劃片速度30 mm/s，劃槽寬度22 μm，完全劃透。劃片效果如圖3、圖4所示，由于芯片尺寸和切割道間距小，累計(jì)的熱量導(dǎo)致晶圓熱變形，使切割道偏離預(yù)定位置。另外，晶圓表面粉塵污染嚴(yán)重，切割槽內(nèi)有殘?jiān)尺B，通過(guò)擴(kuò)膜工序無(wú)法完全分離所有芯片，全切割方案不可行。

圖3 晶圓劃片正面

圖4 激光劃片后晶圓翹曲

3 激光與砂輪復(fù)合劃片工藝

基于以上砂輪劃片和激光劃片存在的問(wèn)題，綜合考慮，制定了砂輪+激光的復(fù)合劃片工藝，工藝流程如圖5所示。

圖5 復(fù)合劃片工藝流程圖

3.1 底部圖形識(shí)別與背劃功能介紹

常規(guī)的硅晶圓為單面光刻圖形，背面無(wú)對(duì)位圖形，要實(shí)現(xiàn)晶圓的背劃，需要設(shè)備上具備底部對(duì)準(zhǔn)功能，通過(guò)底部鏡頭識(shí)別晶圓正面圖形，激光從晶圓背面劃切，原理如圖6所示。

本試驗(yàn)采用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所研制的JHQ-410D激光劃片機(jī)，如圖7所示，進(jìn)行硅晶圓的背面標(biāo)刻，標(biāo)刻的十字圖形作為砂輪背劃的對(duì)位標(biāo)記。

3.2 激光與砂輪復(fù)合劃片硅晶圓

步驟一：激光在硅晶圓背面標(biāo)刻十字圖形，激光波長(zhǎng)1 064 nm，功率3 W，速度200 mm/s，劃槽寬度25 μm，劃槽深度5 μm，如圖8所示。

圖6 底部對(duì)準(zhǔn)原理示意圖

圖7 JHQ-410D激光劃片機(jī)

圖8 激光劃對(duì)位標(biāo)記

步驟二：砂輪劃片機(jī)從硅晶圓的正面切割道進(jìn)行劃片，速度50 mm/s，劃槽寬度26 μm，劃槽深度20 μm，如圖9所示。

步驟三：以激光標(biāo)刻的十字圖形為參考對(duì)位，砂輪劃片機(jī)從硅晶圓的背面劃片，速度25 mm/s，劃槽寬度26 μm，完全劃透晶圓。

按以上工藝劃切后的最終芯片背面情況如圖10所示。從圖中可看出，其正面邊緣質(zhì)量很好，但背面邊緣出現(xiàn)卷邊現(xiàn)象，分析原因是由于銀層延展性好，刀片磨削加工時(shí)不能迅速切斷銀層，邊緣向上翹起。

圖9 砂輪正劃

圖10 芯片背面質(zhì)量

圖11 芯片正背面圖

3.3 改進(jìn)工藝流程

為解決銀層卷邊的現(xiàn)象，改進(jìn)工藝流程中的步驟一，采用激光將所有切割道的銀層完全劃掉，在激光離焦?fàn)顟B(tài)下實(shí)現(xiàn)劃槽寬度45 μm，劃槽深度5 μm。最終分離后的芯片正反面邊緣整齊均勻，滿足工藝需求，如圖11所示，其中（a）為芯片正面，（b）為芯片背面。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)厚度200 μm、芯片尺寸220 μm×220 μm、切割道寬度40 μm、正面光刻圖形、背面無(wú)圖形、鍍銀層的100 mm IC硅晶圓，分別采用砂輪劃片、激光劃片、激光與砂輪復(fù)合劃片三種方式進(jìn)行工藝試驗(yàn)，通過(guò)劃片質(zhì)量的測(cè)量對(duì)比，激光與砂輪復(fù)合劃片后，最終分離的芯片正反面邊緣整齊均勻，滿足工藝需求。該劃片方式對(duì)典型的單面光刻圖形、背面鍍銀的硅晶圓，取得了較理想的加工參數(shù)，工藝成熟，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]李明偉.光譜物理公司，DPSS激光器參數(shù)對(duì)半導(dǎo)體微加工的影響[Z].