鼍 电子工业毫用设备 趋势与展望 晶圆划切工艺与优化 张伟，贾月明 （北京中电科电子装备有限公司，北京１００１７６） 摘 要：在研究晶圆划片机划切工艺的基础上，分析了划切的质量缺陷和划切质量评估矩阵，阐 述了影响划切质量的诸多因素。介绍了划片刀、承载薄膜、划切模式、划切冷却水的添加剂和划切 参数的选择对划切质量的影响，通过对以上５个方面的优化来达到优化工艺的目的，同时还提出 了将砂轮划片和微水导激光划片相结合的新划切工艺。 关键词：晶圆；划切设备；工艺；优化 中图分类号：ＴＮ３０５．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—４５０７（２０１２）０４．０００７．０６ Ｔｅｃｈｎｉｃｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｆｅｒ Ｄｉｃｉｎｇ ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ，ＪＩＡ Ｙｕｅｍｉｎｇ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｚｈｏｎｇｄｉａｎｋｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１７６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｉｍｓ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｗａｆｅ．ｒ ｄｉｃｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｄｉｃｉｎｇ ｓａｗ，ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｄｅｆｅｃｔｓ ａｎｄ ｄｉｃｉｎｇ ｑｕａｌｉｙ ｔｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ，ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｔｈｅ ｍａｎｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｙ ｏｆ ｔｄｉｃｉｎｇ，ｓｕｃｈ ａｓ ｄｉｃｉｎｇ ｂｌａｄｅ，ｍｏｕｎｔｉｎｇ ｔａｐｅ，ｄｉｃｉｎｇ ｍｏｄｅ，ｃｏｏｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ ａｄｄｉｔｉｖｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｃｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ ｑｕａｌｉｙ ｏｆ ｔｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｆｉｖｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａ ｎｅｗ ｄｉｃｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｄｉｃｉｎｇ ｓａｗ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ・ｗａｔｅｒ ｇｕｉｄｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｉｃｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｗａｆｅｒ；Ｄｉｃｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ；Ｔｅｃｈｎｉｃｓ；Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ 晶圆划片机是集光机电计算机于一体的复 杂设备，划片工序是将集成电路整片晶圆通过划 切分割成单个芯粒的工艺过程，是集成电路制造 过程中整片晶圆操作的最后一道工序，承载了包 括晶圆减薄以及材料制各、光刻等几百个前道工 问题整片晶圆就可能部分或全部报废。因此，材 料和制造成本的积累以及工艺的不可重复性决 定了划片工艺成为封装、甚至整个集成电路制造 过程中最关键和最危险的工艺环节。同时随着半 导体工艺周期的缩短和集成度的提高（如图１所 示）以及晶圆基片尺寸的增加、厚度的缩小以及 序的材料和制造成本，晶圆价值十分昂贵，一旦 出现问题，整个投入就会前功尽弃。同时，划片 工艺又是一种无法恢复的不可逆过程，一旦出现 收稿日期：２０１２—０３．１３ 划线尺寸的细化对划切工艺和设备提出了更高 的挑战。 Ⅱ墨●衄（总第２０７期）⑦ 趋势与展望 电子工业毫用设置 － ｌ－ － ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ● ＿ １ｂ．２０２０００１１年ＤＲＡＭ１年ＭＰＵ／ＡＳ／２节距ＩＣＩ／２节距Ｉ｝ ¨量 ， ＃ＩＴＲＳＤＲＡ １循环后 ：２年工 蓊 ／ 工艺 、 周期 、 １９９５ １９９８ ２００ｌ ２００４ ２００７ ２０１０ ２０１３ ２０１６ 料料来源：ＩＴＲｓ ／年 图１半导体Ｓ－艺周期趋势图 １划切工艺的质量缺陷 在一个晶圆上，通常有几百至数千个芯片连 在一起。如图２所示，它们之间留有２０～１５０ ｍ 的间隙，此间隙被称之为划片街区。将每一个具有 电气性能的芯片分离出来的过程叫做划片， 如图３所示。目前，机械式金刚石划切是划片工艺 的主流技术。在这种划切方式下，金刚石刀片以每 分钟３万转到４万转的高转速划切晶圆的街区部 分，同时，承载着晶圆的工作台以一定的速度沿刀 片与晶圆接触点的切线方向呈直线运动，划切晶 圆产生的硅屑被去离子水冲走。依能够划切晶圆 的尺寸，目前半导体界主流的划片机分２００ ｍｍ （８英寸）和３００ ｍｍ（１２英寸）划片机两种。 区 图２ ２００ ｌｌｌｍ ｗａｆｅｒ图 １．１晶圆崩角 崩角（Ｃｈｉｐｐｉｎｇ）因为硅材料的脆性，机械划切 ⑧（总第２０７期）姐圜皿 晶圆 芯片 图３砂轮划切示意图 方式会对晶圆的正面和背面产生机械应力，结果 在芯片的边缘产生正面崩角（ＦＳＣ—Ｆｒｏｎｔ Ｓｉｄｅ Ｃｈｉｐｐｉｎｇ）及背面崩角（ＢＳＣ－Ｂａｃｋ Ｓｉｄｅ Ｃｈｉｐｐｉｎｇ）。 正面崩角和背面崩角会降低芯片的机械强度，初 始的芯片边缘裂隙在后续的封装工艺中或在产品 的使用中会进一步扩散，从而可能引起芯片断裂， 导致电性失效。另外，如果崩角进入了用于保护芯 片内部电路、防止划片损伤的密封环内部时，芯片 的电气性能和可靠性都会受到影响。 封装工艺设计规则限定崩角不能进入芯片边 缘的密封圈。如果将崩角大小作为评核晶圆划切 质量／能力的一个指标，则可用公式来计算晶圆 划切能力指数（Ｃｐｋ）（公式１）。如图４所示，Ｄ 、Ｄ： 代表划片街区中保留完整的部分，ＦＳＣ是指正面 崩角的大小。依照封装工艺设计规则，Ｄ 、Ｄ：的最 小值可以为０，允许崩角存在的区域宽度Ｄ为（街 区宽度一刀痕宽度）／２，为Ｄ 、Ｄ 的平均值，为Ｄ 、 Ｄ 的方差。依统计学原理，对于一个合格的划片 工艺而言，其划切能力指数应大于１．５。 （晶圆划切能力指数）值为： ：（Ｄ一 ）／（３× 坤） （１） 街区宽 槽宽 图４划切能力指数的计算示意图 － 电子工业董用设备 趋势与展望 １．２分层与剥离 的检查人员对同一片晶圆检查所得的结果也不相 同。究其原因，一方面是因为不同的检查人员采用 随机抽查的方法，很难获得对低ｋ晶圆划切质量 的全面评核，也很难检测到最严重的情况。更主要 的原因是因为该检查方法没有考虑到芯片上测试 图案的结构和分布，而测试图案的结构和分布是 由于低ｋ介质晶圆层独特的材料特性，低ｋ 晶圆划切的失效模式除了崩角缺陷外，芯片边缘 的金属层与ＩＬＤ层的分层和剥离是另一个主要缺 陷。对于低ｋ晶圆划切质量评估，除了正面崩角和 背面崩角以外，根据实验数据和可靠性结果，规定 了下述划切质量指标：（１）铜密封环不允许出现断 裂、分层或其他任何（在２００倍显微镜下）可见的 损伤；（２）在划片街区上出现金属与ＩＬＤ层的分层 是允许的，只要这种分层能止步于铜密封环外； （３）在芯片的顶角区域的金属／ＩＬＤ层不允许出现 分层或损伤，唯一的例外是有封装可靠性数据证 明在某种特定的芯片设计／封装结构的组合下芯 片的顶角区域的损伤可以接受。 １．３影响晶圆划片质量的主要因素 主要因素有划片工具、材料及划片参数，划片 工具和材料主要包括：划片刀、承载薄膜和划切冷 却水的添加剂，划片参数主要包括：划切模式、划 切功能参数（进刀速度、刀片转速、划切深度等）。 对于由不同的半导体工艺制作的晶圆需要进行划 片工具的选择和参数的优化，以达到最佳的划切 质量和最低的划切成本。 ２晶圆划片工艺的优化 ２．１一种新型的划片质量评估矩阵 为了评核晶圆划切质量，在划片工序后用光 学显微镜对晶圆进行检查是必不可少的。为获得 对总体划切质量的了解，制定一个合理的抽样计 划（包括取样位置和样本数）非常关键。传统的抽 样计划中，被检查的芯片的选取是在靠近晶圆边 缘的地方，在时钟指针１、３、５、６、７、９、１１、１２等８ 个方向上各拾取一个芯片进行芯片缺陷检查。这 种检查方式对于成熟的非低ｋ晶圆是合适的。然 而，应用到低ｋ晶圆时，它就不再能够提供一个关 于划切质量的全面反映了。造成上述结果的主要 原因是低ｋ晶圆的划切缺陷较多，且不同于非低 ｋ晶圆划切的缺陷。应用传统的检查方法对于不 同的晶圆，所得到的检查结果差别很大，而且不同 与晶圆的制造工艺、工艺控制方法密切相关。通常 划片工艺／设备是稳定的，划切质量在很大程度 上与划片街区的结构有关，例如街区上的测试图 案，金属层与ＩＬＤ层的材料特性。数据显示，对处 在不同Ｒｅｔｉｃｌｅ但具有在Ｒｅｔｉｃｌｅ内相同位置／相 同测试图案的街区来说，其划切质量非常接近甚 至是完全相同。于是，通过对一个Ｒｅｔｉｃｌｅ内的所 有街区的划切质量进行检查，就可以获知整个晶 圆的划切质量。换言之，在没有对一个Ｒｅｔｉｃｌｅ进 行１００％的划切质量检查之前，不可能对整个晶圆 的划切质量获得全面地了解，这就是传统的划片 质量检查方法存在偏差的原因。一个Ｒｅｔｉｃｌｅ内能 容纳的芯片的个数随着芯片尺寸及要求的光刻精 度而不同。对于３００ ｍｍ晶圆９０ ｎｌＴｌ技术、芯片尺 寸为６ １ＴＵＴＩ×６ ｍｍ而言，一个Ｒｅｔｉｃｌｅ可容纳２０ 个芯片。这种测试方法比１００％全检效率提高 ９８％以上，而检查工作量只有全检的２％，从而解 决了划片检查的可操作性。基于上述讨论，低ｋ划 片质量评估矩阵被设计出来（见图５），它也可用 于非低ｋ晶圆的划切质量评估。将一个Ｒｅｔｉｃｌｅ从 晶圆中取出，用英文字母Ａ、Ｂ、Ｃ…来代表芯片在 Ｒｅｔｉｃｌｅ中所处的行号，而用数字１、２、３…代表芯 片在Ｒｅｔｉｃｌｅ中所处的列号，每一个芯片在一个 Ｒｅｔｉｃｌｅ中就可以被唯一地标示，如Ａ１、Ｂ３等。在 每一个芯片的四周有４条边和４个顶点，如果 用Ａ１Ｔ（Ａ１ Ｔｏｐ）代表Ａ１芯片上方的街区，ＡｌＬ （Ａ１ Ｌｅｆｔ）代表Ａ１芯片左边的街区，ＣＡ１（Ｃｏｍｅｒ Ａ１）代表Ａ芯片左上方的街区交叉部分。这样，整 个晶圆的划切质量就可以通过一个Ｒｅｔｉｃｌｅ内 ＸＴ、ＸＬ、ＣＸ（ｘ代表芯片的坐标）的划切状况表达 清楚。这个质量评估矩阵的另外一个优点是可以 很方便地在晶圆上找到一个具有特定测试图案的 芯片并观察其划切质量。也可离线对某个测试图 案及其划切质量进行分析或改进。 趋势与展望 电子工业董用设备 － 度比砂轮划切快数倍。缺点为与干式激光同样会 烧坏ＤＡＦ，划切断面不如机械磨削光滑。 将砂轮划切和微水导激光划切进行两者的结 合，对砂轮划切而言，难解决的是晶圆的表层材 式来划切低Ｋ晶圆等。划切的材质多种多样，使 得划切工艺也具有千变万化的特点，要想达到高 标准的划切品质，划切工艺还需要不断的探索和 经验的积累。 参考文献： ［１］ 王戟，王兵，李瑞东．半导体后段制造自动化［Ｊ］．半导体 料。对微水刀激光而言，头痛的是会烧坏ＤＡＦ，因 此如各取所长，分成２个步骤处理，就可满足划切 质量的要求。首先用微水刀激光划浅浅的一刀，加 工手段上称之为开槽，以清除划切道上所有的材 行业，２００８（４）：５３．５５． 料，不管是金属或易碎材料，微水刀激光可以选用 ［２］ 翁寿松．几种新的封装工艺［Ｊ］．电子与封装．２００７，７（２）： 与划切道同宽的喷嘴，像推土机一样一次推掉表 １．３． 层上各种找麻烦的材料，露出硅衬底。再接着用砂 ［３］ 徐宝兴．封装新动向【Ｊ】．现代表面贴装资讯，２００９（６）： 轮划切切穿硅衬底和ＤＡＦ，并刚好停在蓝膜表面 ３８—４０． 上。将砂轮划切和微水导激光划切进行很好地结 【４］ 胡鸿韬，江志斌，张怀．半导体生产线动态在制品水平 合以后就可以解决数多单一划切带来的诸多瓶 控制方法［Ｊ］．计算机集成制造系统，２００８，１４（９）：１７５９－ 颈，很好地提高了划切质量。 １７６５． ［５】 李茂，王安麟．半导体封装测试厂库存控制系统的研究 ４结论 ［Ｊ】．电子与封装，２００６，６（５）：１２．１８． 【６】 郭雁冰，周军德．半导体封装行业ＥＲＰ与ＭＥＳ融合 在划片机的划切工艺中，正面崩角、背面崩角 初探［Ｊ］．中国集成电路，２０１０，（６）：６６．６ 及划切品质问题可以通过选择合适型号的刀具以 作者简介： 及调整、优化划切工艺参数等方面来改善。再就是 张伟（１９７８．）男，山东潍坊，硕士，电气设计工程师， 通过采用砂轮划切和微水导激光划切相结合的方 研究方向为晶圆划切和清洗设备与工艺。 （上接第６页） 表１１、ａＱＦＮ非对称塑封全自动压机的技术指标和挑战 一定的共性特点：即集光、机、电、软件为一体的高 模组单元 ４个，每单元２条Ｌ／Ｆ 驱动方式 交流伺服电动机 精度、高速度、自动化程度高的精密设备，同时也 合模压力（Ｍａｘ）／ｋｐａ ６０ 在向模块化、智能化、一体化发展。目前，正是发展 注塑压力（Ｍａｘ）／ｌｃｏａ ３－２ 先进封装关键工艺设备的大好时机，设备企业应 注浇行程／ｍｍ １２０ 注浇速度／ｍｍ・Ｓ ０．１～１５，１０级调速 加大研发和产业化力度，以适应先进封装新的市 Ｉ 识别 Ｌ／Ｆ变形、方向反、定位孔反、芯片向下等 场要求，迎接我国封装测试产业新的机遇和挑战。 料饼检测／ｍｍ 料饼厚度、缺损，精度≤２ 温度控制／￣Ｃ 料饼处，温度精度±２ Ｌ／Ｆ料条传输 抓取平稳，有料条掉落检测，Ｌ／Ｆ方向报警 参考文献： 料饼送料 具有检测功能 预热台 完成Ｌ／Ｆ进入模具前的预热 ［１］ 高尚通．先进封装技术的发展与机遇［Ｊ］．中国集成电路， 模具清理 抽真空自动清洗 去流道 保证去流道后Ｉ．慨变形、无异物、无残留物 ２００６（１０）：４７－５２． 安全性 人身安全、设备安全、产品安全 作者简介： ３小结 王志越（１９６２．），男，陕西武功人，研究员，硕士，多年来 在中国电子科技集团公司第四十五研究所从事电子专用设 综上所述，先进封装所使用的工艺设备具有 备的设计和项目的总体管理工作。 （总第２０７期）Ⅱ墨皿
