半导体 | 晶圆划片

2024-08-27 08:00:11 83阅读次数

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晶圆划片（切割）指的是将单个晶圆切割成多个独立的芯片（“die”）的过程。这个工序在晶圆上完成了所有半导体制造工艺后进行，以便进行后续的封装和测试。晶圆常用的切割手段有很多,根据不同的材质和芯片设计采用不同的方式。常见的有砂轮切割、激光切割、金刚刀划片劈裂、还有隐形切割等等。其中激光切割应用是越来越广,激光切割也分为激光半划、激光全划、激光隐形划切和异形芯片的划切等工艺方法的特点。

晶圆划片是将一整块晶圆切割成数千上万个单独芯片的过程。这一步骤是在晶圆完成所有半导体制造工艺之后进行的，目的是为了让每个芯片都能被单独封装和使用。晶圆划片作为连接设计与制造的重要桥梁，其技术的先进性与精度直接影响着最终产品的性能与成本。

一、为什么要对晶圆进行划片？

晶圆划片是将整块晶圆切割成单个芯片的过程。这一环节不仅关乎到芯片的尺寸精度、边缘质量，还直接影响到后续封装、测试的效率和良率。随着半导体技术的飞速发展，晶圆尺寸不断增大，划片技术也随之演进，以满足更高精度、更低损伤的需求。

不同厚度晶圆选择的晶圆切割工艺也不同：

厚度100um以上的晶圆一般使用机械划片切割；
厚度不到100um的晶圆一般使用激光切割，激光切割可以减少剥落和裂纹的问题，但是在100um以上时，生产效率将大大降低；
厚度不到30um的晶圆则使用等离子切割，等离子切割速度快，不会对晶圆表面造成损伤，从而提高良率，但是其工艺过程更为复杂。

二、划片的常用方法

1）机械划片

这是一种使用金刚石刀片对晶圆进行物理切割的方法，属于最传统且广泛使用的划片技术。主要原理是金刚石刀片在高速旋转下对晶圆进行切割，而产生的热量与碎屑被水流带走。它的优点在于设备成本相对低廉，且适用于多种材料的晶圆。然而，机械划片的精度并不高，且容易出现划片速率低和崩边等问题，特别是对于厚度超过100um的晶圆。

2）激光划片

随着技术的进步，激光划片逐渐成为了一种更为先进的选择。它主要包括激光隐切和激光全切两种方式。激光隐切技术通过在晶圆内部形成微细裂纹，而表面保持完整，进而实现高精度的划片；激光全切则是直接贯穿整个晶圆厚度，实现一步到位的切割。激光划片的优势在于划片速率快、应力损伤小和精度高，但成本相对较高。

a: 激光隐切（Stealth Dicing）

激光开槽+砂轮切割

随着芯片特征尺寸的不断缩小和芯片集成度的不断提高，为提高芯片速度和降低互联电阻电容（RC）延迟,低电介常数(低k)膜及铜质材料逐步应用在高速电子元器件上。采用砂轮刀具切割低k膜一个突出的问题是膜层脱落，通过使用无机械负荷的激光开槽,可抑制脱层,实现高品质加工并提高生产效率,激光开槽完成后,砂轮刀具沿开槽完成硅材料的全切割,工艺过程如图1所示,切割效果如图2所示。

此外,激光开槽也可用于去除硅晶圆表面的金属层。当切割道表面覆盖金、银等金属层时，直接采用砂轮切割易造成卷边缺陷，切割效果如图3 所示。可行的方法是通过激光开槽去除切割道的金属覆盖层,再采用砂轮切割剩余的硅材料，边缘整齐，芯片质量显著提升，切割效果如图4 所示。

激光半切+裂片

激光半切适用于解理性较好的材料加工,激光划切至一定深度，然后采用裂片方式，沿切割道产生纵向延伸的应力实现芯片分离。这种加工方式效率高，省掉了贴膜去膜工序，加工成本低。

以GPP (玻璃钝化二极管)工艺为代表的分立器件硅晶圆是半导体器件的一大类(如图5所示) ,主要应用在二极管、三极管、可控硅、整流桥等器件领域,随着相关产业需求的急剧增长,对器件的生产效率、产品质量都提出了更高要求。目前,行业内都采用了激光半切+裂片方式进行芯片分割,由于晶圆正面的切割道有玻璃钝化层,工艺要求从晶圆背面划切,为了简化工艺流程,晶圆背面一般不做光刻图形,这就要求设备具备底部对准功能,对位晶圆正面,激光从晶圆背面划切(如图6所示)。常规的硅晶圆厚度280 nnnm,采用光纤激光划切,速度150~200mm/s,一次划切至2/3 到3/4深度,然后采用碾压式裂片方式，一次完成整个晶圆的芯片分离，是一种高性价比的工艺方法。切割效果如图7所示。

氧化铝、氮化铝、碳化硅等硬脆材料，由于莫氏硬度高，采用砂轮刀具切割效率非常低，且容易产生崩边，切割1 mm 厚的氧化铝陶瓷，速度仅为0.5~1mm/s。采用激光全切割会产生大量熔渣,影响器件性能。利用这种材料解理性较好的特点,采用激光半切后,通过裂片的方式依次沿切割道分离芯片。以1mm厚的氧化铝陶瓷为例,采用波长1 064 nm的脉冲光纤激光切割至1/3深度,速度200 mm/s,裂片后芯片断面干净无熔渣。切割形貌如图8、图9所示。

激光半切+背面减薄

对厚度小于100 nm的薄型硅晶圆切割过程中易产生破裂，生产中可以调整工艺顺序，先切割再减薄，采用激光半切割后再进行背面研磨，去除掉多余厚度的材料,采用该技术可以降低背面崩缺,提高芯片抗折强度，减小薄型晶圆破损的风险。

b：激光全切（Laser Full Cut）

激光全切割是采用激光一次或多次完全切透晶圆，如图10所示,主要应用在薄硅晶圆、化合物半导体、背面附金属膜的晶圆、金属铜、钼等，切割断面如图11、图12 所示。该方法工艺流程简单，可以实现高速高品质切割。由于激光聚焦光斑的有效焦深范围内都能够进行切割，在保证完全切透晶圆的时候，蓝膜也会被划伤,影响后续的扩膜。因此,选择高损伤阈值的切割胶带非常重要。

c: 激光隐形划切

激光隐形划切是将激光聚焦作用在材料内部形成改质层，然后通过裂片或扩膜的方式分离芯片。表面无划痕、无粉尘污染，几乎无材料损耗，加工效率高，适合于材料昂贵、抗污染能力差的器件生产，划切完后无需清洗。能够进行隐形划切的材料有蓝宝石、玻璃、砷化镓、碳化硅、钽酸锂、薄硅晶圆、硅基MEMS 器件等。典型的案例是采用砂轮切割一片100 mm（4 英寸）碳化硅晶圆（芯片1.5 mm×1.3 mm）需6 h 左右，而且切割槽较宽，造成严重的材料浪费和刀具磨损。而采用激光隐形划切方式，仅需20 min，切割线宽小于5 滋m，芯片设计中切割道预留可以更窄。根据材料的解理特性和厚度不同，结合裂片工艺，进行单层或多层划切。比如对90 滋m 厚的蓝宝石晶圆，一层改质层即可裂开，对90 滋m 厚的碳化硅晶圆，需要7-11 层改质层才可以裂开，如图13、图14 所示。

d: 异形芯片切割

当前，在半导体产业较低利润率的压力下，为提高竞争力，芯片设计工程师不断追求更高的材料利用率。切割线总长越短，晶圆面积浪费越小，在芯片面积一定的情况下，周长最短的是正六边形密排。一个晶圆上能生产六边形芯片数量比同样尺寸的四边形芯片数量多15%，对于大功率LED 芯片，设计成六边形还会产生更大的光能输出量。但多边形结构给晶圆划切带来挑战，加工中首先通过图像识别定位和位置计算，将切割道解析成夹角为60° 的三组直线段，划完一组，工作台旋转60° 再划第二组，依次划完整个晶圆，如图15 所示。

在芯片样品设计阶段，为降低试验成本，往往在一个晶圆上混合排列多种尺寸规格的芯片，一般成周期性单元分布。划切时需要设定晶圆尺寸、街区宽度、单元周期、每个单元中的街区间隔等参数，确定从某个单元的第一道街区开始划，对同批次晶圆，可直接调用该参数进行加工，如图16 所示。

对于柔性基底的晶圆，由于生产过程中的材料变形，造成芯片不规则分布，常规的激光划片机无法满足加工需求。针对工艺要求有两种实现方式，沿芯片外轮廓切割，保证每个芯片尺寸一致，加工完后需要单独清理剩余的残渣；第二种方式是沿着街区的中心切，不会有残渣，但切割完后的芯片尺寸不一致。不管哪种方式，都需要结合XY 工作台移动，逐块完成整个晶圆的全幅面扫描，对扫描获得的每一帧图像，采用模板匹配的方法识别出每个芯片的中心位置和旋转角度，计算获得加工轨迹信息。最终振镜沿芯片的切割轨迹完成整个晶圆切割，如图17、图18 所示。

3）等离子体切割

等离子体切割通过干式蚀刻工艺实现了同样的结果,该工艺使用氟等离子体去蚀刻掉芯片之间切割通道中的材料。与刀片或激光相比,等离子体切割正逐渐被半导体行业所接受，成为首选的解决方案,特别是随着芯片越来越小、越来越薄、越来越复杂。

提高产量：等离子切割以化学方式去除切割通道中的材料,没有机械损伤，没有热影响区或对晶粒的其他物理影响。这意味着,等离子体切割不会造成损害。例如那些用于高带宽存储器(HBM)的混合键合堆栈,如果堆栈中的一个芯片发生故障,整个设备就会丢失。随着向更薄的晶粒发展,等离子体切割的非机械性质是一个宝贵的属性,因为行业路线图将厚度推到50微米以下。
提高吞吐量：等离子体切割在同一时间“平行"地移除所有的切割通道。这意味着随着芯片尺寸的缩小(即更多的切割通道,因此需要更多的切割) ,以及晶圆变得更薄(等离子体去除的硅更少。或者需要更低的刀片速度/激光功率以避免损坏) ,这里有平衡点,等离子体切割成为最快的工艺。
每片晶圆的晶粒增加：没有任何物理限制，如刀片宽度或激光光斑大小，而等离子体可以转向更窄的切割通道,提供机会去增加生产线的晶粒产出。
设计灵活性：由于晶圆布局不受线性切割路径的限制,等离子切割可以为器件设计者提供更大的灵活性，包括基本的晶粒形状/尺寸、移除保护环和芯片测试组的定位,以更好地利用晶圆面积。
对易碎的器件有吸引力：等离子体切割对易碎的设备也有吸引力,比如微电子机械系统(MEMS)。
消除微粒污染：等离子体切割的化学性质只产生气态的副产品,通过真空抽气将其去除,留下干净的晶圆表面,这在混合键合等应用中至关重要。

但是，等离子体切割受材料限制：等离子切割只能用于导电材料，对于非导电材料如玻璃、塑料、木材等不可行。会有噪音和烟雾：等离子切割会产生大量噪音和刺激性烟雾，需要在通风良好的环境中操作。对电源有较高需求：等离子切割需要大量的电流来产生电弧，对车间布线和浪涌保护有较高要求。

三、创新工艺：DBG与开槽划片

除了上述传统的划片方法，市场上还出现了一些创新工艺，例如DBG（Dicing Before Grinding）和开槽划片技术。DBG工艺是指先在晶圆正面划片至指定深度，再研磨晶圆背部至对应深度，从而减少晶圆破裂问题。开槽划片则是先用激光或厚金刚石刀片进行开槽，再进行细致划片，以减少崩边问题，提升划片质量。

随着半导体技术的不断发展，晶圆划片工艺也在不断进步。未来的划片技术将更加注重精度、效率和成本的平衡，以满足日益增长的市场需求。无论是通过改良现有技术，还是开发全新的划片方法，晶圆划片技术的革新都将为半导体行业带来更广阔的发展空间。

参考文献：

1.【美】Peter Van Zant ，韩郑生译，芯片制造-半导体工艺制程实用教程（第六版），电子工业出版社；

2.【日】佐藤淳一，王艺文，王姝娅译，图解入门半导体制造工艺基础精讲（第四版），机械工业出版社；

3.余盛，芯片战争，华中科技大学出版社；

4.高爱梅，张永昌，邓胜强，晶圆激光划片技术简析，期刊：电子工业专用设备，2018-05。

内容来源：编辑整理

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