硅晶圓復合劃片工藝研究

李燕玲，高愛梅，張雅麗

(中國電子科技集團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晶圓上多個芯片圖形進行劃切加工的關鍵工序，要求沿切割道完全分離芯片。傳統的加工方式是在晶圓背面貼上藍膜，采用砂輪刀片完全切斷晶圓而不劃傷藍膜。由于機械應力的存在，切割槽背面容易產生崩邊。另外，對于切割道內有玻璃、低K介質等保護層的晶圓，容易造成保護層崩裂和脫落，影響芯片性能。激光劃片屬于非接觸加工，不產生崩邊，無刀具磨損和水污染，但熱影響和熔渣是不容忽視的問題，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。另一個考驗是激光焦點無法精確控制到入刀深度，在完全切透晶圓時往往會損傷藍膜，影響后續的擴晶工藝。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，且膠帶的使用增加了生產成本。

本文介紹了一種硅晶圓的復合劃片方式，結合了砂輪劃切和激光劃切各自的優點，通過大量工藝試驗和測量分析，驗證了這種方法能夠實現理想的加工質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

砂輪劃片機是通過高速空氣靜壓電主軸驅動刀片高速旋轉，實現對材料的強力磨削，主要用于硅集成電路、發光二極管、陶瓷、石英、砷化鎵和玻璃等材料的劃切。設備主要由主軸控制單元、視覺對位系統、XYθ三維運動工作臺、非接觸測高、刀片破損檢測單元和漏水檢測單元組成。控制主軸轉速、劃切進給速度等參數，選擇合適的刀片規格，可以適應不同材料的劃片工藝需求。

1.2 砂輪劃片的優缺點

砂輪劃片[1]是接觸式加工，可以精確控制刀片進給深度，確保完全劃透晶圓而不損傷藍膜基底。同時采用去離子水實時冷卻刀片，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。砂輪劃片另一個顯著的特點是切割槽形貌呈現邊緣陡直的矩形槽，這對于要求切割斷面平整或者某些開槽加工的應用非常有利。另外，隨著刀片制造工藝的改進，強度更好更薄的刀片出現，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題得以解決。

在砂輪刀片強力磨削加工中，機械應力造成的芯片隱裂和崩邊是致命的缺陷，通常入刀面的殘渣隨水流去除，邊緣效果較好，而出刀面的殘渣無處可去，極易造成崩邊。尤其對包含懸梁、腔體等典型結構的MEMS硅晶圓，切割中產生的機械應力極易破壞這些脆弱的微結構，嚴重影響芯片成品率。

目前常用的砂輪劃片刀有樹脂結合劑系列和金屬結合劑系列兩類，刀片厚度0.02～1.5 mm，根據加工材料的類型和工藝要求選擇適合的刀片。但無論何種刀片，磨削損耗導致頻繁地更換刀片，成為砂輪劃片加工中最大的成本支出。尤其對藍寶石、碳化硅等硬脆性材料采用砂輪切割，刀具磨損非常嚴重，且加工效率低下，并且高速旋轉磨削過程中產生大量熱能，必須配備去離子水冷卻，而切割產生的殘渣隨冷卻水排出，又需考慮污染處理問題。

1.3 砂輪劃硅晶圓

硅晶圓的劃片是砂輪劃片機的主要應用領域，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。在實驗中選用厚度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，背面無圖形，鍍銀層，厚度1 μm的100 mm(4英寸)IC硅晶圓。首先對硅晶圓進行貼藍膜貼邊框處理，采用厚度24 μm的金剛石刀片，進給速度20 mm/s，經視覺識別對位后沿切割道進行劃片，然后擴膜分離芯片，效果如圖1、圖2所示，切割寬度26 μm，晶圓的背面切割道會產生崩邊，導致芯片邊緣輪廓不整齊，甚至損傷到芯片，會對工藝應用產生影響。

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光學元件的技術成熟與成本下降，激光加工設備開發速度之快、應用范圍之廣，呈現井噴式發展趨勢。在微電子領域方面，因機械加工方法受到器件結構、成品率和工藝產能限制的領域，激光加工以其無機械應力、加工軌跡靈活、速度快等優點，進入了不同半導體材料的微加工(劃片、切割、打孔等)應用領域。

激光劃片是利用高能激光束照射工件表面，使被照射區域局部熔化、氣化，從而達到去除材料，實現劃片的過程。激光經過專用光學系統準直和聚焦后，形成微米級的小光斑，能量密度高，加工效率高。根據材料對不同波長激光的吸收特性，配置相應的激光器和光學系統。普遍的規律是激光波長越短，加工熱影響區越小，在相同的平均功率和重復頻率下，較長脈寬所劃的槽較深，而較短脈寬產生更優的切割品質。

2.2 激光劃切的優缺點

激光劃片是非接觸式加工，無機械應力損傷。通過光學系統的合理配置，高能量聚焦光斑實現高速劃片，加工軌跡靈活設置，理論上可以加工任意圖形。激光劃片最大的優勢是不存在刀具損耗和水污染，設備使用維護成本低。缺點在于激光聚焦光斑存在一定焦深，無法精確控制劃片深度，尤其在全劃切時，襯底藍膜也會被劃傷，影響后續的擴膜和去膜工序。激光劃盲槽的橫截面顯著的呈現V形，且溝槽底部存在殘渣堆積現象。另外，激光加工的熱影響也是制約其應用的一個重要因素。

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，然后通過裂片方式分離芯片。激光全劃硅晶圓時，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其損傷閾值，保證在劃透晶圓的同時不損壞膠帶，然后擴膜分離芯片。對本實驗采用的硅晶圓，采用激光波長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，累計的熱量導致晶圓熱變形，使切割道偏離預定位置。另外，晶圓表面粉塵污染嚴重，切割槽內有殘渣粘連，通過擴膜工序無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 激光與砂輪復合劃片工藝

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

圖5 復合劃片工藝流程圖

3.1 底部圖形識別與背劃功能介紹

常規的硅晶圓為單面光刻圖形，背面無對位圖形，要實現晶圓的背劃，需要設備上具備底部對準功能，通過底部鏡頭識別晶圓正面圖形，激光從晶圓背面劃切，原理如圖6所示。

本試驗采用中國電子科技集團公司第四十五研究所研制的JHQ-410D激光劃片機，如圖7所示，進行硅晶圓的背面標刻，標刻的十字圖形作為砂輪背劃的對位標記。

3.2 激光與砂輪復合劃片硅晶圓

步驟一：激光在硅晶圓背面標刻十字圖形，激光波長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 底部對準原理示意圖

圖7 JHQ-410D激光劃片機

圖8 激光劃對位標記

步驟二：砂輪劃片機從硅晶圓的正面切割道進行劃片，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：以激光標刻的十字圖形為參考對位，砂輪劃片機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，其正面邊緣質量很好，但背面邊緣出現卷邊現象，分析原因是由于銀層延展性好，刀片磨削加工時不能迅速切斷銀層，邊緣向上翹起。

圖9 砂輪正劃

圖10 芯片背面質量

圖11 芯片正背面圖

3.3 改進工藝流程

為解決銀層卷邊的現象，改進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，在激光離焦狀態下實現劃槽寬度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 結束語

對厚度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、激光與砂輪復合劃片三種方式進行工藝試驗，通過劃片質量的測量對比，激光與砂輪復合劃片后，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，工藝成熟，具有推廣應用價值。

[1]李明偉.光譜物理公司，DPSS激光器參數對半導體微加工的影響[Z].