劃片刀配方對(duì)砷化鎵晶圓切割崩裂的影響*

張 迪，崔慶安，祝小威，閆賀亮

(1.鄭州大學(xué) 管理工程學(xué)院，鄭州 450001)(2.超硬材料磨具國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001)(3.鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，鄭州 450001)

砷化鎵(GaAs)屬Ⅲ～Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，因其具有較高的飽和電子速率和電子遷移率，在激光、發(fā)光和微波等應(yīng)用領(lǐng)域顯示出優(yōu)異的性能。但是砷化鎵晶圓的脆性高，材料的彈性極限和屈服強(qiáng)度接近，與硅材料晶圓相比，在切割過程中更容易產(chǎn)生芯片崩裂現(xiàn)象，使芯片的晶體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力損傷，導(dǎo)致產(chǎn)品失效和使用性能降低。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)硅晶圓切割進(jìn)行了深入的研究。閆偉文等[1]介紹了劃片機(jī)的劃切原理，并對(duì)劃切中影響劃切質(zhì)量的關(guān)鍵因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究。劉定斌等[2-3]指出用磨料粒度小的刀片切割硅晶圓后，其正面崩裂尺寸小，背面崩裂尺寸大；軟結(jié)合劑強(qiáng)度刀片切割硅晶圓，對(duì)正面崩裂尺寸無影響，背面崩裂尺寸小；高磨料濃度刀片切割硅晶圓，對(duì)正面崩裂尺寸無影響，背面崩裂尺寸大。龐零[4]指出可通過對(duì)劃片刀進(jìn)行合適的選型來改善硅晶圓切割過程中引起的背面崩裂問題。TANGAHA等[5-6]指出硅晶圓的側(cè)面崩裂原因是背面崩裂后裂紋一直向正面延伸。

上述研究均是以硅晶圓劃切為對(duì)象，而針對(duì)砷化鎵劃切的相關(guān)研究較少。郎小虎等[7]介紹了分別用磨料尺寸為3 μm和4.5 μm的劃片刀劃切砷化鎵晶圓，發(fā)現(xiàn)用磨料尺寸為3 μm的劃片刀可以得到更光滑的正面邊緣，但是沒有對(duì)砷化鎵晶圓背面和側(cè)面的切割質(zhì)量進(jìn)行研究。

本試驗(yàn)通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法(design of experiment，DOE)，制備不同配方的劃片刀用于劃切砷化鎵晶圓，并檢測(cè)砷化鎵正、背、側(cè)面崩裂的尺寸，找出劃片刀配方對(duì)砷化鎵晶圓切割崩裂尺寸的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與原理

試驗(yàn)使用的劃片機(jī)型號(hào)為DISCO DAD323，最高主軸轉(zhuǎn)速60 000 r/min，安裝有15.24 cm(6英寸)微孔陶瓷吸盤工作臺(tái)。劃片刀以30 000～40 000 r/min的高轉(zhuǎn)速切割砷化鎵晶圓，承載有晶圓的工作臺(tái)以一定的速度沿刀片最下沿的切線方向直線運(yùn)動(dòng)(圖1)。

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)用劃片刀為輪轂型電鍍超薄金剛石劃片刀，其厚度為15～20 μm，刃長(zhǎng)為380～510 μm。被切工件材料為砷化鎵晶圓，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)用厚度0.07 mm的日東白膜作為基材，將砷化鎵晶圓貼在繃有卡環(huán)的白膜上(如圖2)，放入恒溫80 ℃烘箱中烘膜20 min，取出自然冷卻至室溫，再放入劃片機(jī)中進(jìn)行劃切，其工藝參數(shù)如表2。

表1 被切工件材料參數(shù)

表2 切割工藝參數(shù)

1.3 檢查方法

試驗(yàn)設(shè)定每種配方的劃片刀劃切1片砷化鎵晶圓。劃切完畢后在晶圓圓周方向上等分8個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域隨機(jī)拾取3顆芯片(如圖3)[8]。

使用帶有拍照和尺寸測(cè)量功能的工業(yè)顯微鏡，將抽樣的芯片放到顯微鏡載物臺(tái)上，物鏡調(diào)至200倍放大倍率，進(jìn)行焦點(diǎn)調(diào)節(jié)至可以清楚成像為止。對(duì)被切產(chǎn)品的正面切割狀態(tài)、背面切割狀態(tài)和側(cè)面切割狀態(tài)進(jìn)行拍照。使用顯微鏡測(cè)量軟件對(duì)上述照片中正、背、側(cè)面崩裂尺寸(如圖4所示)進(jìn)行測(cè)量，并記錄。

1.4 試驗(yàn)方案

劃片刀結(jié)構(gòu)主要由鋁輪轂、金剛石磨料與鎳基結(jié)合劑三部分組成，如圖5所示。金剛石磨料和鎳基結(jié)合劑組成的復(fù)合鍍層為切割過程中的工作區(qū)域，即刀刃。一般來說，刀刃的磨料粒度、磨料濃度與結(jié)合劑強(qiáng)度都會(huì)影響劃片刀的劃切質(zhì)量，以此3種影響因素作為因子進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取3因子3水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)組合方式，如表3所示。

表3 因子和水平

對(duì)試驗(yàn)所選取的金剛石磨料形貌及尺寸進(jìn)行對(duì)比，其電子掃描顯微鏡下的照片如圖6所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)可得出27種劃片刀配方，制作每種配方對(duì)應(yīng)的劃片刀樣品，各劃切1片砷化鎵晶圓(劃切距離約150 m)后，按事先設(shè)定的抽樣方法進(jìn)行抽樣，并使用工業(yè)顯微鏡對(duì)樣品的正、背、側(cè)面崩裂尺寸進(jìn)行測(cè)量、記錄。結(jié)合每種劃片刀配方對(duì)應(yīng)的劃切質(zhì)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過MINITAB數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件分析，找出砷化鎵晶圓正、背、側(cè)面崩裂的顯著影響因素及影響規(guī)律。

2.1 劃片刀配方對(duì)砷化鎵晶圓劃切正面崩裂的影響

使用MINITAB數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)劃切試驗(yàn)正面崩裂數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4。其中，Seq(SS)表示順序因子的離散差平方和，Adj(SS)表示調(diào)整后的離散差平方和，Adj(MS)表示調(diào)整后的均方差，F(xiàn)為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值，P為顯著性水平。

表4 正面崩裂的方差分析

S-Top = 2.388 24

RSq-Top = 82.45%

RSq(調(diào)整)-Top = 77.19%

其中S表示回歸模型誤差的標(biāo)準(zhǔn)方差；RSq回歸模型誤差占總誤差的百分比，RSq(調(diào)整)為調(diào)整后的RSq。

由表4可知，磨料粒度的P值<0.05，表明磨料粒度是正面崩裂尺寸的顯著影響因素；磨料濃度和結(jié)合劑強(qiáng)度的P值均>0.05，表明磨料濃度和結(jié)合劑強(qiáng)度不是正面崩裂尺寸的顯著影響因素。從圖7所示的帕累托圖也可看出，正面崩裂的主要影響因素是磨料粒度。

圖8所示為磨料粒度對(duì)正面崩裂尺寸的影響規(guī)律。由圖8可知：劃片刀磨料粒度越細(xì)，砷化鎵晶圓劃切的正面崩裂尺寸越小。砷化鎵屬于硬脆材料，金剛石磨料劃切硬脆材料類似于敲擊作用，每一顆磨料都相當(dāng)于一個(gè)小錘，當(dāng)磨料敲擊到砷化鎵材料后，被敲擊的材料會(huì)形成粉末(如圖9所示)。當(dāng)金剛石磨料粒度越細(xì)時(shí)，磨料露刃高度越小，敲擊產(chǎn)生的砷化鎵粉末尺寸也越小，所以表現(xiàn)出砷化鎵正面崩裂尺寸越小。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)硅晶圓劃切研究得出，較細(xì)的磨料粒度，切割硅晶圓后正面崩裂尺寸較小。因此，劃片刀配方對(duì)砷化鎵晶圓和硅晶圓劃切正面崩裂尺寸的影響規(guī)律基本一致。

2.2 劃片刀配方對(duì)砷化鎵晶圓劃切背面崩裂的影響

使用MINITAB數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)劃切試驗(yàn)背面崩裂數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表5所示。

表5 背面崩裂的方差分析

S-Back = 8.430 10

RSq-Back = 78.71%

RSq(調(diào)整)-Back = 72.33%

由表5可知，磨料粒度的P值<0.05，表明磨料粒度是背面崩裂尺寸的顯著影響因素；磨料濃度和結(jié)合劑強(qiáng)度的P值均>0.05，表明磨料濃度和結(jié)合劑強(qiáng)度不是背面崩裂尺寸的顯著影響因素。從圖10所示的帕累托圖也可看出，背面崩裂的主要影響因素是磨料粒度。

圖11所示為磨料粒度對(duì)背面崩裂尺寸的影響規(guī)律。由圖11可知：劃片刀磨料粒度越細(xì)，砷化鎵晶圓劃切的背面崩裂尺寸越小。磨料粒度越細(xì)，磨料露刃高度越小，其對(duì)被切材料底部的沖擊力越小，刀片向晶圓底部方向的擠壓越小(如圖12所示)，砷化鎵晶圓背面崩裂的尺寸也越小。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)硅晶圓劃切研究得出，較細(xì)的磨料粒度、較硬的結(jié)合劑強(qiáng)度或較高的磨料濃度，會(huì)導(dǎo)致切割硅晶圓后背面崩裂尺寸較大。劃片刀配方對(duì)砷化鎵晶圓和硅晶圓劃切背面崩裂尺寸的影響規(guī)律不同。

2.3 劃片刀配方對(duì)砷化鎵晶圓劃切側(cè)面崩裂的影響

使用MINITAB數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)劃切試驗(yàn)側(cè)面崩裂數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表6所示。

表6 側(cè)面崩裂的方差分析

S-Side = 3.026 43

RSq-Side = 86.86%

RSq(調(diào)整)-Side = 82.91%

由表6可知，磨料粒度的P值<0.05，表明磨料粒度是側(cè)面崩裂尺寸的顯著影響因素；磨料濃度和結(jié)合劑強(qiáng)度的P值均>0.05，表明磨料濃度和結(jié)合劑強(qiáng)度不是側(cè)面崩裂尺寸的顯著影響因素。圖13所示為側(cè)面崩裂主要影響因素帕累托圖。從圖13也可看出：側(cè)面崩裂的主要影響因素是磨料粒度。

圖14所示為磨料粒度對(duì)側(cè)面崩裂尺寸的影響規(guī)律。由圖14可知：劃片刀磨料粒度越細(xì)，砷化鎵晶圓劃切的側(cè)面崩裂尺寸越小。磨料粒度越細(xì)，磨料露刃高度越小，其對(duì)被切材料側(cè)面的切削力越小，刀片向晶圓側(cè)面方向的擠壓越小，砷化鎵晶圓側(cè)面崩裂的尺寸也越小。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)硅晶圓劃切研究得出，較細(xì)的磨料粒度、較硬的結(jié)合劑強(qiáng)度或較高的磨料濃度，均會(huì)導(dǎo)致切割硅晶圓后側(cè)面崩裂尺寸較大。劃片刀配方對(duì)砷化鎵晶圓和硅晶圓劃切側(cè)面崩裂尺寸的影響規(guī)律不同。

3 結(jié)論

(1)劃片刀磨料粒度越細(xì)，切割砷化鎵晶圓正、背、側(cè)面的崩裂尺寸越小，即切割質(zhì)量越好。

(2)同種磨料粒度狀態(tài)下，磨料濃度和結(jié)合劑強(qiáng)度不是砷化鎵晶圓正、背、側(cè)面切割崩裂的顯著影響因素。

(3)劃片刀配方(磨料粒度、磨料濃度和結(jié)合劑強(qiáng)度)對(duì)砷化鎵晶圓和硅晶圓劃切正面崩裂尺寸的影響規(guī)律一致，對(duì)砷化鎵晶圓和硅晶圓劃切背面、側(cè)面崩裂尺寸的影響規(guī)律不同。