摘 要：在一片晶圓上，通常有幾百個(gè)至數(shù)千個(gè)芯片連在一起。它們之間留有80um至150um的間隙，此間隙被稱之為劃片街區(qū)（Saw Street）。將每一個(gè)具有獨(dú)立電氣性能的芯片分離出來(lái)的過(guò)程叫做劃片或切割（Dicing Saw）。目前，機(jī)械式金剛石切割是劃片工藝的主流技術(shù)。在這種切割方式下，金剛石刀片（Diamond Blade）以每分鐘3萬(wàn)轉(zhuǎn)到4萬(wàn)轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速切割晶圓的街區(qū)部分，同時(shí)，承載著晶圓的工作臺(tái)以一定的速度沿刀片與晶圓接觸點(diǎn)的切線方向呈直線運(yùn)動(dòng)，切割晶圓產(chǎn)生的硅屑被去離子水（DI water）沖走。

關(guān)鍵字：晶圓；劃片；切割；金剛石

1 影響晶圓劃片質(zhì)量的重要因素

劃片工具，材料及劃片參數(shù)

劃片工具和材料主要包括：劃片刀（Dicing blade）、承載薄膜（Mounting tape）。劃片參數(shù)主要包括：切割模式、切割參數(shù)（步進(jìn)速度、刀片轉(zhuǎn)速、切割深度等）。對(duì)于由不同的半導(dǎo)體工藝制作的晶圓需要進(jìn)行劃片工具的選擇和參數(shù)的優(yōu)化，以達(dá)到最佳的切割質(zhì)量和最低的切割成本。

2 晶圓劃片重要因素的選擇

2.1 劃片刀的選擇

劃片刀又稱金剛石劃片刀，包含三個(gè)主要元素：金剛石顆粒的大小、密度和粘結(jié)材料。金剛石顆粒在晶圓的切割過(guò)程中起著研磨劑的作用，通常是由CBN（Cubic Boron Nitride）合成而來(lái)。金剛石顆粒尺寸從2um到8um之間變化。為達(dá)到更好的切割質(zhì)量，通常選用帶棱角的金剛石顆粒。金剛石顆粒的密度代表著金剛石顆粒占金剛石刀片的體積比。通常劃片刀片供應(yīng)商都會(huì)提供不同的金剛石顆粒密度以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。金屬鎳被用作粘結(jié)劑，將金剛石顆粒粘結(jié)在一起。

劃片刀的選擇一般來(lái)說(shuō)要兼顧切割質(zhì)量、切割刀片壽命和生產(chǎn)成本。金剛石顆粒尺寸影響劃片刀的壽命和切割質(zhì)量。較大的金剛石顆粒度可以在相同的刀具轉(zhuǎn)速下，磨去更多的硅材料，因而刀具的壽命可以得到延長(zhǎng)。然而，它會(huì)降低切割質(zhì)量（尤其是正面崩角和金屬/ILD得分層）。所以，對(duì)金剛石顆粒大小的選擇要兼顧切割質(zhì)量和制造成本。

金剛石顆粒的密度對(duì)切割質(zhì)量的控制也十分關(guān)鍵。對(duì)于相同的金剛石顆粒大小但具有不同密度的刀片，劃片刀每一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期移去的硅材料是相同的，但是，平均到每一個(gè)金剛石顆粒移去的硅材料的量是不同的。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高密度的金剛石顆?？梢匝娱L(zhǎng)劃片刀的壽命，同時(shí)也可以減少晶圓背面崩角。而低密度的金剛石顆?？梢詼p少正面崩角。硬的粘結(jié)材料可以更好地“固定”金剛石顆粒，因而可以提高劃片刀的壽命，而軟的粘結(jié)材料能夠加速金剛石顆粒的“自我鋒利”（Self Sharpening）效應(yīng)，令金剛石顆粒保持尖銳的棱角形狀，因而可以減小晶圓的正面崩角或分層，但代價(jià)是劃片刀壽命的縮短。刀鋒的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)晶圓的厚度，承載薄膜的厚度，最大允許的崩角的尺寸來(lái)進(jìn)行定義，刀鋒不能選得過(guò)長(zhǎng)，因?yàn)殚L(zhǎng)的刀鋒會(huì)在切割時(shí)引起刀片的擺動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致較大的崩角。

2.2 承載薄膜的選擇

承載薄膜（Mounting Tape）在開(kāi)始劃片前粘貼在晶圓的背面，用來(lái)在完成劃片工藝后，將已相互分離的芯片仍然固定在薄膜上以便于自動(dòng)粘片機(jī)（Die Bonder）完成粘片工序。薄膜的粘度對(duì)劃片切割質(zhì)量來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要特性。實(shí)驗(yàn)證明，較高的薄膜與硅片的粘結(jié)力可以有效地減低晶圓背面的崩角。另一方面，在粘片工藝中，又希望薄膜與硅片之間的粘接力盡可能小，這樣粘片工藝才可以獲得一個(gè)穩(wěn)健的工藝窗口，以避免頂起針（Ejector Pin）設(shè)置過(guò)高或者拾片時(shí)間（Pick up time）設(shè)置過(guò)長(zhǎng)造成潛在的芯片斷裂及生產(chǎn)效率降低的問(wèn)題。

為了兼顧劃片和粘片兩個(gè)工序，紫外光敏薄膜（UV Tape）被選用作為晶圓的承載薄膜。UV薄膜的一個(gè)顯著特點(diǎn)是它與硅片的粘接力在未經(jīng)紫外光照射前非常高，可達(dá)16000mN/25mm，而在經(jīng)過(guò)紫外光照射后粘結(jié)力顯著下降，可至600mN/25mm。UV照射前后粘結(jié)力變化了25倍。UV薄膜的這種性質(zhì)很好的兼容了劃片和粘片對(duì)質(zhì)量的控制。

2.3 劃片模式的選擇

劃片機(jī)一般提供兩種切割模式，單刀切割（Single Cut）和臺(tái)階式切割（Step Cut），它們之間的區(qū)別如圖7所示。實(shí)驗(yàn)證明，劃片刀的設(shè)計(jì)不可能同時(shí)滿足正面崩角、分層及背面崩角的質(zhì)量控制的要求。這個(gè)結(jié)論對(duì)于晶圓厚度大于7 mil的低k晶圓尤為適用。為了減小正面金屬層與ILD層的分層，薄劃片刀會(huì)被優(yōu)先采用，若晶圓較厚，則需選取刀鋒較長(zhǎng)的刀片。 但須注意，具有較高刀鋒/刀寬比的劃片刀在切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng)，反而會(huì)造成較大的正面分層及背面崩角。

臺(tái)階式切割使用兩個(gè)劃片刀，第一劃片刀較厚，依程序切入晶圓內(nèi)某一深度，第二劃片刀較薄，它沿第一劃片刀切割的中心位置切透整個(gè)晶圓并深入承載薄膜的1/3厚度。臺(tái)階式切割的優(yōu)點(diǎn)在于：減小了劃片刀在切割過(guò)程中對(duì)晶圓施加的壓力；減少了必須使用較高的刀高/刀寬比的劃片刀所帶來(lái)的機(jī)械擺動(dòng)和嚴(yán)重的崩角問(wèn)題；提供了選擇不同類(lèi)型的劃片刀的可能性來(lái)分別優(yōu)化正面崩角/分層及背面崩角。

2.4 劃片冷卻水的添加劑

在劃片機(jī)冷卻水中添加某些化學(xué)添加劑，能夠有效地降低水在晶圓/劃片刀的表面張力，從而消除了晶圓切割產(chǎn)生的硅屑及金屬顆粒在晶圓表面和劃片刀表面的堆積， 清潔了芯片表面，并減少了芯片的背部崩角。 這些硅屑和金屬碎屑的堆積是造成芯片焊線區(qū)（Bonding Pad）的污染和晶圓背部崩角的一個(gè)主要原因。因此，當(dāng)優(yōu)化劃片刀和劃片參數(shù)無(wú)法消除芯片背部崩角時(shí)，可以考慮劃片冷卻水的添加劑。

2.5 劃片工藝參數(shù)的優(yōu)化

在確定了劃片刀，承載薄膜及切割模式的設(shè)計(jì)與選擇之后，下一步就是通過(guò)對(duì)劃片工藝參數(shù)的優(yōu)化來(lái)進(jìn)一步減小，降低低晶圓的劃片缺陷。根據(jù)先前實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對(duì)劃片工藝參數(shù)的篩選，三個(gè)重要的工藝參數(shù)被選中進(jìn)行工藝優(yōu)化，包括劃片刀轉(zhuǎn)速、工作臺(tái)步進(jìn)速度和第一劃片刀切割深度。

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作者簡(jiǎn)介

夏金鳳（1982-），女，天津市，助理工程師，本科，研究方向：半導(dǎo)體測(cè)試。