萬松峰 熊長煒

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，廣東 東莞 523808）

0 引言

劃片主要用于碳化硅、藍(lán)寶石、砷化鎵等材料的加工，是將半導(dǎo)體晶圓分割成單個(gè)芯片的工序。劃片要求切縫窄、崩邊小、裂紋少、無分層[1]，劃片質(zhì)量直接影響半導(dǎo)體封裝成品的可靠性[2-3]。面對半導(dǎo)體不斷微型化、高集成化、超精細(xì)化的發(fā)展趨勢，晶圓直徑不斷增大，厚度越來越薄，使得晶圓對外力較為敏感。單位面積上集成的電路不斷增加，留給分割的劃片道越來越小，無法完成任意線段形狀的劃切，砂輪劃片機(jī)已無法完全滿足需求。

激光具有單色性好、方向性強(qiáng)、劃片效率高等特點(diǎn)，因此激光劃片目前已經(jīng)成為晶圓劃片的研究熱點(diǎn)。2023年，段凌云等人研究了激光劃片砷化鎵晶片時(shí)加工參數(shù)激光脈沖能量、水射流壓力、加工速度、水射流角度等對微槽深度、微槽寬度和材料去除率的影響[4]。2022年，許軍等人通過濕法臺(tái)階刻蝕工藝在電池晶圓上做成切割槽后采用激光劃片晶圓，尺寸誤差小于10 μm，與金剛石砂輪劃片相比具有速度快、維護(hù)周期短等優(yōu)點(diǎn)[5]。2020年，汪于濤等人利用德國的PX100-3-GF激光器對單晶硅切割進(jìn)行研究，探討了激光能量、光斑、切縫寬度及切割次數(shù)對單晶硅切割的影響[6]。2018年，張乾等人針對激光劃片機(jī)的自動(dòng)化生產(chǎn)需求，利用圖像識(shí)別和模板匹配，在激光劃片機(jī)上實(shí)現(xiàn)晶圓的自動(dòng)對位，最后通過建立網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的方式得出劃片軌跡實(shí)現(xiàn)晶圓的自動(dòng)識(shí)別與劃片，但適應(yīng)多種復(fù)雜晶圓自動(dòng)對位算法的兼容性存在一定問題[7]。

激光劃片機(jī)已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)中的重要設(shè)備，日本DISCO公司銷售的激光劃片機(jī)占據(jù)了大量的市場份額。隨著半導(dǎo)體行業(yè)對精度和效率的要求不斷提高，激光劃片機(jī)需要進(jìn)一步升級。為了滿足半導(dǎo)體生產(chǎn)制造中對高效率、高精度、柔性化的要求，設(shè)計(jì)了一套全自動(dòng)激光晶圓劃片系統(tǒng)，配備了視覺自動(dòng)對準(zhǔn)和自動(dòng)上下料系統(tǒng)，大大提高了劃片效率和質(zhì)量。

1 系統(tǒng)方案

全自動(dòng)激光半導(dǎo)體劃片機(jī)通過高功率激光輻照半導(dǎo)體晶圓表面，利用半導(dǎo)體材料氣化或升華原理實(shí)現(xiàn)對砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體晶圓片的自動(dòng)劃切。激光劃片機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 激光劃片機(jī)示意圖

自動(dòng)激光劃片機(jī)由上下料裝置、激光裝置、劃片工作臺(tái)和控制系統(tǒng)等組成，激光和視覺系統(tǒng)固定，晶圓片放在劃片工作臺(tái)的支架上，工作臺(tái)帶動(dòng)晶圓片移動(dòng)實(shí)現(xiàn)劃片操作。

激光劃片的工作過程：上片、對準(zhǔn)、劃片和下片等。上料吸盤機(jī)構(gòu)將料盒從儲(chǔ)料盒中推出來，通過上下料中的定位裝置將料盤定位，然后通過傳輸裝置將料盤運(yùn)送到旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)利用真空嘴吸附固定料盤，利用視覺自動(dòng)對位后，利用X/Y軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)劃片。自動(dòng)劃片完成后下料裝置將劃切好的晶圓片傳送至下一工站。

激光劃片機(jī)是建立在激光束的聚焦和掃描技術(shù)之上，一股激光束通過聚焦透鏡和掃描鏡被精確聚焦到待劃片的材料表面。激光束照射在材料表面，產(chǎn)生高溫和高壓，形成激光刻蝕效應(yīng)，從而在材料表面刻出一條刻痕。激光劃片機(jī)的主要組成部分包括激光源、聚焦透鏡、掃描鏡、運(yùn)行工作臺(tái)和控制系統(tǒng)等，其中激光的功率和工作頻率對劃片的效率和精度起著決定性作用，故采用美國PAR公司的100/25型CO2激光器，波長為10.6 μm，含有RS232接口。聚焦透鏡和掃描鏡則負(fù)責(zé)控制激光束的聚焦和掃描。工作臺(tái)用于放置待劃切的半導(dǎo)體晶圓，其穩(wěn)定性對劃片精度具有重要影響?？刂葡到y(tǒng)則負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各部件的工作，包括激光束的掃描路徑、激光功率和工作時(shí)間等。

2 上下料與劃片工作臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

上下料系統(tǒng)如圖2所示，主要包括上料裝置、上下料裝置、抓取裝置和其他輔助裝置。上料裝置的運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)抓取裝置實(shí)現(xiàn)。上下料裝置利用升降機(jī)構(gòu)將料盒上下移動(dòng)到相應(yīng)位置，由于料盒移動(dòng)對精度要求不高，故采用絲杠滑塊結(jié)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠滑塊實(shí)現(xiàn)模塊的上下直線運(yùn)動(dòng)。上料裝置利用升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)移動(dòng)放有待搬運(yùn)晶圓片的料盒以適應(yīng)抓取裝置的取料。抓取裝置由伸縮氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸和吸嘴等組成，通過控制系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)、氣缸和真空發(fā)生器等進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)晶圓片的自動(dòng)上料。自動(dòng)上下料系統(tǒng)能提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提高昂貴設(shè)備的利用率，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模靈活生產(chǎn)。

圖2 上下料模塊

劃片工作臺(tái)如圖3所示，由劃片運(yùn)動(dòng)裝置、真空吸盤和固定裝置等組成。劃片運(yùn)動(dòng)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)X/Y方向的運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，X/Y方向的精密絲杠平臺(tái)固定設(shè)置于切割工作臺(tái)平臺(tái)的下方，通過移動(dòng)配合激光控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體晶圓的劃片。X/Y方向位置分辨率10 nm，最高進(jìn)給速率1 500 mm/min，加速度大于2 m/s2，定位精度0.1 μm。X/Y方向的電機(jī)根據(jù)計(jì)算選擇功率為400 W的松下A5系列低慣量型伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為1.3 N·m。絲杠采用THK公司的DIK型單螺母滾珠絲杠，行程為500 mm。由于采用機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對準(zhǔn)，要求旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)精度高、響應(yīng)快、運(yùn)行平穩(wěn)，DD馬達(dá)電氣控制精度高且具有高剛性，故采用DD馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)工件臺(tái)旋轉(zhuǎn)。DD馬達(dá)參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速2.0 r/s，重復(fù)定位精度±3″，絕對定位精度±45″，最大輸出轉(zhuǎn)矩30 N·m，偏差小于5 μm。

圖3 劃片工作臺(tái)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)激光劃片機(jī)的控制系統(tǒng)采用“工控機(jī)+PLC”的控制架構(gòu)體系，模塊化設(shè)計(jì)，即系統(tǒng)由主控單元和運(yùn)動(dòng)控制組成。主控機(jī)運(yùn)行上位機(jī)軟件，利用S7.Net.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫向S7-1500 PLC發(fā)送命令和接收數(shù)據(jù)；S7-1500 PLC與華太模塊組成分布式IO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光加工、上下料等輸入/輸出信號(hào)的處理，利用Halcon提供的圖像處理算子實(shí)現(xiàn)視覺識(shí)別對準(zhǔn)和檢測等?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)框圖

針對原有激光劃片機(jī)存在抗干擾能力差、易出現(xiàn)死機(jī)等問題，本項(xiàng)目選用西門子S7-1500 PLC作為劃片機(jī)的下位機(jī)運(yùn)動(dòng)核心，借助全集成自動(dòng)化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)混合編程。S7-1500PLC支持PROFINET、PROFIBUS、TCP/IP、OPC UA和Modbus等通信，可方便地實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)軟件或遠(yuǎn)程模塊的安全高效通信。X/Y方向定位精度要求高，不允許有誤差累計(jì)，全程500 mm累計(jì)誤差不大于3 μm，選分辨率為0.25 μm的光柵尺進(jìn)行位置測量，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，如圖5所示，控制算法采用模糊PID。

圖5 全閉環(huán)控制系統(tǒng)

視覺對準(zhǔn)系統(tǒng)如圖6所示，主要由相機(jī)、鏡頭和光源組成。相機(jī)選用分辨率為2 592像素×1 944像素的黑白工業(yè)相機(jī)，遠(yuǎn)心鏡頭，環(huán)形光源。對準(zhǔn)是激光刀具或運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)路徑與晶圓劃片“軌道”的對齊和定位，能保證劃片一直沿著預(yù)定軌跡進(jìn)行，對準(zhǔn)系統(tǒng)是劃片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、高效率加工的基礎(chǔ)，直接影響劃片的整體精度，是激光劃片的關(guān)鍵技術(shù)。相機(jī)采集晶圓圖像后，利用Halcon模板匹配算子找到晶圓邊緣，然后利用Hough算子搜索中心線，利用中心線進(jìn)行角度偏差校正，完成對準(zhǔn)操作。

圖6 視覺對準(zhǔn)系統(tǒng)

4 驗(yàn)證分析

設(shè)計(jì)的全自動(dòng)激光晶圓劃片機(jī)可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)上下料、自動(dòng)對焦、自動(dòng)劃片和檢測。對砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體晶圓片進(jìn)行劃片實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該全自動(dòng)激光晶圓劃片機(jī)的劃片精度達(dá)±10 μm，劃片線寬≤0.03 mm，最大劃片速度230 mm/s，可以滿足半導(dǎo)體晶圓的劃片需求，可以為進(jìn)一步推廣激光在全自動(dòng)晶圓劃片系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考。

5 結(jié)束語

面對半導(dǎo)體不斷微型化、高集成化、超精細(xì)化的發(fā)展趨勢，晶圓直徑不斷增大，厚度越來越薄，單位面積上電路不斷增加，劃切道越來越小，砂輪劃片機(jī)已無法完全滿足需求。本文所述全自動(dòng)激光晶圓劃片機(jī)具有自動(dòng)上下料系統(tǒng)和視覺對準(zhǔn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多盤的全自動(dòng)劃切，大大提高了劃片質(zhì)量和效率，可以滿足目前的晶圓生產(chǎn)需求。