By Dianne Shi and Ilan Weisshas

本文介紹，先進(jìn)封裝(advanced packaging)的后端工藝(back-end)之一：晶圓切片(wafer dicing)。

在過(guò)去三十年期間，切片(dicing)系統(tǒng)與刀片(blade)已經(jīng)不斷地改進(jìn)以對(duì)付工藝的挑戰(zhàn)和接納不同類型基板的要求。最新的、對(duì)生產(chǎn)率造成最大影響的設(shè)備進(jìn)展包括：采用兩個(gè)切割(two cuts)同時(shí)進(jìn)行的、將超程(overtravel)減到最小的雙軸(dual-spindle)切片系統(tǒng)，代表性的有日本東精精密的AD3000T和AD2000T；自動(dòng)心軸扭力監(jiān)測(cè)和自動(dòng)冷卻劑流量調(diào)節(jié)能力。重大的切片刀片進(jìn)步包括一些刀片，它們用于很窄條和/或較高芯片尺寸的晶圓、以銅金屬化的晶圓、非常薄的晶圓、和在切片之后要求表面拋光的元件用的晶圓。許多今天要求高的應(yīng)用都要求設(shè)備能力和刀片特性兩方面都最優(yōu)化的工藝，以盡可能最低的成本提供盡可能高的效率。

最近，日本東精精密又向市場(chǎng)推出了非接觸式的激光切割設(shè)備ML200和ML300型

切片機(jī)制(The Dicing Mechanism)

硅晶圓切片工藝是在“后端”裝配工藝中的第一步。該工藝將晶圓分成單個(gè)的芯片，用于隨后的芯片接合(die bonding)、引線接合(wire bonding)和測(cè)試工序。

一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的研磨盤(pán)(刀片)完成切片(dicing)。一根心軸以高速，30,000~60,000rpm (83~175m/sec的線性速度)轉(zhuǎn)動(dòng)刀片。該刀片由嵌入電鍍鎳矩陣黏合劑中的研磨金剛石制成。

在芯片的分割期間，刀片碾碎基礎(chǔ)材料(晶圓)，同時(shí)去掉所產(chǎn)生的碎片。材料的去掉沿著晶方(dice)的有源區(qū)域之間的專用切割線(跡道)發(fā)生的。冷卻劑(通常是去離子水)指到切割縫內(nèi)，改善切割品質(zhì)，和通過(guò)幫助去掉碎片而延長(zhǎng)刀片壽命。每條跡道(street)的寬度(切口)與刀片的厚度成比例。

關(guān)鍵工藝參數(shù)

硅圓片切割應(yīng)用的目的是將產(chǎn)量和合格率最大，同時(shí)資產(chǎn)擁有的成本最小�？墒�，挑戰(zhàn)是增加的產(chǎn)量經(jīng)常減少合格率，反之亦然。晶圓基板進(jìn)給到切割刀片的速度決定產(chǎn)出。隨著進(jìn)給速度增加，切割品質(zhì)變得更加難以維持在可接受的工藝窗口內(nèi)。進(jìn)給速度也影響刀片壽命。

在許多晶圓的切割期間經(jīng)常遇到的較窄跡道(street)寬度，要求將每一次切割放在跡道中心幾微米范圍內(nèi)的能力。這就要求使用具有高分度軸精度、高光學(xué)放大和先進(jìn)對(duì)準(zhǔn)運(yùn)算的設(shè)備。

當(dāng)用窄跡道切割晶圓時(shí)的一個(gè)常見(jiàn)的推薦是，選擇盡可能最薄的刀片。可是，很薄的刀片(20μm)是非常脆弱的，更容易過(guò)早破裂和磨損。結(jié)果，其壽命期望和工藝穩(wěn)定性都比較厚的刀片差。對(duì)于50~76μm跡道的刀片推薦厚度應(yīng)該是20~30μm。

碎片(Chipping)

頂面碎片(TSC, top-side chipping)，它發(fā)生晶圓的頂面，變成一個(gè)合格率問(wèn)題，當(dāng)切片接近芯片的有源區(qū)域時(shí)，主要依靠刀片磨砂粒度、冷卻劑流量和進(jìn)給速度(圖1a)。

背面碎片(BSC, back-side chipping)發(fā)生在晶圓的底面，當(dāng)大的、不規(guī)則微小裂紋從切割的底面擴(kuò)散開(kāi)并匯合到一起的時(shí)候(圖1b)。當(dāng)這些微小裂紋足夠長(zhǎng)而引起不可接受的大顆粒從切口除掉的時(shí)候，BSC變成一個(gè)合格率問(wèn)題。

通常，切割的硅晶圓的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是：如果背面碎片的尺寸在10μm以下，忽略不計(jì)。另一方面，當(dāng)尺寸大于25μm時(shí)，可以看作是潛在的受損�？墒�，50μm的平均大小可以接受，示晶圓的厚度而定。

現(xiàn)在可用來(lái)控制背面碎片的工具和技術(shù)是刀片的優(yōu)化，接著工藝參數(shù)的優(yōu)化。

刀片優(yōu)化(Blade Optimization)

為了接收今天新的切片挑戰(zhàn)，切片系統(tǒng)與刀片之間的協(xié)作是必要的。對(duì)于高端(high-end)應(yīng)用特別如此。刀片在工藝優(yōu)化中起主要的作用。為了接納所有來(lái)自于迅速的技術(shù)發(fā)展的新的切片要求，今天可以買(mǎi)到各種各樣的刀片。這使得為正確的工藝選擇正確的刀片成為一個(gè)比以前更加復(fù)雜的任務(wù)。

除了尺寸，三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)決定刀片特性：金剛石(磨料)尺寸、金剛石含量和粘結(jié)劑的類型。結(jié)合物是各種金屬和/或其中分布有金剛石磨料的基體。這些元素的結(jié)合效果決定刀片的壽命和切削質(zhì)量(TSC與BSC)。改變?nèi)魏我粋�(gè)這些參數(shù)都將直接影響刀片特性與性能。為一個(gè)給定的切片工藝選擇最佳的刀片可能要求在刀片壽命與切削質(zhì)量之間作出平衡。

其它因素，諸如進(jìn)給率和心軸速度，也可能影響刀片選擇。切割參數(shù)對(duì)材料清除率有直接關(guān)系，它反過(guò)來(lái)影響刀片的性能和工藝效率。對(duì)于一個(gè)工藝為了優(yōu)化刀片，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法(DOE, designed experiment)可減少所需試驗(yàn)的次數(shù)，并提供刀片特性與工藝參數(shù)的結(jié)合效果。另外，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法(DOE)的統(tǒng)計(jì)分析使得可以對(duì)有用信息的推斷，以建議達(dá)到甚至更高產(chǎn)出和/或更低資產(chǎn)擁有成本的進(jìn)一步工藝優(yōu)化。

圖二顯示在以30,000rpm心軸速度進(jìn)行的硅晶圓切片期間，進(jìn)給率、刀片磨料尺寸和刀片壽命的結(jié)合效果。圖三詳細(xì)顯示相應(yīng)得切削品質(zhì)。正如所料，在某個(gè)工藝窗口之內(nèi)，隨著磨料尺寸的增加，刀片壽命增加(或磨損率下降)，而切削品質(zhì)(在這種情況中TSC) 下降。越細(xì)的磨料尺寸提供在以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給率時(shí)更高的頂面切削質(zhì)量，雖然刀片壽命減少很多。如所提及的，增加產(chǎn)出是在晶圓切片中的減少成本的主要問(wèn)題。更高的進(jìn)給率和/或心軸速度是最常考慮到的影響參數(shù)�？墒牵�取決于三個(gè)關(guān)鍵的刀片參數(shù)、晶圓的特性和厚度、和在跡道中的金屬化程度，在一套工藝條件下的“完美刀片”可能在條件改變時(shí)不適合。

如圖二和三所示，隨著進(jìn)給速率的增加，刀片壽命和切削質(zhì)量?jī)烧叨紩?huì)變化，不管磨料尺寸如何。當(dāng)優(yōu)化一個(gè)工藝時(shí)，重要的是并行地考慮各種主要工藝和刀片的參數(shù)，以使產(chǎn)出達(dá)到最大，同時(shí)保持足夠的刀片壽命和可接受的切削質(zhì)量。在選擇刀片類型來(lái)最大減少資產(chǎn)擁有成本的時(shí)候，可能要求一個(gè)折中。

與那些可能常見(jiàn)的東西相反，較慢的進(jìn)給速度不總是保證更好的切削品質(zhì)。差劣的切削品質(zhì)可能在太慢的進(jìn)給率時(shí)產(chǎn)生，由于產(chǎn)生更高的熱量(圖三)。達(dá)到可接受的切削品質(zhì)的最小進(jìn)給速度應(yīng)是指對(duì)于一個(gè)給定的切片應(yīng)用。這是一個(gè)可應(yīng)用于各種晶圓切片的一般結(jié)論。當(dāng)使用很慢的進(jìn)給速度時(shí)，在切片銅(Cu)晶圓時(shí)可觀察到較高的BSC1。當(dāng)以很慢的轉(zhuǎn)速切片時(shí)觀察到相同的效果。

三個(gè)關(guān)鍵的刀片元素(金剛石尺寸、濃度和結(jié)合物硬度)的相對(duì)重要性取決于刀片磨料尺寸和工藝參數(shù)。為了給一個(gè)特定應(yīng)用選擇最適合的刀片，對(duì)這些關(guān)系的理解是必要的。

圖四是對(duì)由于或者刀片金剛石濃度增加或者粘合物硬度增加而使刀片磨損百分率下降的一個(gè)DOE評(píng)估。一般來(lái)說(shuō)，粘結(jié)硬度對(duì)刀片壽命的影響對(duì)于較細(xì)金剛砂更為顯著。隨著磨料尺寸增加，粘結(jié)硬度的影響變得越來(lái)越不重要�？墒�，對(duì)于所有磨料尺寸，金剛石濃度的影響似乎比粘結(jié)硬度更為重要。取決于磨料尺寸變化的程度，其對(duì)刀片壽命的影響可能是所有三個(gè)刀片參數(shù)中最重要的。

作為一般規(guī)則，較細(xì)金剛砂的刀片對(duì)刀片和/或工藝參數(shù)變化更加敏感。當(dāng)BSC需要改進(jìn)時(shí)，較軟的粘結(jié)和/或較低的金剛砂濃度經(jīng)常是必須的。或者粘結(jié)硬度或者金剛砂濃度的改變可降低刀片的壽命。

為了選擇一個(gè)刀片，重要的還要理解刀片的外表硬度的影響(經(jīng)常叫做基體硬度)。這是刀片的硬度的抽象測(cè)量，它反映在切割晶圓時(shí)刀片的“感覺(jué)”方式�；�體硬度通過(guò)金剛砂磨料尺寸、濃度和粘結(jié)硬度的結(jié)合影響來(lái)決定。通常，較細(xì)的磨料尺寸、較高的金剛砂濃度和較硬的粘合物將得到增加的基體硬度。

通常建議，與其它考慮因素一起，較硬的材料要求較軟的(基體)刀片來(lái)切片，反之亦然。例如，砷化鎵(GaAs)晶圓一般要求較細(xì)的金剛砂尺寸(較硬的刀片)，而鉭酸鋰(LiTaO3)晶圓最適合于較粗的金剛砂尺寸和較低的金剛石濃度(較軟的刀片)。隨著非硅(non-Si)材料使用的進(jìn)步，將達(dá)到對(duì)這些類型的先進(jìn)晶圓切片應(yīng)用的更深理解。

刀片負(fù)載監(jiān)測(cè)(Blade Load Monitering)

在切片或任何其它磨削過(guò)程中，在不超出可接受的切削質(zhì)量參數(shù)時(shí)，新一代的切片系統(tǒng)可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)施加在刀片上的負(fù)載，或扭矩。對(duì)于每一套工藝參數(shù)，都有一個(gè)切片質(zhì)量下降和BSC出現(xiàn)的極限扭矩值。切削質(zhì)量與刀片基板相互作用力的相互關(guān)系，和其變量的測(cè)量使得可以決定工藝偏差和損傷的形成。工藝參數(shù)可以實(shí)時(shí)調(diào)整，使得不超過(guò)扭矩極限和獲得最大的進(jìn)給速度。

切片工序的關(guān)鍵部分是切割刀片的修整(dressing)。在非監(jiān)測(cè)的切片系統(tǒng)中，修整工序是通過(guò)一套反復(fù)試驗(yàn)來(lái)建立的。在刀片負(fù)載受監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)中，修整的終點(diǎn)是通過(guò)測(cè)量的力量數(shù)據(jù)來(lái)發(fā)現(xiàn)的，它建立最佳的修整程序。這個(gè)方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：不需要限時(shí)來(lái)保證最佳的刀片性能，和沒(méi)有合格率損失，該損失是由于用部分修整的刀片切片所造成的質(zhì)量差。

冷卻劑流量穩(wěn)定(Coolant Flow Stabilization)

以穩(wěn)定的扭矩運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)要求進(jìn)給率、心軸速度和冷卻劑流量的穩(wěn)定。冷卻劑在刀片上施加阻力，它造成扭力。最新一代的切片系統(tǒng)通過(guò)控制冷卻劑流量來(lái)保持穩(wěn)定的流速和阻力，從而保持冷卻劑扭矩影響穩(wěn)定。

當(dāng)切片機(jī)有穩(wěn)定的冷卻劑流量和所有其它參數(shù)都受控制時(shí)，維持一個(gè)穩(wěn)定的扭矩。如果記錄，從穩(wěn)定扭矩的任何偏離都是由于不受控的因素。這些包括由于噴嘴堵塞的冷卻劑流量變化、噴嘴調(diào)整的變化、刀片對(duì)刀片的變化、刀片情況和操作員錯(cuò)誤。

總結(jié)

切片工藝變得越來(lái)越且要求高。切割跡道變得越窄，可能充滿測(cè)試用衰耗器(test pad)，并且刀片可能需要切割由不同材料制成的各種涂敷層。在這些條件下達(dá)到最大的切片工藝合格率和生產(chǎn)率要求認(rèn)真的刀片選擇和先進(jìn)的工藝控制能力。