切割（Dicing）工藝無(wú)論在晶圓后道，還是在封裝后段都是關(guān)鍵技術(shù)之一。在晶圓后道是將DIE從Wafer上切割下來(lái)，在封裝后段則是指將貼晶打線塑封后多個(gè)芯片連接在一起的框架或載體切割成單個(gè)成品。當(dāng)然晶圓后道的切割工藝更為復(fù)雜。
在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，以切割難度最大的一種產(chǎn)品為例，其晶圓厚度<75um，而且布有“via-middle” 3DI/TSV通孔層。切割是在wafer減薄和背面處理后進(jìn)行切分。這使得業(yè)界常用的一種先切割后減薄工藝無(wú)法采用，再加上背面對(duì)齊標(biāo)記、TSV或其它特征的存在給切割過(guò)程進(jìn)一步增加了挑戰(zhàn)。此外，在整個(gè)wafer結(jié)構(gòu)中使用力學(xué)性能較差的低k和超低k介質(zhì)也可能會(huì)出現(xiàn)其它問(wèn)題，例如：1）器件層分層；2）正面和/或背面過(guò)度崩角（DIE chipping）；3）DIE邊緣側(cè)壁開(kāi)裂或DIE Chipping，4）與裂紋擴(kuò)展相關(guān)的長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題，5）取DIE過(guò)程中DIE 容易斷裂。切割質(zhì)量影響因素較多：切割設(shè)備，刀片，Dicing Tape（切割時(shí)晶圓附著的膜），切割參數(shù)等。
先聊聊切割中最關(guān)鍵的耗材刀片（Blade）。刀片厚度的選擇決定于晶粒間距和路緣寬度（kerf width），刀刃厚度（blade exposure）是指可用于切割部分，較厚的刀刃可以延長(zhǎng)葉片壽命，而較短刀刃可以在較高的轉(zhuǎn)速下姿態(tài)保持更穩(wěn)定。刀片網(wǎng)格（Blade mesh）是指組成刀片所用金剛石的相對(duì)尺寸，較小的blade mesh代表所用金剛石尺寸更小。較大的鉆石有更多的切割力，但可能會(huì)加劇DIE chipping，而較小的金剛石可以使切割后的邊緣更光滑。但是，如果所選的網(wǎng)格太細(xì)，刀片可能無(wú)法將晶圓切開(kāi)。當(dāng)然刀片也不全是由金剛石組成，大家可以圖1所示，金剛石的占比大約只占25%左右。
圖1 ?ZH05-SD2000刀片邊緣顯微鏡圖：金剛石在表面分布
圖2 ?ZH05-SD3500刀片邊緣顯微鏡圖：金剛石在表面分布
晶圓切割當(dāng)前主流仍采用Disco開(kāi)發(fā)的匿痕切割（Stealth Dicing， SD）法，該法的特點(diǎn)是使用高功率激光來(lái)破壞硅基的晶格，然后用切刀進(jìn)行切割，最后再通過(guò)膨脹（拉伸）Dicing tape 使得晶粒分開(kāi)。該方法可以最大程度的較少DIE chipping發(fā)生的可能性?？梢院?jiǎn)單理解為在物理刀片切割前，先由激光進(jìn)行預(yù)切割，在切割路徑上預(yù)先破壞晶圓。從而減少物理刀片切割時(shí)產(chǎn)生的DIE chipping。激光通常會(huì)通過(guò)聚焦，聚集在需要切割的路徑上，而激光的波長(zhǎng)決定了激光聚焦后斑點(diǎn)的大小。激光的波長(zhǎng)又由激光的類(lèi)型決定。較厚的晶片可能需要在不同的深度進(jìn)行多次的激光預(yù)切割。眼科手術(shù)中常用的飛秒激光，也被應(yīng)用于該領(lǐng)域。
圖3 ?DIE chipping 崩角；a) 由晶圓上方開(kāi)始出現(xiàn)的裂紋；b)頭發(fā)絲裂紋
根據(jù)wafer晶圓布線不同，切割形式有多種多樣。如圖4和圖5所示。還有一種完全由激光切割的方法，但是由于激光強(qiáng)度太大，很容易在切割邊緣產(chǎn)生如圖6所示的缺陷：（1）金屬熔化產(chǎn)生的高低不平的邊緣和（2）硅熔化產(chǎn)生的的不規(guī)則體。
圖4 ?Step1: 晶圓制備時(shí)自帶隔離區(qū)，Step2：匿痕切割，Step3：擴(kuò)膜將晶粒分開(kāi)
圖5? 激光通切示意圖
在介于“激光通切”和“激光+刀片切割”之間還有一種叫做Laser Scribing (Grooving)的方法。該方法示意圖如圖7所示，先進(jìn)行激光開(kāi)槽，然后在兩道激光中間用刀片進(jìn)行切割。當(dāng)然還有更復(fù)雜的切割方法如圖8所示，將多種切割方法混合進(jìn)行切割。當(dāng)然萬(wàn)變不離其宗，最終的目的都是為了減少DIE edge的chipping和分層等缺陷。
圖7 ?Laser Scribing (Grooving) 示意圖
跳出激光和切刀的束縛，還有一種等離子切割法（Plasma Dicing）。該方法借鑒了晶圓生產(chǎn)工藝中干刻蝕的工藝，使用深度活性離子蝕刻（deep reactive ion etch，DRIE）。這種技術(shù)在切割過(guò)程中不會(huì)對(duì)晶片產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，不會(huì)產(chǎn)生碎片，不會(huì)產(chǎn)生正反面chipping，也不會(huì)在DIE的側(cè)壁產(chǎn)生應(yīng)力，從而大大的提高了良率。
當(dāng)然各種切割工藝都不是完美的，需要根據(jù)產(chǎn)品的特性進(jìn)行選擇。就拿等離子切割為例，其雖然有前文描述的種種優(yōu)勢(shì)，但是切割效率低，設(shè)備昂貴，工藝復(fù)雜（特別是掩膜，去膜步驟），總成本高等明顯的缺點(diǎn)。
表1? 不同廠家切割機(jī)性能對(duì)比
最后，我們?cè)俸?jiǎn)單了解一下主流切割裝備的選擇及廠商選擇。切割機(jī)與其它半導(dǎo)體設(shè)備所要考慮的參數(shù)沒(méi)有太大區(qū)別，需要考慮定位精度，切割精度，工作范圍，最大行程，移動(dòng)分辨率，重復(fù)精度，最大旋轉(zhuǎn)角度，刀片轉(zhuǎn)速，額定扭矩和清洗方式等。我們對(duì)比了國(guó)內(nèi)外三家晶圓切割機(jī)，可以看到在技術(shù)指標(biāo)上，除了Disco在Z軸的移動(dòng)分辨率可以做到0.00005mm一個(gè)參數(shù)比較突出外，其它公布參數(shù)本身沒(méi)有太大差異。但是參數(shù)歸參數(shù)，加工過(guò)程中設(shè)備的可控性及穩(wěn)定性等都會(huì)極大的影響最終產(chǎn)品良率。最后，不得不說(shuō)目前切割機(jī)技術(shù)最強(qiáng)還屬Disco。國(guó)內(nèi)的和研和光力科技也都是強(qiáng)有力的跟隨者，特別是在傳統(tǒng)封裝中，國(guó)產(chǎn)設(shè)備基本完全可以滿(mǎn)足。
Review of Wafer Dicing Techniques for Via-Middle Process 3DI/TSV Ultrathin Silicon Device Wafers Andy Hooper, Jeff Ehorn, Mike Brand, and Cassie Bassett
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：先進(jìn)封裝之超薄且布有TSV通孔層的晶圓切割
