晶圆激光划片技术简析

高爱梅;张永昌;邓胜强

【摘 要】针对晶圆划片工艺,分析了激光半划、激光全划、激光隐形划切和异形芯片的划切等工艺方法的特点.结合典型试验案例,提供了每种划片方式的适用领域,对晶圆划片具有一定的工艺参考价值.%Aiming at wafer dicing technics, this paper analyzes technics characteristic of laser half-dicing, laser full-dicing and laser stealth dicing. Fall together some typical test cases, provides the appropriate application field of each dicing method. It may be of reference value to wafer dicing.

【期刊名称】《电子工业专用设备》 【年(卷),期】2018(000)005 【总页数】5页(P26-30)

【关键词】晶圆划片;激光划片;半划;全划 【作 者】高爱梅;张永昌;邓胜强

【作者单位】中国电子科技集团公司第四十五研究所, 北京 100176;中国电子科技集团公司第四十五研究所, 北京 100176;中国电子科技集团公司第四十五研究所, 北京 100176 【正文语种】中 文 【中图分类】TN305.1

随着激光器及相关光学元件制造技术的发展，为激光加工设备的开发提供了强大支撑，极大地促进激光微加工应用的广度和深度。晶圆划片是将制作好图形的晶圆按切割道分割成单一芯片的过程。随着芯片设计及制造技术的升级，对半导体封装工艺提出新的需求。如：超薄硅晶圆、低k介质晶圆、含悬梁薄膜结构的微机电系统（MEMS,micro electro mechanical system）器件晶圆、硬脆碳化硅晶圆、软脆碲锌镉晶圆等，使得晶圆划片工艺面临新挑战，需求促进设备加工手段升级。本文较全面地介绍了几种主流的晶圆划片工艺，结合实际案例，分析其优缺点和适用领域。 1 激光半划

1.1 激光开槽+砂轮切割

随着芯片特征尺寸的不断缩小和芯片集成度的不断提高，为提高芯片速度和降低互联电阻电容（RC）延迟，低电介常数（低k）膜及铜质材料逐步应用在高速电子元器件上。采用砂轮刀具切割低k膜一个突出的问题是膜层脱落，通过使用无机械负荷的激光开槽，可抑制脱层，实现高品质加工并提高生产效率，激光开槽完成后，砂轮刀具沿开槽完成硅材料的全切割，工艺过程如图1所示，切割效果如图2所示。

图1 激光开槽+砂轮切割工艺 图2 低K介质膜切割断面图

此外，激光开槽也可用于去除硅晶圆表面的金属层。当切割道表面覆盖金、银等金属层时，直接采用砂轮切割易造成卷边缺陷，切割效果如图3所示。可行的方法是通过激光开槽去除切割道的金属覆盖层，再采用砂轮切割剩余的硅材料，边缘整齐，芯片质量显著提升，切割效果如图4所示。 图3 砂轮全切割

图4 激光开槽+砂轮切割 1.2 激光半切+裂片

激光半切适用于解理性较好的材料加工，激光划切至一定深度，然后采用裂片方式，沿切割道产生纵向延伸的应力实现芯片分离。这种加工方式效率高，省掉了贴膜去膜工序，加工成本低。

以GPP（玻璃钝化二极管）工艺为代表的分立器件硅晶圆是半导体器件的一大类（如图5所示），主要应用在二极管、三极管、可控硅、整流桥等器件领域，随着相关产业需求的急剧增长，对器件的生产效率、产品质量都提出了更高要求。目前，行业内都采用了激光半切+裂片方式进行芯片分割，由于晶圆正面的切割道有玻璃钝化层，工艺要求从晶圆背面划切，为了简化工艺流程，晶圆背面一般不做光刻图形，这就要求设备具备底部对准功能，对位晶圆正面，激光从晶圆背面划切（如图6所示）。常规的硅晶圆厚度280 μm，采用光纤激光划切，速度150～200 mm/s，一次划切至2/3到3/4深度，然后采用碾压式裂片方式，一次完成整个晶圆的芯片分离，是一种高性价比的工艺方法。切割效果如图7所示。 图5 GPP硅晶圆 图6 晶圆背面划切道

氧化铝、氮化铝、碳化硅等硬脆材料，由于莫氏硬度高，采用砂轮刀具切割效率非常低，且容易产生崩边，切割1 mm厚的氧化铝陶瓷，速度仅为0.5～1 mm/s。采用激光全切割会产生大量熔渣，影响器件性能。利用这种材料解理性较好的特点，采用激光半切后，通过裂片的方式依次沿切割道分离芯片。以1 mm厚的氧化铝陶瓷为例，采用波长1 064 nm的脉冲光纤激光切割至1/3深度，速度200 mm/s，裂片后芯片断面干净无熔渣。切割形貌如图8、图9所示。 图7 晶圆划切断面 图8 氧化铝切割表面

图9 氧化铝切割断面 1.3 激光半切+背面减薄

对厚度小于100 μm的薄型硅晶圆切割过程中易产生破裂，生产中可以调整工艺顺序，先切割再减薄，采用激光半切割后再进行背面研磨，去除掉多余厚度的材料，采用该技术可以降低背面崩缺，提高芯片抗折强度，减小薄型晶圆破损的风险。 2 激光全切割

激光全切割是采用激光一次或多次完全切透晶圆，如图10所示，主要应用在薄硅晶圆、化合物半导体、背面附金属膜的晶圆、金属铜、钼等，切割断面如图11、图12所示。该方法工艺流程简单，可以实现高速高品质切割。由于激光聚焦光斑的有效焦深范围内都能够进行切割，在保证完全切透晶圆的时候，蓝膜也会被划伤，影响后续的扩膜。因此，选择高损伤阈值的切割胶带非常重要。 图10 激光全切割 图11 砷化镓切割断面 图12 铜切割断面 3 激光隐形划切

激光隐形划切是将激光聚焦作用在材料内部形成改质层，然后通过裂片或扩膜的方式分离芯片。表面无划痕、无粉尘污染，几乎无材料损耗，加工效率高，适合于材料昂贵、抗污染能力差的器件生产，划切完后无需清洗。能够进行隐形划切的材料有蓝宝石、玻璃、砷化镓、碳化硅、钽酸锂、薄硅晶圆、硅基MEMS器件等。典型的案例是采用砂轮切割一片100 mm（4英寸）碳化硅晶圆（芯片1.5

mm×1.3 mm）需6 h左右，而且切割槽较宽，造成严重的材料浪费和刀具磨损。而采用激光隐形划切方式，仅需20 min，切割线宽小于5 μm，芯片设计中切割道预留可以更窄。根据材料的解理特性和厚度不同，结合裂片工艺，进行单层或多层划切。比如对90 μm厚的蓝宝石晶圆，一层改质层即可裂开，对90 μm厚的

碳化硅晶圆，需要7-11层改质层才可以裂开，如图13、图14所示。 图13 隐形划切原理 图14 蓝宝石隐切断面 4 异形芯片切割

当前，在半导体产业较低利润率的压力下，为提高竞争力，芯片设计工程师不断追求更高的材料利用率。切割线总长越短，晶圆面积浪费越小，在芯片面积一定的情况下，周长最短的是正六边形密排。一个晶圆上能生产六边形芯片数量比同样尺寸的四边形芯片数量多15%，对于大功率LED芯片，设计成六边形还会产生更大的光能输出量。但多边形结构给晶圆划切带来挑战，加工中首先通过图像识别定位和位置计算，将切割道解析成夹角为60°的三组直线段，划完一组，工作台旋转60°再划第二组，依次划完整个晶圆，如图15所示。 图15 异形芯片切割轨迹

在芯片样品设计阶段，为降低试验成本，往往在一个晶圆上混合排列多种尺寸规格的芯片，一般成周期性单元分布。划切时需要设定晶圆尺寸、街区宽度、单元周期、每个单元中的街区间隔等参数，确定从某个单元的第一道街区开始划，对同批次晶圆，可直接调用该参数进行加工，如图16所示。 图16 不规则分布芯片切割轨迹

对于柔性基底的晶圆，由于生产过程中的材料变形，造成芯片不规则分布，常规的激光划片机无法满足加工需求。针对工艺要求有两种实现方式，沿芯片外轮廓切割，保证每个芯片尺寸一致，加工完后需要单独清理剩余的残渣；第二种方式是沿着街区的中心切，不会有残渣，但切割完后的芯片尺寸不一致。不管哪种方式，都需要结合XY工作台移动，逐块完成整个晶圆的全幅面扫描，对扫描获得的每一帧图像，采用模板匹配的方法识别出每个芯片的中心位置和旋转角度，计算获得加工轨迹信息。最终振镜沿芯片的切割轨迹完成整个晶圆切割，如图17、图18所示。

图17 绕芯片外形切 图18 沿切割道中心切 5 结束语

晶圆划片是芯片生产工艺中的重要工序，根据材料和工艺需求的不同，选择合适的划片方式非常重要。本文结合工艺试验案例，较全面的分析了几种主流划片工艺的特点和适用领域。随着加工技术的进步和深入研究，还会有更先进的划片方式，为创新半导体封装工艺提供设备支撑。 参考文献：

【相关文献】

[1] Disco公司.产品介绍[Z].2015.