摘要:
等離子劃片是近年來興起的一項(xiàng)新型圓片劃片工藝。與傳統(tǒng)的刀片劃片、激光劃片等工藝不同,該工藝技術(shù)可以同步完成一張圓片上所有芯片的劃片,生產(chǎn)效率明顯提升,是對現(xiàn)有劃片工藝的一個(gè)顛覆。介紹了圓片劃片工藝的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)及其優(yōu)勢,并對其在解決圓片劃片應(yīng)用中的典型問題和不足之處進(jìn)行了討論。
1引言
圓片劃片是集成電路制造工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),無論是傳統(tǒng)芯片封裝還是先進(jìn)的圓片級封裝技術(shù),劃片工序都是不可或缺的。對于傳統(tǒng)芯片封裝而言,圓片劃片是封裝過程的前段工序,而對于圓片級封裝,劃片往往成為封裝的最后步驟,一前一后都直接關(guān)系到封裝成品的最終可靠性。
圓片通常采用刀片切割進(jìn)行芯片分離,即所謂的刀片劃片,刀片劃片工藝多采用金剛砂刀片作為劃片刀具,存在刀片磨損、切割過程中硅屑飛濺、崩邊、顆粒沾污等現(xiàn)象且無法避免。
隨著集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步,芯片集成度在提升,圓片上的有效芯片尺寸也在不斷增加,伴隨的是劃片槽尺寸的進(jìn)一步縮小,傳統(tǒng)的刀片劃片技術(shù)已經(jīng)很難適應(yīng),激光劃片技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。激光劃片技術(shù)大致分為基于激光熔融的常規(guī)激光劃片、激光隱形切割(SD) 劃片和微水刀激光劃片 3 種主要形式。常規(guī)激光劃片技術(shù)主要用于 Low-K 工藝的圓片表面開槽,即采用高能激光將在 Low-K 工藝圓片表面的易碎鈍化層包括 PCM 圖形燒蝕 ;激光隱形切割技術(shù)則是利用特殊波長的激光打斷圓片劃片槽上的硅晶格,此過程不會在硅片有效圖形區(qū)中形成高溫,劃片后形成的劃痕寬度只有數(shù)微米;微水刀激光劃片結(jié)合常規(guī)激光劃片與水冷技術(shù)的特點(diǎn),將高能量的激光束約束在一個(gè)狹小的水道中,劃片過程中同樣不會造成硅片中的熱損傷。
等離子劃片是近年來興起的一項(xiàng)全新的圓片劃片技術(shù),它是采用等離子刻蝕技術(shù)在圓片劃片槽中形成窄小的蝕刻槽,使得芯片分離,與其他幾種劃片技術(shù)相比,可以一次性同步完成所有芯片的劃片,無需先后對所有劃片槽進(jìn)行分步切割,其劃片速度與芯片大小無關(guān),僅與圓片厚度相關(guān),劃片效率明顯提升,是對現(xiàn)有劃片技術(shù)的一個(gè)顛覆。本文重點(diǎn)介紹這種先進(jìn)的圓片劃片技術(shù)。
2 等離子劃片原理
等 離 子 劃 片 技 術(shù) 源 于 ON Semiconductors 和Plasma-Therm 的專利授權(quán),由 DISCO 公司開發(fā)成一種商用技術(shù)。等離子劃片的技術(shù)核心是等離子刻蝕工藝,即博世公司的深反應(yīng)離子刻蝕工藝(DRIE),是一種微電子圓片制造過程中的硅材料干法腐蝕工藝,以博世公司開發(fā)的基于氟基氣體的具有高深寬比的硅刻蝕工藝最具代表性,即 Bosch 工藝,其典型工藝過程如圖 1 所示。Bosch 工藝中使用兩種含氟氣體 C 4 F 8 、SF 6 ,在第一套射頻電源的螺旋線圈產(chǎn)生感應(yīng)耦合的電場作用下,刻蝕氣體輝光放電產(chǎn)生高密度等離子體,其中 C 4 F 8 生成聚合物,分別沉積在側(cè)壁和底部,形成抗腐蝕膜,以阻止側(cè)向刻蝕,該過程為鈍化過程;SF 6 為刻蝕氣體,SF 6 產(chǎn)生的等離子體首先對表面及底部沉積的聚合物進(jìn)行轟擊,然后大流量的等離子體開始刻蝕硅。由于 SF 6 對于硅有較高的刻蝕選擇比,側(cè)壁的聚合物刻蝕速率較慢,所以形成一個(gè)深寬比較大(~ 20:1)的溝槽,此過程為刻蝕過程。在 Bosch 工藝中鈍化和刻蝕過程交替進(jìn)行,一個(gè)完整的深反應(yīng)刻蝕過程由數(shù)個(gè)鈍化 - 刻蝕循環(huán)組成。日本 Panasonic 公司開發(fā)了類似的等離子劃片技術(shù),二者采用的是相同的深反應(yīng)刻蝕工藝原理,同樣實(shí)現(xiàn)了商用化。
在圓片制造中,Bosch 工藝主要應(yīng)用于 MEMS器件的結(jié)構(gòu)形成以及 TSV 中的通孔制作。DISCO 公司聯(lián)合 ON Semiconductors 和 Plasma-Therm,巧妙利用了 DRIE 工藝原理,通過針對性的優(yōu)化和改進(jìn),成功開發(fā)出一種圓片劃片工藝技術(shù)。
SF 6 對于圓片表面不同鈍化層的刻蝕速率是不同的,等離子刻蝕工藝也正是利用刻蝕氣體不同的刻蝕選擇比來實(shí)現(xiàn)正??涛g過程。所謂刻蝕選擇比 S R 是指同一刻蝕條件下,被刻蝕材料(即主體材料)的刻蝕速率與另一種材料(如光刻膠、PI 等屏蔽材料)的刻蝕速率之比,即:S R = E f / E r ,其中,E f 為被刻蝕材料的刻蝕速率,E r 為屏蔽材料的刻蝕速率。
SF 6 氣體對 Si 材料的刻蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 SiO 2 、Si 3 N 4 和 PI,PI 刻蝕速率慢,即 Si 對 PI 的刻蝕選擇比較高,故通常選擇厚度大于 5 μm 的 PI 層來作為屏蔽層。光刻膠 PR 也是一種較好的屏蔽層。
典型的等離子劃片側(cè)壁形貌如圖 2 所示。與標(biāo)準(zhǔn)的硅刻蝕工藝不同,等離子劃片僅僅是劃片槽中的局部硅材料區(qū)域進(jìn)行刻蝕,也就是說適用于等離子劃片的圓片與傳統(tǒng)的圓片有所不同,前者需要在劃片槽的刻蝕區(qū)域暴露出需要刻蝕的硅本體材料,其他區(qū)域須被屏蔽層所覆蓋,否則其他區(qū)域會被同時(shí)刻蝕。
3 等離子劃片工藝流程
典型的等離子劃片工藝流程如圖 3 所示。
(1)減薄
按照工藝要求,將圓片減薄至設(shè)計(jì)厚度。通常情況下,減薄屬于劃片上工序。在等離子劃片中,減薄成為工序的一部分,目的是降低等離子刻蝕過程中產(chǎn)生的熱量。
(2)涂膠
在圓片表面涂覆光刻膠,通常采用 PI 作為刻蝕屏蔽層。所用設(shè)備為前道圓片制造中的標(biāo)準(zhǔn)涂膠設(shè)備及工藝。
(3)光刻
按照圓片厚度計(jì)算劃片槽刻蝕寬度,在劃片槽中光刻出所需圖形。通常按照圓片厚度與刻蝕寬度比小于 20:1 的原則選擇劃片槽刻蝕寬度。
(4)貼膜
按照不同的劃片方向(正面劃片或背面劃片),在圓片背面或正面貼上劃片膜(包括環(huán)框)。
(5)等離子刻蝕
對圓片正面或背面進(jìn)行等離子刻蝕。以硅圓片為例,通常采用 C 4 F 8 、SF 6 兩種刻蝕氣體交替使用,其中C 4 F 8 用以鈍化,SF 6 用以刻蝕。去膠等離子刻蝕后,采用去膠機(jī)去除多余的光刻膠。
(6)摘片
最后摘取劃開的芯片,完成整個(gè)等離子劃片過程。
4 等離子劃片的優(yōu)勢
等離子劃片本質(zhì)上屬于一種化學(xué)反應(yīng),被刻蝕的硅材料與刻蝕氣體發(fā)生反應(yīng),其反應(yīng)生成物形成氣體而被真空清除,因此與傳統(tǒng)的刀片劃片工藝和激光劃片工藝相比是一種清潔的劃片工藝,其主要優(yōu)勢包括:
(1)超強(qiáng)的芯片強(qiáng)度
等離子劃片過程中隨著刻蝕氣體的持續(xù)轟擊作用,雖然圓片本身會發(fā)熱,但經(jīng)過合理的冷卻裝置,實(shí)際圓片發(fā)熱遠(yuǎn)低于激光劃片時(shí)由于硅材料的加熱氣化所產(chǎn)生的熱量,也沒有刀片劃片時(shí)高速切割過程中引入的機(jī)械應(yīng)力,因此,采用等離子劃片獲得的芯片不存在崩邊、裂紋等常規(guī)劃片工藝中存在的常見問題,芯片強(qiáng)度明顯改善。
(2)超高的劃片速度
與傳統(tǒng)的刀片劃片、激光劃片工藝不同,等離子劃片過程中一張圓片所有劃片槽被同時(shí)刻蝕,圓片刻蝕速度與圓片厚度相關(guān)而與芯片大小無關(guān),借助于等離子刻蝕氣體的高刻蝕選擇比,刻蝕速率可以達(dá)到每分鐘幾十微米,同樣厚度圓片的劃片速度是刀片劃片速度的 4 倍以上。
(3)可切割各種形狀芯片
得益于對硅材料的高選擇性刻蝕特性,等離子劃片可以實(shí)現(xiàn)任意形狀的芯片劃片,僅僅需要根據(jù)所要劃片的形狀在劃片槽中暴露出適當(dāng)寬度的硅區(qū)域。相比之下,常規(guī)刀片劃片、激光劃片等工藝只能對排列規(guī)則、方形尺寸的芯片進(jìn)行切割。
此外,等離子劃片后芯片角部通常為圓形,而不是常規(guī)劃片的直角,因而可以大大降低芯片崩邊、崩角現(xiàn)象。圖 4 為典型的等離子劃片外形,其中包括一些特殊器件如呈現(xiàn)圓形的 MEMS,而這種圓形芯片采用常規(guī)劃片工藝是很難實(shí)現(xiàn)的。
(4)可適應(yīng)多種圓片材料
采用不同的刻蝕氣體可適應(yīng)不同圓片材料的刻蝕,如含氟氣體 SF 6 等可適合于硅圓片的劃片,而選用含氯氣體如 HCl 以及其他氣體組合可用于 SiC、GaN 圓片的劃片。
當(dāng)然等離子刻蝕并非適用于各種材料的劃片,如采用藍(lán)寶石基底材料的 LED 圓片就很難采用等離子劃片工藝,這是因?yàn)樗{(lán)寶石的成分為 Al 2 O 3 ,Al 2 O 3 中的Al-O化學(xué)鍵極其牢固,常見的等離子很難打破Al-O鍵。
表 1 從芯片尺寸、劃片效率、芯片完整性及強(qiáng)度等方面對等離子劃片、刀片劃片、激光隱形切割劃片工藝技術(shù)進(jìn)行了比較。
可以看出,等離子劃片技術(shù)在劃片效率、芯片完整性及芯片強(qiáng)度等方面具有明顯優(yōu)勢。劃片速度約是激光隱形切割速度的 2.5 倍,比常規(guī)刀片劃片速度快3.5 倍 ;采用等離子劃片,芯片完整性更佳,崩邊問題可以規(guī)避 ;而采用等離子劃片后的芯片強(qiáng)度大約是
采用常規(guī)刀片劃片后芯片強(qiáng)度的 4.2 倍。DISCO 公司對等離子劃片、刀片劃片的生產(chǎn)成本進(jìn)行了一個(gè)統(tǒng)計(jì)比較,見圖 5??梢钥闯鰣A片厚度小于 100 μm、劃片后芯片尺寸小于 100 μm×100 μm時(shí),采用等離子劃片成本上有優(yōu)勢。
5 工程應(yīng)用及其推廣成本
從等離子劃片工藝原理可以看出,這是一種有別于常規(guī)劃片工藝的新型劃片工藝。該工藝技術(shù)充分利用了先進(jìn)的半導(dǎo)體制造技術(shù),前道工藝完美應(yīng)用在了后道封裝工藝中。由于與主流的半導(dǎo)體制造技術(shù)兼容,等離子劃片工藝可以應(yīng)用于目前市場上主流半導(dǎo)體圓片的切割。如硅圓片、鍺圓片、氮化鎵圓片、砷化鎵圓片等均可以采用等離子劃片工藝,劃片尺寸涵蓋76~300 mm直徑范圍。產(chǎn)品類型包括功率器件、RFID、LED、紅外傳感器、MEMS、通用 CMOS 器件等。
由于等離子劃片系一次性完成整張圓片的刻蝕,劃片速度僅與圓片厚度相關(guān),故具有傳統(tǒng)劃片工藝連續(xù)劃片所無法比擬的劃片速度,尤其適合于尺寸小、厚度薄、芯片數(shù)量多的圓片劃片,從表 1、圖 5可以看出,100 μm 厚、200 mm 圓片切割 1 mm 2 芯片采用等離子劃片,生產(chǎn)效率是刀片劃片的 4 倍以上,同時(shí)成本優(yōu)勢更加明顯。當(dāng)圓片厚度減薄至 50 μm時(shí),傳統(tǒng)的刀片劃片會面臨碎片等風(fēng)險(xiǎn),只能借助復(fù)雜的 DBG 工藝加以規(guī)避,而采用等離子劃片工藝就可以輕松快速完成劃片,且不會造成碎片等異常,在保證成品率的同時(shí),芯片強(qiáng)度得以提升(大約是采用刀片劃片的 4 倍)。
傳統(tǒng)劃片工藝在處理多項(xiàng)目圓片(MPW)時(shí)通常會面臨一些困難,特別是針對由多個(gè)尺寸不規(guī)則芯片的 MPW,劃片過程會變得非常復(fù)雜。若是只需要在整張圓片上進(jìn)行切割,通常必須做出一些取舍,即只能保留一些指定的目標(biāo)芯片,而部分或多個(gè)其他芯片必須做出犧牲。倘若要求將圓片中的所有芯片全部保留的話,則必須首先將一張圓片先切割成多個(gè)具有芯片組合的小塊(block),然后將這些 block 轉(zhuǎn)移至另外一張劃片膜中,這些 block 必須按照較高的放置精度排列,然后再進(jìn)行第二次切割而分成更小的block。重復(fù)上述操作,直到所有的芯片被一一切割分離。如果 block 放置精度不滿足劃片要求,則只能有一個(gè)或少量幾個(gè) block 被轉(zhuǎn)移至新的劃片膜中,切割效率很低,同時(shí)切割質(zhì)量也難以保證。相比之下,等離子劃片技術(shù)無需如此復(fù)雜的流程,只要在所需要劃片的 MPW 中預(yù)留了劃片區(qū),可以一次性完成所有芯片的切割,這也是傳統(tǒng)劃片技術(shù)無法比擬的絕對優(yōu)勢。因此等離子劃片技術(shù)在 MPW 的劃片中有很好的應(yīng)用前景。
在一些特殊的應(yīng)用中,對于如 MEMS、Image sensor 等對顆粒物敏感的芯片,等離子劃片作為一種清潔、劃片過程無灰塵產(chǎn)生的潔凈劃片工藝,更是有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。對于 RFID 等劃片槽僅有 30~40 μm的微小尺寸器件,等離子劃片可以規(guī)避激光隱形切割中后擴(kuò)片引入的微裂紋隱患,劃片成品率更高,成本優(yōu)勢尤其明顯。
采用等離子劃片還可以避免刀片劃片工藝中劃片槽 PCM 圖形中的金屬條卷曲、脫落現(xiàn)象,可完全滿足高可靠應(yīng)用中芯片鏡檢要求。
此外,在 2.5D、3D 集成封裝中,如有機(jī)基板、陶瓷基板的異質(zhì)堆疊,不同 TCE 材料會引入應(yīng)力,超薄芯片邊緣切割缺陷對此類產(chǎn)品的抗溫變能力以及封裝可靠性有影響,等離子劃片能較好地解決圓片切割引起的芯片邊緣缺陷問題。
目前該技術(shù)為日本 DISCO、Panasonic 及美國幾家公司擁有,其設(shè)備造價(jià)較高,加上需要額外的涂膠、光刻、去膠等專用設(shè)備,對于傳統(tǒng)的封裝線而言,前期投入較大,市場普及率不高,遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)的刀片劃片、激光劃片技術(shù)那樣被業(yè)界廣泛應(yīng)用。雖然等離子劃片在劃片速度上較之刀片劃片、激光劃片有明顯的優(yōu)勢,但如果將涂膠、光刻、去膠等工序計(jì)算在內(nèi),僅劃片速度的優(yōu)勢將不復(fù)存在。前期投入大、需要相應(yīng)的輔助工序,帶來較高的推廣成本,這些正是等離子劃片工藝應(yīng)用中的最大不足之處。
6 結(jié)束語
等離子劃片技術(shù)是繼激光隱形切割技術(shù)之后的又一種先進(jìn)劃片工藝技術(shù),借鑒了半導(dǎo)體圓片制造中先進(jìn)的干法刻蝕技術(shù),通過一次性同步刻蝕在整張圓片中形成所有劃道,若僅考慮切割速率,是常規(guī)刀片劃片速率的 4 倍以上,對小尺寸芯片劃片生產(chǎn)效率的提升尤其明顯。通過獲得的更加圓滑的切割邊緣,在保證芯片完整性的同時(shí)還改善了芯片的機(jī)械強(qiáng)度,對于超薄芯片而言,可靠性及成品率優(yōu)勢更明顯,是一種有潛力的劃片工藝技術(shù)。
隨著我國半導(dǎo)體制造設(shè)備的快速發(fā)展,干法刻蝕技術(shù)及裝備已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步,目前國內(nèi)等離子劃片機(jī)擁有量較低,倘若現(xiàn)階段充分利用這些等離子刻蝕機(jī)以及相關(guān)光刻設(shè)備資源,在等離子劃片技術(shù)及裝備上加大研發(fā)投入,應(yīng)該有可能快速開發(fā)出我國自有品牌的等離子劃片系統(tǒng),并可能占有市場,從而提升我國半導(dǎo)體制造設(shè)備的國產(chǎn)化水平及進(jìn)程。