新一代晶圆划片技木
2007/11/30 15:12:00
l 传统划片技术所面临的难题
随着向轻薄短小的发展趋势，IC的封装也起了很大的变化．如记忆体IC，已由早期的单一chip变成多层chip堆栈的封装，一颗IC里叠了7、8层芯粒(chip)，韩国三星半导体今年稍早更公开展示了其超薄晶圆的封装技术已达16层的堆栈，而封装后的尺寸还要比原来同容量的IC更小。因此芯片的厚度也由650μm一路减薄至120、100、75、50、25、20 μm。当厚度降到100 μm以卜，传统的划片技术已经山现问题，产能节节下降，破片率大幅攀升。芯片在此阶断价值不斐，几个百分点的破片率可能吃掉工厂辛苦创造的利润。
另外，晶圆的制造技术中，为了提升效能，采用了low-k材料，在其结构中有多层的金属和一些易碎的材料。当传统钻石刀片遇到这些延展性高的金属层，钻石颗粒极易被金属削包住而失去部份切削能力，在此情况下进刀，极易造成破片或断刀。
其实，除了先进的IC之外，在传统二极管(Diode)的晶圆划片，钻石刀同样有许多无法满足业界需求的地方：比如Gpp晶圆的划片，机械方式的磨削造成玻璃批覆层严重破损而导致绝缘不良和严重漏电，为了克服这一问题，业界只好自求多福发展出各种复杂的工艺去弥补这项缺陷。将玻璃层只长在切割道(Cutting Street)两旁。对方形晶粒而言，这个方式已被业界延用多年。但对六角型晶粒(Hexagonal Dice)而言，还存在问题，即六角型每边的三角型被浪费。在每一分一毫都需计较的二极体行业，30％～40％主原料(芯片)的损失是极可怕的。通过新的技术，这些长期以来的失血，是完全可以被止住。
在以蓝宝石为基板的高亮度LED晶圆的划片．亦存在严重的划片问题。传统的蓝宝石晶圆的划片_丰要有2种方式：用钻石笔或钻石刀片。在蓝宝石晶圆上先划很浅的线，再裂片。由于蓝宝石材质本身相当硬，无论选哪种方式，工具的损耗都非常严重；裂片后，整体良品率也不高。这些长期困扰LED、业界的问题，现在随着紫外激光划片系统的运用，已大为改善。
在微机电(MEMS)方面，有越来越多的芯片需要打孔、异形孔开孔和局部减薄等加工。玻璃与硅片键合在一起的复合芯片的切割、披覆有钻石层的芯片，以及复杂微结构之芯片切割等，都不是钻石刀片所能胜任的。而这些产品的市场需求却不断成长，迫使业界寻找新一代的划片解决方案。
2 激光划片顺势崛起
激光划片其实在多年前已被使用，光源多为1 064 nm的Nd：YAG，在某些低阶应用方面的品质尚可接受，但在集成电路的加工处理中，鉴于其过大热影响区、污染严重、热变形严重等缺陷，始终无法被认可。近年来，紫外激光技术渐趋成熟，其切割质量比l 064 nm的激光源改进很多，特别是在蓝宝石晶圆的划片应用中，其优势极为明显，已渐成为业界主流解决方案。在各类激光解决方案中，最为特殊且鲜为人知的则是世界专利之瑞士微水刀激光技术。该技术在许多方面的表现确有其独到之处，尤其在消除热影响区方面表现优异。微水刀激光划片技术已获得全球半导体封装大厂的认同和采用，特别是针对超薄晶圆、LOW-k晶圆、钻石披覆晶圆、二极管玻璃钝化晶圆、微机电芯片、复合晶圆以及异形晶粒的划片切割，都有不俗的表现。
3 微水刀激光科技
3．1 技术原理
几千年来"水火不融"的观念于1993年被瑞士杰出的科学家Dr．Bernold Richerzhagen打破。他巧妙地结合水刀技术和激光技术的优点，创造出微水刀激光(Laser Micro Jet)。更精确的说法是水导激光(Water Jet Guided Laser)。他将激光聚焦后导入比发丝还细的微水柱中，从而引导光束，并冷却工件，消除了传统激光热影响区(Heat Affected Zone)过大的缺陷。大大提高了激光切割的质量，因而非常适合半导体、医疗器材、电子、航天等高精密、高洁净要求的加工。
从图l可看出激光束(Laser Beam)由上方导入，经过聚焦镜及水腔(Water Chamber)的窗户进入，聚焦于喷嘴(Nozzle)的圆心．
低压纯净水从水腔左边进入，经钻石喷嘴（Diamond Nozzle)上的微孔喷出。由于喷嘴考虑到流体力学的设计，出来的水柱像光纤一样既直又圆。水柱的直径根据喷嘴孔径而异，一般比人的头发还细，有100～30 μm多种规格。激光被导入水柱中心，利用微水柱与空气界面全反射的原理，激光将沿着水柱行进。在水柱维持稳定不开花的范围内都能进行加工。通常有效的工作距离为喷嘴孔径的l 000倍。如喷嘴为100 μm，则其有效工作距离为1 00mm。这是传统激光所望尘莫及的，因为传统激光只能在焦点处加工。激光光源可选配不同的波长，只要该波长的能量不会被水吸收即可。精密加工常用的波长，1 064～355 nm。
另外，用于微加工的激光几乎都是脉冲激光(Pulsed Laser），传统激光不论是脉冲或连续，总会有能量残留在切割道上，该能量的累积和传导是造成烧伤切割道旁热损伤的主要原因。而微水刀激光因水柱的作用，将每个脉冲残留的热量迅速带走，不会累积在工件上，因此切割道干净利落。热影响区的困扰得到大幅改善。因此，Laser MicroJet技术才适用于半导体等高精密的应用。
3．2 特点
相对于传统激光，微水刀激光有很多显著的特点。如无热影响区(Zero Heat Affected Zone)，完全不烧伤工件，切割道干净利落、无熔渣、无毛刺、无热应力、无机械应力、无污染，极适合半导体、电子、医疗、航天等高精密器件切割加工。
微水刀激光适用于从金属到其合金的多种材料，如不锈钢、钛、钼、镁、镍、铜、Invar等，以及硅(Silicon)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等半导体材料，乃至碳化硅（Sic）、CBN、钻石、陶瓷、橡胶……软硬通吃。甚至可同时切割橡胶及不锈钢片而不烧伤橡胶层，这在传统激光是完全不可能的事情。
该项技术可用于切割、钻孔、挖槽、打印、表面热处理等多项极细微及复杂的形状加工。超薄硅片（Ultra Thin Silicon Wafer)切割速度比传统钻石刀快5～10倍，并且可以切任意形状，功能超强，在半导体芯片切割的应用上，突破了多年来芯片划片只能走直线的桎锢。从此设计者可以毫无限制地发挥其创意。
从图2、图3两张不锈钢切割的照片可清楚地看出热影响区(HAZ)大小所造成的差异。传统激光因热影响区过大，无法进行精微切割，大大限制了其应用领域。
微水刀激光(Laser Micro Jet)以其优异的断热切割技术，大幅开拓精密微加工的领域，催生了许多新产品、新工艺。
4 低介电系数材料和超薄晶圆的划片问题
原来只用于高阶产品的超薄晶圆(Ultra thin wafer)已经越来越普及，而且越来越薄。处理超薄晶圆不仅是Silicon substrate本身厚度的问题，在加上许多硬脆易碎及延展性高的金属Pad后，问题更加复杂。钻石刀片既使小心翼翼地切过Silicon substrate，但金属层的碎屑却可能包粘在钻石颗粒上，使切削能力大打折扣。此时若维持进刀速度，必然造成破片断刀的结果。各主要划片机厂，如Disco、TSK．等均转向激光，由此可见机械方式已经到了克服不了的困境。不幸的是激光也有激光的问题。在此，就钻石刀片，传统激光及微水刀激光的特性探讨如下：
4．1 钻石刀片
易造成wafer表面崩边或龟裂。遇金属层易断刀破片，切割速度慢，破片率高。但在切割Silicon substrate时断面平整，深度控制容易。在使用DAF(Die Attach Film)时可正好切穿DAF而不伤Blue Tape。
4．2 传统激光
传统激光(Conventional Laser)或称干式激光(Dry Laser)，因为热影响区的问题未克服，仅能用在低阶芯片，如太阳能芯片等。采用3倍频方式虽然有改善，但也只能划划线。如果切穿同样烧伤芯片和DAF及Blue Tape。
4．3 微水刀激光
可以轻易去除切割道表层材料及Silicon substrate。切割超薄片(50 μm)时速度比diamond saw快数倍。缺点为与干式激光同样会烧坏DAF，切割断面不如机械磨削光滑。
从上述看来各有所长，也各有缺陷。
4．4 解决方案
既然没有十全十美的方法，只好退而求其次。对Diamond Saw而言，难解决的是Wafer的表层材料。对微水刀激光而言，头痛的是会烧坏DAF。因此如各取所长，分成2个步骤处理，就差强人意。
首先用微水刀激光划浅浅的一刀，加工手段上称之为开槽(Grooving)，以清除切割道上所有的材料，不管是金属或易碎材料。微水刀激光可以选用与切割道(Cutting Street)同宽的喷嘴，像推土机一样一次推掉表层上各种找麻烦的材料，露出Silicon Substrate。再接着用Diamond Saw切穿silicon substrate和DAF，并刚好停在 Blue Tape表面上。
因为Grooving 只能去除表层几十微米的深度，微水刀激光可以250 mm/s的高速进行。就生产线的平衡来看，一台微水刀激光系统需至少5台以上Diamond Saw与之配合才消化得掉。
从设备投资的角度来看，这似乎是最有效益的方式。不仅不会因为引进新设备而闲置旧机器，反而会提高产能，真正相辅相成，相得益彰。
微水刀激光尚可从事异型晶粒切割，打通孔或盲孔等钻石刀具作不了的事情，见图4、图5。
5 瑞士喜诺发公司之半导体晶圆划片系列
全系列均配备高精度线性滑轨及CNC控制，TFT LC
随着向轻薄短小的发展趋势，IC的封装也起了很大的变化．如记忆体IC，已由早期的单一chip变成多层chip堆栈的封装，一颗IC里叠了7、8层芯粒(chip)，韩国三星半导体今年稍早更公开展示了其超薄晶圆的封装技术已达16层的堆栈，而封装后的尺寸还要比原来同容量的IC更小。因此芯片的厚度也由650μm一路减薄至120、100、75、50、25、20 μm。当厚度降到100 μm以卜，传统的划片技术已经山现问题，产能节节下降，破片率大幅攀升。芯片在此阶断价值不斐，几个百分点的破片率可能吃掉工厂辛苦创造的利润。
另外，晶圆的制造技术中，为了提升效能，采用了low-k材料，在其结构中有多层的金属和一些易碎的材料。当传统钻石刀片遇到这些延展性高的金属层，钻石颗粒极易被金属削包住而失去部份切削能力，在此情况下进刀，极易造成破片或断刀。
其实，除了先进的IC之外，在传统二极管(Diode)的晶圆划片，钻石刀同样有许多无法满足业界需求的地方：比如Gpp晶圆的划片，机械方式的磨削造成玻璃批覆层严重破损而导致绝缘不良和严重漏电，为了克服这一问题，业界只好自求多福发展出各种复杂的工艺去弥补这项缺陷。将玻璃层只长在切割道(Cutting Street)两旁。对方形晶粒而言，这个方式已被业界延用多年。但对六角型晶粒(Hexagonal Dice)而言，还存在问题，即六角型每边的三角型被浪费。在每一分一毫都需计较的二极体行业，30％～40％主原料(芯片)的损失是极可怕的。通过新的技术，这些长期以来的失血，是完全可以被止住。
在以蓝宝石为基板的高亮度LED晶圆的划片．亦存在严重的划片问题。传统的蓝宝石晶圆的划片_丰要有2种方式：用钻石笔或钻石刀片。在蓝宝石晶圆上先划很浅的线，再裂片。由于蓝宝石材质本身相当硬，无论选哪种方式，工具的损耗都非常严重；裂片后，整体良品率也不高。这些长期困扰LED、业界的问题，现在随着紫外激光划片系统的运用，已大为改善。
在微机电(MEMS)方面，有越来越多的芯片需要打孔、异形孔开孔和局部减薄等加工。玻璃与硅片键合在一起的复合芯片的切割、披覆有钻石层的芯片，以及复杂微结构之芯片切割等，都不是钻石刀片所能胜任的。而这些产品的市场需求却不断成长，迫使业界寻找新一代的划片解决方案。
2 激光划片顺势崛起
激光划片其实在多年前已被使用，光源多为1 064 nm的Nd：YAG，在某些低阶应用方面的品质尚可接受，但在集成电路的加工处理中，鉴于其过大热影响区、污染严重、热变形严重等缺陷，始终无法被认可。近年来，紫外激光技术渐趋成熟，其切割质量比l 064 nm的激光源改进很多，特别是在蓝宝石晶圆的划片应用中，其优势极为明显，已渐成为业界主流解决方案。在各类激光解决方案中，最为特殊且鲜为人知的则是世界专利之瑞士微水刀激光技术。该技术在许多方面的表现确有其独到之处，尤其在消除热影响区方面表现优异。微水刀激光划片技术已获得全球半导体封装大厂的认同和采用，特别是针对超薄晶圆、LOW-k晶圆、钻石披覆晶圆、二极管玻璃钝化晶圆、微机电芯片、复合晶圆以及异形晶粒的划片切割，都有不俗的表现。
3 微水刀激光科技
3．1 技术原理
几千年来"水火不融"的观念于1993年被瑞士杰出的科学家Dr．Bernold Richerzhagen打破。他巧妙地结合水刀技术和激光技术的优点，创造出微水刀激光(Laser Micro Jet)。更精确的说法是水导激光(Water Jet Guided Laser)。他将激光聚焦后导入比发丝还细的微水柱中，从而引导光束，并冷却工件，消除了传统激光热影响区(Heat Affected Zone)过大的缺陷。大大提高了激光切割的质量，因而非常适合半导体、医疗器材、电子、航天等高精密、高洁净要求的加工。
从图l可看出激光束(Laser Beam)由上方导入，经过聚焦镜及水腔(Water Chamber)的窗户进入，聚焦于喷嘴(Nozzle)的圆心．
低压纯净水从水腔左边进入，经钻石喷嘴（Diamond Nozzle)上的微孔喷出。由于喷嘴考虑到流体力学的设计，出来的水柱像光纤一样既直又圆。水柱的直径根据喷嘴孔径而异，一般比人的头发还细，有100～30 μm多种规格。激光被导入水柱中心，利用微水柱与空气界面全反射的原理，激光将沿着水柱行进。在水柱维持稳定不开花的范围内都能进行加工。通常有效的工作距离为喷嘴孔径的l 000倍。如喷嘴为100 μm，则其有效工作距离为1 00mm。这是传统激光所望尘莫及的，因为传统激光只能在焦点处加工。激光光源可选配不同的波长，只要该波长的能量不会被水吸收即可。精密加工常用的波长，1 064～355 nm。
另外，用于微加工的激光几乎都是脉冲激光(Pulsed Laser），传统激光不论是脉冲或连续，总会有能量残留在切割道上，该能量的累积和传导是造成烧伤切割道旁热损伤的主要原因。而微水刀激光因水柱的作用，将每个脉冲残留的热量迅速带走，不会累积在工件上，因此切割道干净利落。热影响区的困扰得到大幅改善。因此，Laser MicroJet技术才适用于半导体等高精密的应用。
3．2 特点
相对于传统激光，微水刀激光有很多显著的特点。如无热影响区(Zero Heat Affected Zone)，完全不烧伤工件，切割道干净利落、无熔渣、无毛刺、无热应力、无机械应力、无污染，极适合半导体、电子、医疗、航天等高精密器件切割加工。
微水刀激光适用于从金属到其合金的多种材料，如不锈钢、钛、钼、镁、镍、铜、Invar等，以及硅(Silicon)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等半导体材料，乃至碳化硅（Sic）、CBN、钻石、陶瓷、橡胶……软硬通吃。甚至可同时切割橡胶及不锈钢片而不烧伤橡胶层，这在传统激光是完全不可能的事情。
该项技术可用于切割、钻孔、挖槽、打印、表面热处理等多项极细微及复杂的形状加工。超薄硅片（Ultra Thin Silicon Wafer)切割速度比传统钻石刀快5～10倍，并且可以切任意形状，功能超强，在半导体芯片切割的应用上，突破了多年来芯片划片只能走直线的桎锢。从此设计者可以毫无限制地发挥其创意。
从图2、图3两张不锈钢切割的照片可清楚地看出热影响区(HAZ)大小所造成的差异。传统激光因热影响区过大，无法进行精微切割，大大限制了其应用领域。
微水刀激光(Laser Micro Jet)以其优异的断热切割技术，大幅开拓精密微加工的领域，催生了许多新产品、新工艺。
4 低介电系数材料和超薄晶圆的划片问题
原来只用于高阶产品的超薄晶圆(Ultra thin wafer)已经越来越普及，而且越来越薄。处理超薄晶圆不仅是Silicon substrate本身厚度的问题，在加上许多硬脆易碎及延展性高的金属Pad后，问题更加复杂。钻石刀片既使小心翼翼地切过Silicon substrate，但金属层的碎屑却可能包粘在钻石颗粒上，使切削能力大打折扣。此时若维持进刀速度，必然造成破片断刀的结果。各主要划片机厂，如Disco、TSK．等均转向激光，由此可见机械方式已经到了克服不了的困境。不幸的是激光也有激光的问题。在此，就钻石刀片，传统激光及微水刀激光的特性探讨如下：
4．1 钻石刀片
易造成wafer表面崩边或龟裂。遇金属层易断刀破片，切割速度慢，破片率高。但在切割Silicon substrate时断面平整，深度控制容易。在使用DAF(Die Attach Film)时可正好切穿DAF而不伤Blue Tape。
4．2 传统激光
传统激光(Conventional Laser)或称干式激光(Dry Laser)，因为热影响区的问题未克服，仅能用在低阶芯片，如太阳能芯片等。采用3倍频方式虽然有改善，但也只能划划线。如果切穿同样烧伤芯片和DAF及Blue Tape。
4．3 微水刀激光
可以轻易去除切割道表层材料及Silicon substrate。切割超薄片(50 μm)时速度比diamond saw快数倍。缺点为与干式激光同样会烧坏DAF，切割断面不如机械磨削光滑。
从上述看来各有所长，也各有缺陷。
4．4 解决方案
既然没有十全十美的方法，只好退而求其次。对Diamond Saw而言，难解决的是Wafer的表层材料。对微水刀激光而言，头痛的是会烧坏DAF。因此如各取所长，分成2个步骤处理，就差强人意。
首先用微水刀激光划浅浅的一刀，加工手段上称之为开槽(Grooving)，以清除切割道上所有的材料，不管是金属或易碎材料。微水刀激光可以选用与切割道(Cutting Street)同宽的喷嘴，像推土机一样一次推掉表层上各种找麻烦的材料，露出Silicon Substrate。再接着用Diamond Saw切穿silicon substrate和DAF，并刚好停在 Blue Tape表面上。
因为Grooving 只能去除表层几十微米的深度，微水刀激光可以250 mm/s的高速进行。就生产线的平衡来看，一台微水刀激光系统需至少5台以上Diamond Saw与之配合才消化得掉。
从设备投资的角度来看，这似乎是最有效益的方式。不仅不会因为引进新设备而闲置旧机器，反而会提高产能，真正相辅相成，相得益彰。
微水刀激光尚可从事异型晶粒切割，打通孔或盲孔等钻石刀具作不了的事情，见图4、图5。
5 瑞士喜诺发公司之半导体晶圆划片系列
全系列均配备高精度线性滑轨及CNC控制，TFT LC
投诉建议
提交
查看更多评论
其他资讯
助力企业恢复“战斗状态”：MyMRO我的万物集·固安捷升级开工场景方案
车规MOSFET技术确保功率开关管的可靠性和强电流处理能力
未来十年, 化工企业应如何提高资源效率及减少运营中的碳足迹?
2023年制造业“开门红”，抢滩大湾区市场锁定DMP工博会
2023钢铁展洽会4月全新起航 将在日照触发更多商机