什么是晶圓的切割劃片技術(shù)

 轉(zhuǎn)載來源：芯片技術(shù)與工藝

作者 | 北灣南巷

出品 | 芯片技術(shù)與工藝

晶圓切割劃片技術(shù)作為半導體制造流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其技術(shù)水平直接關(guān)聯(lián)到芯片的性能、良率及生產(chǎn)成本。                     

#01

晶圓切割的背景與意義

1.1 晶圓切割的定義

    晶圓切割（或稱劃片）是半導體制造流程中的重要環(huán)節(jié)，其目的是將經(jīng)過多道工序處理的晶圓分割成多個獨立的晶粒。這些晶粒通常含有完整的電路功能，是最終用于制造電子產(chǎn)品的核心組件。隨著芯片設計復雜度和尺寸的縮小，對晶圓切割技術(shù)的精度和效率要求也越來越高。

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在實際操作中，晶圓切割通常采用金剛石刀片等高精度切割工具，以確保每個晶粒保持完整、功能正常。切割前的準備、切割過程中的精確控制及切割后的質(zhì)量檢測均是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中，切割前需要對晶圓進行標記和定位，確保切割路徑準確無誤；切割過程中，需要對刀具的壓力、速度等參數(shù)進行嚴格控制，以防止損壞晶圓；切割后還需進行全面的質(zhì)量檢測，確保每一顆芯片符合性能標準。          晶圓切割劃片技術(shù)的基本原理不僅僅包括切割設備的選擇和工藝參數(shù)的設置，還涉及到材料的力學性能和材料特性對切割質(zhì)量的影響。例如，低-k介質(zhì)硅晶圓因其力學性能較差，在切割過程中極易受到應力集中影響，從而引發(fā)崩裂、裂紋等失效問題。低-k材料的低硬度和脆性使其在受到機械力或熱應力時更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，特別是在切割過程中，刀具與晶圓表面的接觸和高溫會進一步加劇應力集中。

  ?隨著材料科學的進步，晶圓切割技術(shù)不僅應用于傳統(tǒng)硅基半導體，還擴展至氮化鎵等新型半導體材料。這些新材料由于其硬度和結(jié)構(gòu)特性，給切割工藝帶來了新的挑戰(zhàn)，需要進一步改進切割工具和技術(shù)。 

晶圓切割作為半導體產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵工藝，隨著需求的變化和技術(shù)的進步，仍在不斷優(yōu)化，為未來的微電子和集成電路技術(shù)奠定基礎(chǔ)。除了輔助材料和工具的開發(fā)，晶圓切割技術(shù)的改進還涵蓋了工藝流程優(yōu)化、設備性能提升以及切割參數(shù)的精確控制等多個方面。這些改進旨在確保晶圓切割過程的高精度、高效率和穩(wěn)定性，以滿足半導體行業(yè)對更小尺寸、更高集成度和更復雜結(jié)構(gòu)芯片的需求。

 1.2 晶圓切割的重要性 

晶圓切割在半導體制造流程中扮演著關(guān)鍵角色，直接影響后續(xù)工序以及最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。以下從幾個方面詳細說明晶圓切割的重要性。

 首先，切割精準度和一致性是確保芯片成品率和可靠性的關(guān)鍵。在制造過程中，晶圓經(jīng)過多道工序后形成了多個微小電路結(jié)構(gòu)，需要精確劃分為獨立的芯片（晶粒）。如果切割過程中的定位或切割誤差較大，可能導致電路受損，進而影響芯片的功能與可靠性。因此，高精度的切割技術(shù)不僅能保證每顆芯片保持完整性，還能避免芯片內(nèi)部電路損壞，提高成品率。

其次，晶圓切割對生產(chǎn)效率和成本控制有著顯著影響。晶圓切割作為制造流程中的重要步驟，其效率直接影響后續(xù)工序的進度。通過優(yōu)化切割工藝，提高設備的自動化程度和切割速度，可以顯著提升整體生產(chǎn)效率。另一方面，切割時的材料損耗也是企業(yè)控制成本的重要環(huán)節(jié)。使用先進的切割技術(shù)不僅能減少切割過程中不必要的材料浪費，還能提高晶圓的利用率，進而降低生產(chǎn)成本。

隨著半導體技術(shù)的進步，晶圓的直徑不斷增大，電路密度也隨之增加，這對切割技術(shù)提出了更高的要求。大尺寸晶圓需要更加精確的切割路徑控制，尤其是在高密度電路區(qū)域，任何細小的偏差都可能導致多個芯片失效。此外，更大的晶圓意味著更多的切割線和更復雜的工藝步驟，切割技術(shù)必須進一步提升其精準度、一致性和效率，以應對這些挑戰(zhàn)。

 1.3 晶圓切割的工藝流程

晶圓切割的工藝流程涵蓋了從準備階段到最終的質(zhì)量檢查，每個步驟都至關(guān)重要，以確保切割后的芯片質(zhì)量和性能。以下是對各個階段的詳細闡述。

       晶圓切割流程涉及晶圓清洗、定位、切割、清洗、檢測和分揀，每一個步驟都至關(guān)重要。隨著自動化、激光切割、AI檢測技術(shù)的進步，現(xiàn)代晶圓切割系統(tǒng)能實現(xiàn)更高的精度、速度和更低的損耗。未來，激光和等離子等新型切割技術(shù)將逐步取代傳統(tǒng)刀片切割，以適應更復雜的芯片設計需求，進一步推動半導體制造工藝的發(fā)展。 

#02

晶圓切割技術(shù)及其原理

     圖中展示了三種常見的晶圓切割技術(shù)，分別為機械刀片劃片（Blade Dicing）、激光劃片（Laser Dicing）和等離子切割（Plasma Dicing）。下面對這三種技術(shù)進行詳細解析并補充說明：

 在半導體制造過程中，晶圓的切割是一個關(guān)鍵步驟，它要求根據(jù)晶圓的厚度選擇合適的切割方法。首先，需要判斷晶圓的厚度。如果晶圓的厚度超過100微米，可以選擇刀片切割方法進行切割。如果刀片切割不適用，可以轉(zhuǎn)向斷裂切割法，該方法包括劃痕切割和刀片切割兩種方式。

?                      當晶圓的厚度在30至100微米之間時，推薦使用DBG（Dice Before Grinding，即先切割再研磨）的方法。在這種情況下，可以選擇劃痕切割、刀片切割，或者根據(jù)需要改變切割順序以達到最佳效果。 

對于厚度小于30微米的超薄晶圓，激光切割成為首選方法，因為它能夠精確地切割薄晶圓而不會造成過多的損傷。如果激光切割無法滿足特定要求，可以采用等離子體切割方法作為替代方案。這個流程圖提供了一個明確的決策路徑，確保在不同厚度條件下選擇最合適的晶圓切割技術(shù)。 

2.1 機械切割技術(shù) 

機械切割技術(shù)是晶圓切割中的傳統(tǒng)方法，其核心原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的金剛石砂輪劃切刀具對晶圓進行切割。關(guān)鍵設備包括空氣靜壓主軸，它通過高速驅(qū)動金剛石砂輪刀具，沿預設的切割路徑進行精確切割或開槽操作。該技術(shù)因其低成本、高效率及廣泛的適用性，成為行業(yè)內(nèi)廣泛使用的方案。

             優(yōu)勢

???? 金剛石砂輪刀具的高硬度與耐磨性使得機械切割技術(shù)能夠適應多種晶圓材料的切割需求，不論是傳統(tǒng)的硅基材料，還是新型的化合物半導體。其操作簡單，技術(shù)要求相對較低，進一步推動了其在大規(guī)模生產(chǎn)中的普及。此外，該技術(shù)相較于其他切割方式，如激光切割，成本更為可控，適合企業(yè)在批量生產(chǎn)中的需求。 

局限性 

盡管機械切割技術(shù)具有眾多優(yōu)點，但其局限性同樣不可忽視。首先，由于刀具與晶圓的物理接觸，其切割精度相對有限，容易產(chǎn)生尺寸偏差，影響芯片后續(xù)封裝和測試的準確性。其次，機械切割過程中易產(chǎn)生崩邊、裂紋等缺陷，這些缺陷不僅影響成品率，還可能對芯片的可靠性和使用壽命造成負面影響。這種機械應力引發(fā)的損傷對高密度芯片制造尤為不利，特別是在切割較脆的材料時，這些問題更加突出。

技術(shù)改進 

為了克服這些局限，研究人員不斷對機械切割工藝進行優(yōu)化。通過改進砂輪刀具的設計與材料選擇，提升其切割精度和耐用性是一項重要的改進措施。此外，優(yōu)化切割設備的結(jié)構(gòu)設計與控制系統(tǒng)，進一步提升了切割過程的穩(wěn)定性與自動化水平。這些改進減少了人為操作導致的誤差，提升了切割的一致性。引入先進的檢測與質(zhì)量控制技術(shù)，實時監(jiān)控切割過程中的異常情況，也有效提高了切割的可靠性和成品率。

未來發(fā)展與新技術(shù) 

盡管機械切割技術(shù)仍然在晶圓切割領(lǐng)域占據(jù)重要地位，隨著半導體工藝的進步，新的切割技術(shù)也在快速發(fā)展。例如，熱激光切割技術(shù)的應用為解決機械切割中的精度和缺陷問題提供了新的思路。這種非接觸式的切割方式能夠減少物理應力對晶圓的影響，大幅降低崩邊和裂紋的發(fā)生率，尤其適用于切割脆性較高的材料。未來，機械切割技術(shù)與新興切割技術(shù)的結(jié)合，將為半導體制造提供更廣泛的選擇和靈活性，進一步提升芯片的制造效率與質(zhì)量。

綜上所述，機械切割技術(shù)盡管存在一定的缺點，但通過持續(xù)的技術(shù)改進和與新型切割技術(shù)的結(jié)合，依然在半導體制造中發(fā)揮重要作用，并有望在未來工藝中保持其競爭力。

2.2 激光切割技術(shù) 

    激光切割技術(shù)作為晶圓切割中的新型方法，因其高精度、無機械接觸損傷以及快速切割等特點，逐漸在半導體行業(yè)中受到廣泛關(guān)注。該技術(shù)利用激光束的高能量密度和聚焦能力，在晶圓材料表面形成微小的熱影響區(qū)。當激光束作用于晶圓時，產(chǎn)生的熱應力會引發(fā)材料在預定位置斷裂，達到精確切割的效果

 激光切割技術(shù)的優(yōu)勢            

1. 高精度：激光束的精準定位能力可實現(xiàn)微米甚至納米級的切割精度，滿足現(xiàn)代高精度、高密度集成電路制造的要求。
2. 無機械接觸：激光切割無需接觸晶圓，避免了機械切割時常見的崩邊、裂紋等問題，顯著提高了芯片的成品率和可靠性。
3. 切割速度快：激光切割的高速度有助于提升生產(chǎn)效率，尤其適用于大規(guī)模、高速生產(chǎn)的場景。

面臨的挑戰(zhàn)            

1. 設備成本高：激光切割設備的初期投資較高，尤其對于中小規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)而言，推廣應用仍面臨經(jīng)濟壓力。
2. 工藝控制復雜：激光切割需要精確控制能量密度、焦點位置和切割速度等多個參數(shù)，工藝復雜性高。
3. 熱影響區(qū)問題：雖然激光切割的無接觸特性減少了機械損傷，但熱應力帶來的熱影響區(qū)可能對晶圓材料的性能產(chǎn)生不利影響，需進一步優(yōu)化工藝來減少這種影響。

技術(shù)改進方向           
為了解決這些問題，研究人員正著力于降低設備成本、提高切割效率和優(yōu)化工藝流程。            

1. 高效激光器與光學系統(tǒng)：通過研發(fā)更高效的激光器和先進的光學系統(tǒng)，不僅能夠降低設備成本，還能提升切割精度和速度。
2. 優(yōu)化工藝參數(shù)：深入研究激光與晶圓材料的相互作用，改進工藝以減少熱影響區(qū)，提升切割質(zhì)量。
3. 智能控制系統(tǒng)：開發(fā)智能控制技術(shù)，實現(xiàn)激光切割過程的自動化和智能化，提高切割過程的穩(wěn)定性和一致性。           
   激光切割技術(shù)在超薄晶圓和高精度切割場景中表現(xiàn)尤為出色。隨著晶圓尺寸的增大和電路密度的提升，傳統(tǒng)機械切割方法難以滿足現(xiàn)代半導體制造對高精度和高效率的需求，而激光切割因其獨特的優(yōu)勢，正逐漸成為這些領(lǐng)域的首選方案。           
   盡管激光切割技術(shù)仍面臨設備成本和工藝復雜性等挑戰(zhàn)，但其在高精度、無接觸損傷方面的獨特優(yōu)勢使其成為半導體制造領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。隨著激光技術(shù)和智能控制系統(tǒng)的不斷進步，激光切割在未來有望進一步提升晶圓切割的效率與質(zhì)量，推動半導體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

下接《什么是晶圓的切割劃片技術(shù)<2>》

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