新一代晶圆划片技木.doc

1 传统划片技术所面临的难题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 1 20、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 Dic e）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 微水刀激光科技微水刀激光科技3．．1 技术原理技术原理几千年来“水火不融“的观念于 1993 年被瑞士杰出的科学家 Dr．Bernold Richerz hagen 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 C hamber）的窗户进入，聚焦于喷嘴（Nozzle）的圆心．图 1 微水刀激光原理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 10 0 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，LaserMicroJet 技术才适用于半导体等高精密的应用3．．2 特点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 Affe cted 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 图 2 不锈钢片以传统激光切割 热耦传严重 图 3 不锈钢片微水刀激光切割微水刀激光（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 s ubstrate，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 Fi lm）时可正好切穿 DAF 而不伤 Blue Tape4．．2 传统激光传统激光传统激光（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 Tape4．．3 微水刀激光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（Cutti ng 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 Sili con 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 图 4 Silicon wafer 激光打孔 图 5 较大显微镜照片孔径 100 微米5 瑞士喜诺发公司之半导体晶圆划片系列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 LCD 触控萤幕及先进人机界面软 件，CCD Camera，自动视觉瞄准，远端通讯诊断可切任何形状品粒，如六角形， 圆形和不规则形。

5．．1 设备介绍设备介绍（1）LDS 200A/LDS：300ALDS 200A/LDS：300A 一全自动 200 mm/30 0 mm 硅片水刀激光切割系统，Cassette to Cassette，自动视觉系统对位，切割， 清洁，进退料一气呵成适合连续人量生产住超薄硅片切割之表现比传统钻石刀切 割方式快数倍2）LDS 200CLDS 200C 一自动 200 mm 硅片水刀激光切割系统，人工或 视觉系统自动瞄准，切割，切割完了自动以超纯水清洗，手动进退料，适合量产3）LDS 200MLDS 200M 一手动 200 mm 硅片水刀激光切割系统，手动进 退料，人工或视觉系统自动对准切割，适合研究发展或少量多样生产形态用途4）LGS 200LGS 200 为 200 mm Cassette to Cassette 水刀激光全自动 硅片削边系统，特别适用于超薄硅片外圆之削边，大幅降低超薄片 （Ultra thin wafer）之破片率，并可作钻孔（Hole drilling），开槽（Slotting）， 异型晶粒切割（Free shape chip dicing）等用途5．．2 即将问世的混合机种即将问世的混合机种Synova （喜诺发）公司亦宣布和 Diamond Saw 颇富盛名的 DISCO 公司的子 公司共同开发出结合钻石刀具和微水刀激光的混合机种。

此混合机种将在晶圆划片技 术上树力新的里程碑该系统结合了 2 种技术的优点，并考虑到半导体晶圆新材料所 延生的问题以及未来趋势，预期将可解决目前半导界在。