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1、半导体封装划片工艺及优化作者：王志杰，飞思卡尔半导体中国有限公司 2009-03-03 点击:1686在一个晶圆上，通常有几百个至数千个芯片连在一起。它们之间留有 80um 至 150um 的间隙，此间隙被称之为划片街区（Saw Street）。将每一个具有独立电气性能的芯片分离出来的过程叫做划片或切割（Dicing Saw）。目前，机械式金刚石切割是划片工艺的主流技术。在这种切割方式下，金刚石刀片（Diamond Blade）以每分钟 3 万转到 4 万转的高转速切割晶圆的街区部分，同时，承载着晶圆的工作台以一定的速度沿刀片与晶圆接触点的切线方向呈直线运动，切割晶圆产生的硅屑被去离子水（DI
2、 water）冲走。依能够切割晶圆的尺寸 ，目前半导体界主流的划片机分英寸和 12 英寸划片机两种。 晶圆划片工艺的重要质量缺陷的描述崩角 (Chipping)因为硅材料的脆性，机械切割方式会对晶圆的正面和背面产生机械应力，结果在芯片的边缘产生正面崩角（FSC- Front Side Chipping）及背面崩角（ BSC Back Side Chipping）。正面崩角和背面崩角会降低芯片的机械强度，初始的芯片边缘裂隙在后续的封装工艺中或在产品的使用中会进一步扩散，从而可能引起芯片断裂，导 致电性失效。另外，如果崩角进入了用于保护芯片内部电路、防止划片损伤的密封环（Seal Ring）内部时
3、，芯片的电气性能和可靠性都会受到影响。封装工艺设计规则限定崩角不能进入芯片边缘的密封圈。如果将崩角大小作为评核晶圆切割质量能力的一个指标，则可用公式来计算晶圆切割能力指数（Cpk）（图 1）。D1、D2 代表划片街区中保留完整的部分，FSC 是指正面崩角的大小。依照封装工艺设计规则，D1、D2 的最小值可以为 0，允许崩角存在的区域宽度 D 为（街区宽度-刀痕宽度)/2 ， 为 D1、D2 的平均值， 为 D1、D2 的方差。依统计学原理，对于一个合格的划片工艺而言，其切割能力指数应大于 1.5。分层与剥离（Delamination & Peeling）由于低 k ILD 层独特的材料特性，低
4、 k 晶圆切割的失效模式除了崩角缺陷外，芯片边缘的金属层与 ILD 层的分层和剥离是另一个主要缺陷( 图 2)。对于低 k 晶圆切割质量评估，除了正面崩角和背面崩角以外，根据实验数据和可靠性结果，规定了下述切割质量指标：（）铜密封环不允许出现断裂，分层或其他任何（在 200 倍显微镜下）可见的损伤。（）在划片街区上出现金属与 ILD 层的分层是允许的，只要这种分层能止步于铜密封环外。（）在芯片的顶角区域的金属ILD 层不允许出现分层或损伤，唯一的例外是有封装可靠性数据证明在某种特定的芯片设计封装结构的组合下芯片的顶角区域的损伤可以接受。图 3 给出了低 k 晶圆切割质量拒收标准的示例。影响晶圆
5、划片质量的重要因素划片工具，材料及划片参数划片工具和材料主要包括：划片刀（Dicing blade）、承载薄膜(Mounting tape), 划片参数主要包括：切割模式、切割参数（步进速度、刀片转速、切割深度等）。对于由不同的半导体工艺制作的晶圆需要进行划片工具的选择和参数的优化，以达到最佳的切割质量和最低的切割成本。切割街区的测试图案 在晶圆的制造过程中，为了获得较高的成品率、较低的制造成本和稳定的工艺制程，每一步工艺都处于严格的监控下。因此，测试图案被设计出来并对其进行监测，以确保关键参数如电参数、制程精度如 ILD 层金属层的淀积厚度、掩膜对准精度及金属线宽容差等满足设计要求。通常有种
6、方式来实现晶圆工艺制程监控：（）离线测试，这种测试将所有的测试图案放入被称为“工艺确认晶圆” （PVW Process Validation Wafer）的特别设计的晶圆上。优点是可以包括所有需要测试的图案，因而可以执行一个全面的工艺制程监控；缺点是高成本和费时。它通常应用在产品的研发初期。当产品技术日趋成熟后，这种测试方法会被其他的测试方法所取代。（）测试芯片插入法。所有的测试图案被放入测试芯片内，这些测试芯片被安放在晶圆上的不同区域。测试芯片的数目和位置取决于晶圆制造技术的复杂度。优点是它是一种实时监控。如果某种致命的缺陷发生在晶圆制造流程的早期，就可以避免由于整个晶圆报废而带来的损失。这
7、种测试方法的缺点是它占用了宝贵的硅片资源，尤其是当单个芯片尺寸较大，而 PDPW(Potential Die Per Wafer)数目较小的时候。（）周边测试，测试图案被放置在划片街区内（图 4）。将测试图案放在划片街区内能够在实现实时监控的同时，节约了宝贵的硅片资源。可以放进划片街区的测试图案的数目取决于在一个掩膜（Reticle）内划片街区的长度和面积。在一个 Reticle 内划片街区上的测试图案，会随着步进式光刻的进行，在整个晶圆上得到复制。在 Reticle 内部，所有的测试图案都是唯一的，互不相同。而在不同的 Reticle 之间，测试图案是重复的。晶圆划片工艺的优化一种新型的划片
8、质量评估矩阵为了评核晶圆切割质量，在划片工序后用光学显微镜对晶圆进行检查是必不可少的。为获得对总体切割质量的了解，制定一个合理的抽样计划（包括取样位置和样本数）非常关键。传统的抽样计划中，被检查的芯片的选取是在靠近晶圆边缘的地方，在时钟指针1、3 、5 、6 、7、9、11 、12 等 8 个方向上各拾取一个芯片进行芯片缺陷检查。这种检查方式对于成熟的非低 k 晶圆是合适的。然而，应用到低 k 晶圆时，它就不再能够提供一个关于切割质量的全面反映了。造成上述结果的主要原因是低 k 晶圆的切割缺陷较多，且不同于非低 k 晶圆切割的缺陷。应用传统的检查方法对于不同的晶圆，所得到的检查结果差别很大，而
9、且不同的检查人员对同一片晶圆检查所得的结果也不相同。究其原因，一方面是因为不同的检查人员采用随机抽查的方法，很难获得对低 k 晶圆切割质量的全面评核，也很能难检测到最严重的情况。更主要的原因是因为该检查方法没有考虑到芯片上测试图案的结构和分布，而测 试图案的结构和分布是与晶圆的制造工艺、工艺控制方法密切相关的。通常划片工艺设备是稳定的，切割质量在很大程度上与划片街区的结构有关，例如街区上的测试图案，金属层与 ILD 层的材料特性。数据显示，对处在不同 Reticle 但具有在 Reticle 内相同位置相同测试图案的街区来说，其切割质量非常接近甚至是完全相同。于是，通过对一个 Reticle
10、内的所有街区的切割质量进行检查，就可以获知整个晶圆的切割质量。换言之，在没有对一个 Reticle 进行 100%的切割质量检查之前，不可能对整个晶圆的切割质量获得全面地了解，这就是传统的划片质量检查方法存在偏差的原因。一个 Reticle 内能容纳的芯片的个数随着芯片尺寸及要求的光刻精度而不同。对于 12 英寸晶圆 90nm 技术、芯片尺寸为 6x6mm2而言，一个 Reticle 可容纳 20 个芯片。这种测试方法比 100%全检效率提高 98%以上，而检查工作量只有全检的 2%， 从而解决了划片检查的可操作性。基于上述讨论，低 k 划片质量评估矩阵被设计出来（图 5），它也可用于非低 k
11、 晶圆的切割质量评估。将一个 Reticle 从晶圆中取出，用英文字母 A、B 、C来代表芯片在 Reticle 中所处的行号，而用数字 1、2、3代表芯片在Reticle 中所处的列号，每一个芯片在一个 Reticle 中就可以被唯一地标示。如 A1、B3 等。在每一个芯片的四周有条边和个顶点，如果用 A1T(A1 Top)代表 A1 芯片上方的街区，A1L(A1 Left) 代表 A1 芯片左边的街区， CA1(Corner A1)代表 A1 芯片左上方的街区交叉部分。这样，整个晶圆的切割质量就可以通过一个 Reticle 内 XT、XL、CX（X 代表芯片的坐标）的切割状况表达清楚。这个
12、质量评估矩阵的另外一个优点是可以很方便地在晶圆上找到一个具有特定测试图案的芯片并观察其切割质量。也可离线对某个测试图案及其切割质量进行分析或改进。在此之前，需要经验和技巧来确定一个 Reticle。划片刀的选择和优化划片刀又称金刚石划片刀，包含三个主要元素：金刚石颗粒的大小、密度和粘结材料。金刚石颗粒在晶圆的切割过程中起着研磨剂的作用，通常是由 CBN(Cubic Boron Nitride)合成而来。金刚石颗粒尺寸从um 到 8um 之间变化。为达到更好的切割质量，通常选用带棱角的金刚石颗粒。金刚石颗粒的密度代表着金刚石颗粒占金刚石刀片的体积比。通常划片刀片供应商都会提供不同的金刚石颗粒密度
13、以适应不同的应用场合。金属镍被用作粘结剂，将金刚石颗粒粘结在一起。 划片刀的选择一般来说要兼顾切割质量、切割刀片寿命和生产成本。金刚石颗粒尺寸影响划片刀的寿命和切割质量。较大的金刚石颗粒度可以在相同的刀具转速下，磨去更多的硅材料，因而刀具的寿命可以得到延长。然而，它会降低切割质量（尤其是正面崩角和金属ILD 得分层）。所以，对金刚石颗粒大小的选择要兼顾切割质量和制造成本。金刚石颗粒的密度对切割质量的控制也十分关键。对于相同的金刚石颗粒大小但具有不同密度的刀片，划片刀每一个旋转周期移去的硅材料是相同的，但是，平均到每一个金刚石颗粒移去的硅材料的量是不同的。实验发现，高密度的金刚石颗粒可以延长划片
14、刀的寿命，同时也可以减少晶圆背面崩角。而低密度的金刚石颗粒可以减少正面崩角。硬的粘结材料可以更好地“固定”金刚石颗粒，因而可以提高划片刀的寿命，而软的粘结材料能够加速金刚石颗粒的“自我锋利” （Self Sharpening）效应，令金刚石颗粒保持尖锐的棱角形状，因而可以减小晶圆的正面崩角或分层，但代价是划片刀寿命的缩短。刀锋的长度应根据晶圆的厚度，承载薄膜的厚度，最大允许的崩角的尺寸来进行定义，刀锋不能选得过长，因为长的刀锋会在切割时引起刀片的摆动，会导致较大的崩角。对于低 k 晶圆而言，金属层ILD 层的分层或剥离以及崩角相比生产成本更重要（在生产成本允许范围内）。基于实验，优选 2-4u
15、m 的金刚石颗粒、较低的金刚石密度和较软的粘结材料的划片刀作为进一步优化划片制程的基础。图 6 是不同类型的划片刀切割质量的比较。划片刀 A 具有较大的金刚石颗粒，较硬的粘结材料，而划片刀 B 具有较小的金刚石颗粒，较软的粘结材料（表），很明显，划片刀 B 的切割质量优于划片刀 A。承载薄膜的选择 承载薄膜（Mounting Tape）在开始划片前粘贴在晶圆的背面，用来在完成划片工艺 后，将已相互分离的芯片仍然固定在薄膜上以便于自动粘片机（Die Bonder）完成粘片工序。薄膜的粘度对划片切割质量来说是一个重要特性。实验证明，较高的薄膜与硅片的粘结力可以有效地减低晶圆背面的崩角。另一方面，在
16、粘片工艺中，又希望薄膜与硅片之间的粘接力尽可能小，这样粘片工艺才可以获得一个稳健的工艺窗口，以避免顶起针 （Ejector Pin）设置过高或拾片时间（Pick Up Time）设置过长造成潜在的芯片断裂及生产效率降低的问题。为了兼顾划片和粘片两个工序，紫外光敏薄膜（UV Tape）被选用作为晶圆的承载薄膜。UV 薄膜的一个显著特点是它与硅片的粘接力在未经紫外光照射前非常高，可达 16000mN/25mm,而在经过紫外光照射后粘结力显著下降，可至 600mN/25mm。UV 照射前后粘结力变化了 25 倍。UV薄膜的这种性质很好的兼容了划片和粘片对质量的控制。划片模式的选择划片机一般提供两种切割模式，单刀切割（Single Cut）和台阶式切割（Step Cut），它们之间的区别如图 7 所示。实验证明，划片刀的设计不可能同时满足正面崩角、分层及背面崩角的质量控制的要求。这个结论对于晶圆厚度大于 7 mil 的低 k 晶圆尤为适用。为了减小正面金属层
