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岀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 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8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，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)Cpk=[(D-FSC_/(3XMp)]匚站 *D = (ScHb® Width -Kerf Width)l2-FSC: Front sicTe chipping*^ch|p; $H*y of F$CD1、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)图a划片时低k【LD层与金属层的剥薛对于低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:(1) 铜密封环不允许岀现断裂，分层或其他任何(在200倍显微镜下)可见的损伤。
2) 在划片街区上岀现金属与ILD层的分层是允许的，只要这种分层能止步于铜密封环外3) 在芯片的顶角区域的金属/ ILD层不允许岀现分层或损伤，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给岀了低k晶圆切割质量拒收标准的示例Fridg @ not damage edgePeeling damaging edg e seal.LI厂 INGU 亡 ftn bl EmPneli ng nottou cfi ing e dge 庄 eLAccepts bl e.Fridg£ti^lamination st die comerUnacceptabl e留吕Lxfl K晶翅创割展箍乖收标准的示例影响晶圆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 图案被设计岀来并对其进行监测，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3种方式来实现晶圆工艺制程监控：(1) 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2) 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3)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岀来(图5),它也可用于非低k晶圆的切割质量评估CAIA ITI沁PTASTCAIAtTCP IA-ILAl吃LKA3LAllAlLILCES1B ITH2TCB^BSTC&4BITCG IBE ILB1E2LB2站L昭ULb 4B ILQCIC ITCQSTGSTGC4C*T*?CICC1LCl02 LC2MLCSCIL■；： +tILiDI□ ITKTCMD5TD1T亡DT0DILD1IELD2□3LOILDIQiLi：：EIEITCEETCEJEirCElE*TCEIEEILEl巴LEE3LE3EILElEiLPR1234L>.lAIT亡如KTCAJairCMAITCU:将一个Reticle从晶圆中取岀，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4条边和4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2um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 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。