晶圆切割机的发展史

技术资讯 | 发布时间 : 2022-01-10 返回列表

精密晶圆切割机主要用于加工硅片、陶瓷、玻璃、砷化镓等材料,也广泛应用于集成电路(IC)、半导体等行业。切割机作为半导体芯片后道工艺中的加工设备之一,用于晶圆切割、分割或开槽等微细加工,其切割质量和效率直接影响芯片质量和生产成本。


纵观过去的半个世纪,大规模集成电路时代已经向超大规模方向发展,集成度更高,划片槽也更窄,对划片技术的要求也越来越精细化。到目前为止,在芯片的封装工艺中划片工艺的发展历史大致可以分为以下三个阶段。


第一阶段:金刚刀切割机

19世纪60年代是硅晶体管发展的早期,当时主要应用的划片装置是金刚石切割机,采用划线加工的方法,类似于划玻璃的原理。在晶圆的切割块上画一条宽度为2-5μm、深度为0.15-1.5μm的切线,再从划过线的晶片背面,然后用圆柱形的碎片工具,从边压边搓的分裂方法,将晶圆分割成单个的芯片。这种方法严重依赖人工操作,换句话说,操作人员的经验成分占了很大的比重,对加压分裂的依赖性更大。因此,加工成品率很低。


第二阶段:砂轮切割机

60年代中期,我们进入集成电路时代,晶圆开始发展到2英寸、 3英寸等大直径化。同时,晶圆厚度也从100微米加厚到200-300微米。就器件的划线街宽而言,晶体管发展到60-100μm,IC为100-150μm,但当时砂轮刀片的厚度为150-200μm,这种情况下,原有的工艺方法并不适合。

这时,研制出了世界上第一台超薄金刚砂轮切割机,这标志着切割机已经进入了超薄金刚砂轮切割机时代。这种砂轮切割机有效避免了晶圆裂开性和切槽崩边现象。其原理是通过电沉积发展而来的,即金刚石粉末附着在电镀金属膜上,由于沙粒和砂粒之间的间隙被金属填充,增加了砂粒之间的结合力和砂轮的整体韧性,不会产生像树脂和金属粘结剂制成的砂轮上的气孔,从而达到切割晶圆的使用目的。

当时,激光切割机也被认为是接近半导体切割工艺的理想器件。它利用激光束的光熔化硅单晶而进行切割,类似于金属熔化的加工工艺。因此在切割晶体时,烧坏的硅粉会四处飞溅,气化状的硅微粒子会附着在芯片表面,造成污染,芯片无法使用。这也是激光切割机的致命缺点。


第三阶段:自动化切割机

对于金刚刀切割机和砂轮切割机来说,主要目的是提高划片的成品率。然而,随着半导体需求和产量的增加,对效率的要求越来越高。此时,就有了自动化切割机的需求。自动化切割机主要分为半自动和全自动两种类型。

半自动画片机的拥有者主要是指采用手动方式进行被加工对象的安装和卸载,只有加工程序是实施自动化操作的装置。全自动画片机可实现全自动化操作。

进入大规模集成电路时代以来,器件的设计原理开始追求微细化,即提高元器件的工作速度,缩小芯片的面积。此时晶圆的线宽已经发展到了5μm、3μm,甚至达到了1μm左右,由于芯片表面图案复杂,如果划片时产生的研磨粉尘附着在刀片上,不仅会造成后期工艺的电气短路,而且封装后由于芯片的工作热,还会使硅屑向四处扩散,导致保护膜和铝线变质。因此,划片的自动化需要充分考虑划片过程中涉及的各种不良因素,如机床标定、自动画片、故障诊断、各部件的功能、性能和可靠性等。