原创 图文解析：芯片制造的晶圆切割工艺

图1. 晶圆切割方法的发展历程（切单）

前道和后道工序通过各种不同方式的互动而进一步发展：后道工序的进化可以决定晶圆上die单独分离出的六面体小芯片）的结构和位置，以及晶片上焊盘（电连接路径）的结构和位置；与之相反，前端工艺的进化则改变了后端工艺中的晶圆背面减薄和“晶片切割(Die Sawing)”晶圆的流程和方法。因此，封装的外观日益变得精巧，会对后端工艺带来很大的影响。而且，根据包装外观的变化，切割次数、程序和类型也会发生相应的变化。那么，现在就让我们一起通过芯片“切单”的演化过程，来看看五种切割方法吧。

图2. 早期的划片切割法：划片后进行物理上的分割（Breaking）@直径为6英寸以下的的晶圆

早期，通过施加外力切割的“掰开（Breaking）”是唯一可以把晶圆分割成六面形的Die的切割法。然而，这种方法却存小芯片边缘剥落（Chipping）或产生裂纹等弊端。而且，由于没有完全去除金属表面的毛刺（Burr：切割时产生的一些残渣），所以切割表面也非常粗糙。

为了解决这一问题，“划片（Scribing）”切割法应运而生，即在“掰开（Breaking）”前，将晶圆表面切割至大约一半的深度。“划片”，顾名思义，是指使用叶轮在晶圆的正面事先锯切（半切）。早期，6英寸以下的晶圆大部分都使用了这种现在芯片之间先“划片”，再“掰开（Breaking）”的切割法。

图3-1. 刀片切割（锯切）方法@传统方法

“划片”切割法逐渐发展成为“刀片（Blade dicing）”切割（或锯切）法，即连续使用刀片两到三次进行切割的方法。“刀片”切割法可以弥补“划片”后“掰开（Breaking）”时，小芯片剥落的现象，可在“切单（Singulation）”过程中起到保护小芯片的作用。“刀片”切割与之前的“划片”切割有所不同，即进行完一次“刀片”切割后，不是“掰开（Breaking）”，而是再次用刀片切割。所以，也把它称为“分步切割（Step Dicing）”法。

图3-2. 刀片切割（锯切）过程中，保护膜的附着与摘除

为了保护晶圆在切割过程中免受外部损伤，事先会在晶圆上贴敷胶膜，以便保证更安全的“切单”。“背面减薄（Back Grinding）”过程中，胶膜会贴在晶圆的正面。但与此相反，在“刀片”切割中，胶膜要贴在晶圆的背面。而在共晶贴片（Die Bonding，把分离的芯片固定在PCB或定架上）过程中，贴会背面的这一胶膜会自动脱落。切割时由于摩擦很大，所以要从各个方向连续喷洒DI水。而且，叶轮要附有金刚石颗粒，这样才可以更好地切片。此时，切口（刀片厚度：凹槽的宽度）必须均匀，不得超过划片槽的宽度。

很长一段时间，锯切一直是被最广泛使用的传统的切割方法，其最大的优点就是可以在短时间内切割大量的晶圆。然而，如果切片的进给速度（Feeding Speed）大幅提高，小芯片边缘剥落的可能性就会变大。因此，应将叶轮的旋转次数控制在每分钟30000次左右。可见，半导体工艺的技术往往是通过很长一段时间的积累和试错，慢慢积累的秘诀（在下一节有关共晶贴片的内容上，将讨论有关切割与DAF的内容）。

图4. 现存的刀片切割&DBG（先切割，后减薄）方法

在直径为8英寸晶圆上进行刀片切割时，不用担心小芯片边缘剥落或裂纹等现象。但随着晶圆直径增加至21英寸，且厚度变也得极薄，剥落与裂纹现象又开始出现了。为了大幅减少在切割过程中对晶圆的物理冲击，“先切割、后研磨”的DBG方法取代了传统的切割顺序。 与连续进行切割的传统“刀片”切割法不同，DBG先进行一次“刀片”切割后，就通过不断的背面减薄使晶圆厚度逐渐变薄，直到芯片分裂为止。可以说，DBG时以往“刀片”切割法的升级版，因为它可以减少第二次切割带来的冲击，所以，DBG方法在“晶圆级封装”上得到了迅速的普及。

图5. 传统激光切割（grooving）&激光隐形切割（SD）方法的比较

晶圆级晶片尺寸封装（WLCSP，Wafer Level Chip Scale Package）工艺主要采用激光切割法。采用激光切割可以减少剥落和裂纹等现象，从而获得更优质的芯片，但晶圆厚度为100μm以上时，生产率将大打折扣。所以，多用在厚度不到100μm（相对较薄）的晶圆上。激光切割是通过在晶圆的划片槽上施加高能量的激光来切割硅。但使用传统的激光(Conventional Laser)切割法，要在晶圆表面上事先涂层保护膜。因为，在晶圆表面加热或照射激光等，这些物理上的接触会晶圆表面会产生凹槽，而且切割的硅碎片也会粘附在表面上。可见，传统的激光切割法也是直接切割晶圆表面，在这一点上，它与“刀片”切割法有相似之处。

激光隐形切割（SD, Stealth Dicing）则是先用激光能量切割晶圆的内部，再向贴附在背面的胶带施加外部压力，使其断裂，从而分离芯片的方法。当向背面的胶带施加压力时，由于胶带的拉伸，晶圆将被瞬间向上隆起，从而使芯片分离。相对传统的激光切割法SD的优点为：一是没有硅的碎屑；二是切口（Kerf：划片槽的宽度）窄，所以可以获得更多的芯片。此外，使用SD方法剥落和裂纹现象也将大大减少，这至关定切割的整体质量。因此，SD方法非常有望成为未来最受青睐的一项技术。