摘要：
等離子劃片是近年來興起的一項新型圓片劃片工藝,。與傳統(tǒng)的刀片劃片、激光劃片等工藝不同,，該工藝技術(shù)可以同步完成一張圓片上所有芯片的劃片，生產(chǎn)效率明顯提升,，是對現(xiàn)有劃片工藝的一個顛覆,。介紹了圓片劃片工藝的工作原理、技術(shù)特點及其優(yōu)勢,，并對其在解決圓片劃片應(yīng)用中的典型問題和不足之處進(jìn)行了討論,。
1引言
圓片劃片是集成電路制造工藝中的一個重要環(huán)節(jié)，無論是傳統(tǒng)芯片封裝還是先進(jìn)的圓片級封裝技術(shù),，劃片工序都是不可或缺的,。對于傳統(tǒng)芯片封裝而言，圓片劃片是封裝過程的前段工序,，而對于圓片級封裝,，劃片往往成為封裝的最后步驟，一前一后都直接關(guān)系到封裝成品的最終可靠性,。
圓片通常采用刀片切割進(jìn)行芯片分離，即所謂的刀片劃片,，刀片劃片工藝多采用金剛砂刀片作為劃片刀具,，存在刀片磨損、切割過程中硅屑飛濺,、崩邊,、顆粒沾污等現(xiàn)象且無法避免。
隨著集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步,，芯片集成度在提升,，圓片上的有效芯片尺寸也在不斷增加，伴隨的是劃片槽尺寸的進(jìn)一步縮小,，傳統(tǒng)的刀片劃片技術(shù)已經(jīng)很難適應(yīng),，激光劃片技術(shù)應(yīng)運而生。激光劃片技術(shù)大致分為基于激光熔融的常規(guī)激光劃片,、激光隱形切割(SD) 劃片和微水刀激光劃片 3 種主要形式,。常規(guī)激光劃片技術(shù)主要用于 Low-K 工藝的圓片表面開槽，即采用高能激光將在 Low-K 工藝圓片表面的易碎鈍化層包括 PCM 圖形燒蝕 ,；激光隱形切割技術(shù)則是利用特殊波長的激光打斷圓片劃片槽上的硅晶格,，此過程不會在硅片有效圖形區(qū)中形成高溫，劃片后形成的劃痕寬度只有數(shù)微米；微水刀激光劃片結(jié)合常規(guī)激光劃片與水冷技術(shù)的特點,，將高能量的激光束約束在一個狹小的水道中,，劃片過程中同樣不會造成硅片中的熱損傷。
等離子劃片是近年來興起的一項全新的圓片劃片技術(shù),，它是采用等離子刻蝕技術(shù)在圓片劃片槽中形成窄小的蝕刻槽,，使得芯片分離，與其他幾種劃片技術(shù)相比,，可以一次性同步完成所有芯片的劃片,，無需先后對所有劃片槽進(jìn)行分步切割，其劃片速度與芯片大小無關(guān),，僅與圓片厚度相關(guān),，劃片效率明顯提升，是對現(xiàn)有劃片技術(shù)的一個顛覆,。本文重點介紹這種先進(jìn)的圓片劃片技術(shù),。
2 等離子劃片原理
等 離 子 劃 片 技 術(shù) 源 于 ON Semiconductors 和Plasma-Therm 的專利授權(quán)，由 DISCO 公司開發(fā)成一種商用技術(shù),。等離子劃片的技術(shù)核心是等離子刻蝕工藝,，即博世公司的深反應(yīng)離子刻蝕工藝（DRIE），是一種微電子圓片制造過程中的硅材料干法腐蝕工藝,，以博世公司開發(fā)的基于氟基氣體的具有高深寬比的硅刻蝕工藝最具代表性,，即 Bosch 工藝，其典型工藝過程如圖 1 所示,。Bosch 工藝中使用兩種含氟氣體 C 4 F 8 ,、SF 6 ，在第一套射頻電源的螺旋線圈產(chǎn)生感應(yīng)耦合的電場作用下,，刻蝕氣體輝光放電產(chǎn)生高密度等離子體,，其中 C 4 F 8 生成聚合物，分別沉積在側(cè)壁和底部,，形成抗腐蝕膜,，以阻止側(cè)向刻蝕，該過程為鈍化過程,；SF 6 為刻蝕氣體,，SF 6 產(chǎn)生的等離子體首先對表面及底部沉積的聚合物進(jìn)行轟擊，然后大流量的等離子體開始刻蝕硅,。由于 SF 6 對于硅有較高的刻蝕選擇比,，側(cè)壁的聚合物刻蝕速率較慢，所以形成一個深寬比較大（~ 20:1）的溝槽,，此過程為刻蝕過程,。在 Bosch 工藝中鈍化和刻蝕過程交替進(jìn)行，一個完整的深反應(yīng)刻蝕過程由數(shù)個鈍化 - 刻蝕循環(huán)組成。日本 Panasonic 公司開發(fā)了類似的等離子劃片技術(shù),，二者采用的是相同的深反應(yīng)刻蝕工藝原理,，同樣實現(xiàn)了商用化。
在圓片制造中,，Bosch 工藝主要應(yīng)用于 MEMS器件的結(jié)構(gòu)形成以及 TSV 中的通孔制作,。DISCO 公司聯(lián)合 ON Semiconductors 和 Plasma-Therm，巧妙利用了 DRIE 工藝原理,，通過針對性的優(yōu)化和改進(jìn),，成功開發(fā)出一種圓片劃片工藝技術(shù)。
SF 6 對于圓片表面不同鈍化層的刻蝕速率是不同的,，等離子刻蝕工藝也正是利用刻蝕氣體不同的刻蝕選擇比來實現(xiàn)正?？涛g過程。所謂刻蝕選擇比 S R 是指同一刻蝕條件下,，被刻蝕材料（即主體材料）的刻蝕速率與另一種材料（如光刻膠,、PI 等屏蔽材料）的刻蝕速率之比，即：S R = E f / E r ,，其中,，E f 為被刻蝕材料的刻蝕速率，E r 為屏蔽材料的刻蝕速率,。
SF 6 氣體對 Si 材料的刻蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 SiO 2 ,、Si 3 N 4 和 PI，PI 刻蝕速率慢,，即 Si 對 PI 的刻蝕選擇比較高,，故通常選擇厚度大于 5 μm 的 PI 層來作為屏蔽層。光刻膠 PR 也是一種較好的屏蔽層,。
典型的等離子劃片側(cè)壁形貌如圖 2 所示。與標(biāo)準(zhǔn)的硅刻蝕工藝不同,，等離子劃片僅僅是劃片槽中的局部硅材料區(qū)域進(jìn)行刻蝕,，也就是說適用于等離子劃片的圓片與傳統(tǒng)的圓片有所不同，前者需要在劃片槽的刻蝕區(qū)域暴露出需要刻蝕的硅本體材料,，其他區(qū)域須被屏蔽層所覆蓋,，否則其他區(qū)域會被同時刻蝕。
3 等離子劃片工藝流程
典型的等離子劃片工藝流程如圖 3 所示,。
（1）減薄
按照工藝要求,，將圓片減薄至設(shè)計厚度。通常情況下,，減薄屬于劃片上工序,。在等離子劃片中，減薄成為工序的一部分，目的是降低等離子刻蝕過程中產(chǎn)生的熱量,。
（2）涂膠
在圓片表面涂覆光刻膠,，通常采用 PI 作為刻蝕屏蔽層。所用設(shè)備為前道圓片制造中的標(biāo)準(zhǔn)涂膠設(shè)備及工藝,。
（3）光刻
按照圓片厚度計算劃片槽刻蝕寬度,，在劃片槽中光刻出所需圖形。通常按照圓片厚度與刻蝕寬度比小于 20:1 的原則選擇劃片槽刻蝕寬度,。
（4）貼膜
按照不同的劃片方向（正面劃片或背面劃片）,，在圓片背面或正面貼上劃片膜（包括環(huán)框）。
（5）等離子刻蝕
對圓片正面或背面進(jìn)行等離子刻蝕,。以硅圓片為例,，通常采用 C 4 F 8 、SF 6 兩種刻蝕氣體交替使用,，其中C 4 F 8 用以鈍化,，SF 6 用以刻蝕。去膠等離子刻蝕后,，采用去膠機去除多余的光刻膠,。
（6）摘片
最后摘取劃開的芯片，完成整個等離子劃片過程,。
4 等離子劃片的優(yōu)勢
等離子劃片本質(zhì)上屬于一種化學(xué)反應(yīng),，被刻蝕的硅材料與刻蝕氣體發(fā)生反應(yīng)，其反應(yīng)生成物形成氣體而被真空清除,，因此與傳統(tǒng)的刀片劃片工藝和激光劃片工藝相比是一種清潔的劃片工藝,，其主要優(yōu)勢包括：
（1）超強的芯片強度
等離子劃片過程中隨著刻蝕氣體的持續(xù)轟擊作用，雖然圓片本身會發(fā)熱,，但經(jīng)過合理的冷卻裝置,，實際圓片發(fā)熱遠(yuǎn)低于激光劃片時由于硅材料的加熱氣化所產(chǎn)生的熱量，也沒有刀片劃片時高速切割過程中引入的機械應(yīng)力,，因此,，采用等離子劃片獲得的芯片不存在崩邊、裂紋等常規(guī)劃片工藝中存在的常見問題,，芯片強度明顯改善,。
（2）超高的劃片速度
與傳統(tǒng)的刀片劃片、激光劃片工藝不同,，等離子劃片過程中一張圓片所有劃片槽被同時刻蝕,，圓片刻蝕速度與圓片厚度相關(guān)而與芯片大小無關(guān)，借助于等離子刻蝕氣體的高刻蝕選擇比,，刻蝕速率可以達(dá)到每分鐘幾十微米,，同樣厚度圓片的劃片速度是刀片劃片速度的 4 倍以上,。
（3）可切割各種形狀芯片
得益于對硅材料的高選擇性刻蝕特性，等離子劃片可以實現(xiàn)任意形狀的芯片劃片,，僅僅需要根據(jù)所要劃片的形狀在劃片槽中暴露出適當(dāng)寬度的硅區(qū)域,。相比之下，常規(guī)刀片劃片,、激光劃片等工藝只能對排列規(guī)則,、方形尺寸的芯片進(jìn)行切割。
此外,，等離子劃片后芯片角部通常為圓形,，而不是常規(guī)劃片的直角，因而可以大大降低芯片崩邊,、崩角現(xiàn)象,。圖 4 為典型的等離子劃片外形，其中包括一些特殊器件如呈現(xiàn)圓形的 MEMS,，而這種圓形芯片采用常規(guī)劃片工藝是很難實現(xiàn)的,。
（4）可適應(yīng)多種圓片材料
采用不同的刻蝕氣體可適應(yīng)不同圓片材料的刻蝕，如含氟氣體 SF 6 等可適合于硅圓片的劃片,，而選用含氯氣體如 HCl 以及其他氣體組合可用于 SiC,、GaN 圓片的劃片。
當(dāng)然等離子刻蝕并非適用于各種材料的劃片,，如采用藍(lán)寶石基底材料的 LED 圓片就很難采用等離子劃片工藝,，這是因為藍(lán)寶石的成分為 Al 2 O 3 ，Al 2 O 3 中的Al-O化學(xué)鍵極其牢固,，常見的等離子很難打破Al-O鍵,。
表 1 從芯片尺寸、劃片效率,、芯片完整性及強度等方面對等離子劃片,、刀片劃片、激光隱形切割劃片工藝技術(shù)進(jìn)行了比較,。
可以看出,，等離子劃片技術(shù)在劃片效率、芯片完整性及芯片強度等方面具有明顯優(yōu)勢,。劃片速度約是激光隱形切割速度的 2.5 倍，比常規(guī)刀片劃片速度快3.5 倍 ,；采用等離子劃片,，芯片完整性更佳，崩邊問題可以規(guī)避 ,；而采用等離子劃片后的芯片強度大約是
采用常規(guī)刀片劃片后芯片強度的 4.2 倍,。DISCO 公司對等離子劃片,、刀片劃片的生產(chǎn)成本進(jìn)行了一個統(tǒng)計比較，見圖 5,?？梢钥闯鰣A片厚度小于 100 μm、劃片后芯片尺寸小于 100 μm×100 μm時,，采用等離子劃片成本上有優(yōu)勢,。
5 工程應(yīng)用及其推廣成本
從等離子劃片工藝原理可以看出，這是一種有別于常規(guī)劃片工藝的新型劃片工藝,。該工藝技術(shù)充分利用了先進(jìn)的半導(dǎo)體制造技術(shù),，前道工藝完美應(yīng)用在了后道封裝工藝中。由于與主流的半導(dǎo)體制造技術(shù)兼容,，等離子劃片工藝可以應(yīng)用于目前市場上主流半導(dǎo)體圓片的切割,。如硅圓片、鍺圓片,、氮化鎵圓片,、砷化鎵圓片等均可以采用等離子劃片工藝，劃片尺寸涵蓋76~300 mm直徑范圍,。產(chǎn)品類型包括功率器件,、RFID、LED,、紅外傳感器,、MEMS、通用 CMOS 器件等,。
由于等離子劃片系一次性完成整張圓片的刻蝕,，劃片速度僅與圓片厚度相關(guān)，故具有傳統(tǒng)劃片工藝連續(xù)劃片所無法比擬的劃片速度,，尤其適合于尺寸小,、厚度薄、芯片數(shù)量多的圓片劃片,，從表 1,、圖 5可以看出，100 μm 厚,、200 mm 圓片切割 1 mm 2 芯片采用等離子劃片,，生產(chǎn)效率是刀片劃片的 4 倍以上，同時成本優(yōu)勢更加明顯,。當(dāng)圓片厚度減薄至 50 μm時,，傳統(tǒng)的刀片劃片會面臨碎片等風(fēng)險，只能借助復(fù)雜的 DBG 工藝加以規(guī)避,，而采用等離子劃片工藝就可以輕松快速完成劃片,，且不會造成碎片等異常,，在保證成品率的同時，芯片強度得以提升（大約是采用刀片劃片的 4 倍）,。
傳統(tǒng)劃片工藝在處理多項目圓片（MPW）時通常會面臨一些困難,，特別是針對由多個尺寸不規(guī)則芯片的 MPW，劃片過程會變得非常復(fù)雜,。若是只需要在整張圓片上進(jìn)行切割,，通常必須做出一些取舍，即只能保留一些指定的目標(biāo)芯片,，而部分或多個其他芯片必須做出犧牲,。倘若要求將圓片中的所有芯片全部保留的話，則必須首先將一張圓片先切割成多個具有芯片組合的小塊（block）,，然后將這些 block 轉(zhuǎn)移至另外一張劃片膜中,，這些 block 必須按照較高的放置精度排列，然后再進(jìn)行第二次切割而分成更小的block,。重復(fù)上述操作,，直到所有的芯片被一一切割分離。如果 block 放置精度不滿足劃片要求,，則只能有一個或少量幾個 block 被轉(zhuǎn)移至新的劃片膜中,，切割效率很低，同時切割質(zhì)量也難以保證,。相比之下,，等離子劃片技術(shù)無需如此復(fù)雜的流程，只要在所需要劃片的 MPW 中預(yù)留了劃片區(qū),，可以一次性完成所有芯片的切割,，這也是傳統(tǒng)劃片技術(shù)無法比擬的絕對優(yōu)勢。因此等離子劃片技術(shù)在 MPW 的劃片中有很好的應(yīng)用前景,。
在一些特殊的應(yīng)用中,，對于如 MEMS、Image sensor 等對顆粒物敏感的芯片,，等離子劃片作為一種清潔,、劃片過程無灰塵產(chǎn)生的潔凈劃片工藝，更是有著得天獨厚的優(yōu)勢,。對于 RFID 等劃片槽僅有 30~40 μm的微小尺寸器件,，等離子劃片可以規(guī)避激光隱形切割中后擴片引入的微裂紋隱患，劃片成品率更高,，成本優(yōu)勢尤其明顯,。
采用等離子劃片還可以避免刀片劃片工藝中劃片槽 PCM 圖形中的金屬條卷曲、脫落現(xiàn)象,，可完全滿足高可靠應(yīng)用中芯片鏡檢要求,。
此外，在 2.5D,、3D 集成封裝中,，如有機基板、陶瓷基板的異質(zhì)堆疊,，不同 TCE 材料會引入應(yīng)力,，超薄芯片邊緣切割缺陷對此類產(chǎn)品的抗溫變能力以及封裝可靠性有影響，等離子劃片能較好地解決圓片切割引起的芯片邊緣缺陷問題,。
目前該技術(shù)為日本 DISCO,、Panasonic 及美國幾家公司擁有，其設(shè)備造價較高,，加上需要額外的涂膠,、光刻、去膠等專用設(shè)備,，對于傳統(tǒng)的封裝線而言,，前期投入較大，市場普及率不高,，遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)的刀片劃片,、激光劃片技術(shù)那樣被業(yè)界廣泛應(yīng)用。雖然等離子劃片在劃片速度上較之刀片劃片,、激光劃片有明顯的優(yōu)勢,，但如果將涂膠、光刻,、去膠等工序計算在內(nèi),，僅劃片速度的優(yōu)勢將不復(fù)存在。前期投入大,、需要相應(yīng)的輔助工序,，帶來較高的推廣成本，這些正是等離子劃片工藝應(yīng)用中的最大不足之處,。
6 結(jié)束語
等離子劃片技術(shù)是繼激光隱形切割技術(shù)之后的又一種先進(jìn)劃片工藝技術(shù),，借鑒了半導(dǎo)體圓片制造中先進(jìn)的干法刻蝕技術(shù)，通過一次性同步刻蝕在整張圓片中形成所有劃道,，若僅考慮切割速率,，是常規(guī)刀片劃片速率的 4 倍以上，對小尺寸芯片劃片生產(chǎn)效率的提升尤其明顯,。通過獲得的更加圓滑的切割邊緣,，在保證芯片完整性的同時還改善了芯片的機械強度，對于超薄芯片而言,，可靠性及成品率優(yōu)勢更明顯,，是一種有潛力的劃片工藝技術(shù),。
隨著我國半導(dǎo)體制造設(shè)備的快速發(fā)展，干法刻蝕技術(shù)及裝備已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步,，目前國內(nèi)等離子劃片機擁有量較低,，倘若現(xiàn)階段充分利用這些等離子刻蝕機以及相關(guān)光刻設(shè)備資源，在等離子劃片技術(shù)及裝備上加大研發(fā)投入,，應(yīng)該有可能快速開發(fā)出我國自有品牌的等離子劃片系統(tǒng),，并可能占有市場，從而提升我國半導(dǎo)體制造設(shè)備的國產(chǎn)化水平及進(jìn)程,。