เวเฟอร์การตัดเป็นขั้นตอนสำคัญขั้นตอนหนึ่งในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้า ขั้นตอนนี้ออกแบบมาเพื่อแยกวงจรรวมหรือชิปแต่ละชิ้นออกจากแผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์อย่างแม่นยำ
กุญแจสำคัญสู่เวเฟอร์การตัดคือการแยกชิปแต่ละชิ้นออกจากกัน โดยต้องแน่ใจว่าโครงสร้างและวงจรที่ละเอียดอ่อนซึ่งฝังอยู่ภายในนั้นได้รับความเสียหายเวเฟอร์ไม่ได้รับความเสียหาย ความสำเร็จหรือความล้มเหลวของกระบวนการตัดไม่เพียงแต่ส่งผลต่อคุณภาพการแยกและผลผลิตของเศษวัสดุเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องโดยตรงกับประสิทธิภาพของกระบวนการผลิตทั้งหมดด้วย
▲การตัดเวเฟอร์ 3 แบบที่พบได้ทั่วไป | ที่มา: KLA CHINA
ปัจจุบัน ทั่วไปเวเฟอร์กระบวนการตัดแบ่งออกเป็น:
การตัดด้วยใบมีด: ต้นทุนต่ำ มักใช้กับวัสดุที่หนากว่าเวเฟอร์
การตัดด้วยเลเซอร์: ต้นทุนสูง มักใช้กับแผ่นเวเฟอร์ที่มีความหนามากกว่า 30 ไมโครเมตร
การตัดด้วยพลาสมา: ต้นทุนสูง มีข้อจำกัดมากกว่า มักใช้กับแผ่นเวเฟอร์ที่มีความหนาน้อยกว่า 30 ไมโครเมตร
การตัดด้วยใบมีดเชิงกล
การตัดด้วยใบมีดเป็นกระบวนการตัดตามแนวเส้นที่ขีดไว้โดยใช้แผ่นเจียรหมุนด้วยความเร็วสูง (ใบมีด) โดยปกติใบมีดจะทำจากวัสดุขัดถูหรือเพชรบางพิเศษ เหมาะสำหรับการตัดหรือเซาะร่องบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน อย่างไรก็ตาม ในฐานะวิธีการตัดเชิงกล การตัดด้วยใบมีดอาศัยการกำจัดวัสดุด้วยวิธีทางกายภาพ ซึ่งอาจทำให้เกิดการบิ่นหรือแตกร้าวที่ขอบของเศษวัสดุได้ง่าย ส่งผลกระทบต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์และลดผลผลิต
คุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่ได้จากกระบวนการเลื่อยเชิงกลนั้นได้รับผลกระทบจากหลายปัจจัย รวมถึงความเร็วในการตัด ความหนาของใบเลื่อย เส้นผ่านศูนย์กลางของใบเลื่อย และความเร็วในการหมุนของใบเลื่อย
การตัดแบบเต็ม (Full cut) เป็นวิธีการตัดด้วยใบมีดขั้นพื้นฐานที่สุด ซึ่งจะตัดชิ้นงานจนขาดทั้งหมด โดยตัดไปจนถึงวัสดุที่กำหนดไว้ (เช่น เทปตัด)
▲ การตัดด้วยใบมีดเชิงกล - ตัดเต็ม | แหล่งที่มาของภาพ: เครือข่าย
การตัดครึ่งเป็นวิธีการแปรรูปที่สร้างร่องโดยการตัดลงไปถึงกลางชิ้นงาน โดยการทำร่องอย่างต่อเนื่อง สามารถสร้างปลายแหลมรูปทรงหวีและรูปทรงเข็มได้
▲ การตัดด้วยใบมีดเชิงกล - การตัดครึ่ง | แหล่งที่มาของภาพ
การตัดแบบสองทาง (Double cut) เป็นวิธีการแปรรูปที่ใช้เลื่อยตัดสองทางที่มีแกนหมุนสองแกน เพื่อทำการตัดแบบเต็มหรือครึ่งชิ้นในสองสายการผลิตพร้อมกัน เลื่อยตัดสองทางมีแกนหมุนสองแกน ทำให้ได้ผลผลิตสูง
▲ การตัดด้วยใบมีดเชิงกล - การตัดสองครั้ง | แหล่งที่มาของภาพ
การตัดแบบ Step cut ใช้เลื่อยตัดคู่ที่มีแกนหมุนสองแกนเพื่อทำการตัดแบบเต็มและครึ่งในสองขั้นตอน ใช้ใบมีดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการตัดชั้นสายไฟบนพื้นผิวของเวเฟอร์ และใบมีดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับผลึกซิลิคอนเดี่ยวที่เหลืออยู่ เพื่อให้ได้กระบวนการผลิตที่มีคุณภาพสูง
▲ การตัดด้วยใบมีดเชิงกล – การตัดแบบขั้นบันได | แหล่งที่มาของภาพ
การตัดแบบเบเวล (Bevel cutting) เป็นวิธีการแปรรูปที่ใช้ใบมีดที่มีขอบรูปตัว V บนขอบที่ตัดครึ่งหนึ่ง เพื่อตัดแผ่นเวเฟอร์เป็นสองขั้นตอนในระหว่างกระบวนการตัดแบบขั้นบันได โดยจะทำการลบคมในระหว่างกระบวนการตัด ดังนั้นจึงสามารถได้ความแข็งแรงของแม่พิมพ์สูงและคุณภาพการแปรรูปสูง
▲ การตัดด้วยใบมีดเชิงกล – การตัดแบบเอียง | แหล่งที่มาของภาพ
การตัดด้วยเลเซอร์
การตัดด้วยเลเซอร์เป็นเทคโนโลยีการตัดแผ่นเวเฟอร์แบบไม่สัมผัส โดยใช้ลำแสงเลเซอร์ที่โฟกัสเพื่อแยกชิปแต่ละชิ้นออกจากแผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ ลำแสงเลเซอร์พลังงานสูงจะถูกโฟกัสไปที่พื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ และทำให้วัสดุระเหยหรือถูกกำจัดออกไปตามแนวเส้นตัดที่กำหนดไว้ล่วงหน้าผ่านกระบวนการระเหยหรือการสลายตัวด้วยความร้อน
▲ แผนภาพการตัดด้วยเลเซอร์ | ที่มาของภาพ: KLA CHINA
เลเซอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน ได้แก่ เลเซอร์อัลตราไวโอเลต เลเซอร์อินฟราเรด และเลเซอร์เฟมโตวินาที ในบรรดาเลเซอร์เหล่านี้ เลเซอร์อัลตราไวโอเลตมักใช้สำหรับการกำจัดวัสดุด้วยวิธีเย็นอย่างแม่นยำ เนื่องจากมีพลังงานโฟตอนสูง และบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมีขนาดเล็กมาก ซึ่งสามารถลดความเสี่ยงต่อความเสียหายจากความร้อนต่อแผ่นเวเฟอร์และชิปโดยรอบได้อย่างมีประสิทธิภาพ เลเซอร์อินฟราเรดเหมาะสำหรับแผ่นเวเฟอร์ที่หนากว่า เนื่องจากสามารถทะลุทะลวงเข้าไปในวัสดุได้ลึกกว่า เลเซอร์เฟมโตวินาทีช่วยให้การกำจัดวัสดุมีความแม่นยำและมีประสิทธิภาพสูงโดยมีการถ่ายเทความร้อนน้อยมาก ผ่านพัลส์แสงที่สั้นมาก
การตัดด้วยเลเซอร์มีข้อดีหลายประการเหนือกว่าการตัดด้วยใบมีดแบบดั้งเดิม ประการแรก การตัดด้วยเลเซอร์เป็นกระบวนการที่ไม่ต้องสัมผัส จึงไม่จำเป็นต้องใช้แรงกดทางกายภาพกับแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งช่วยลดปัญหาการแตกหักและการร้าวที่มักเกิดขึ้นในการตัดด้วยกลไก คุณสมบัตินี้ทำให้การตัดด้วยเลเซอร์เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการแปรรูปแผ่นเวเฟอร์ที่เปราะบางหรือบางมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งแผ่นเวเฟอร์ที่มีโครงสร้างซับซ้อนหรือมีรายละเอียดละเอียด
▲ แผนภาพการตัดด้วยเลเซอร์ | แหล่งที่มาของภาพ
นอกจากนี้ ความแม่นยำสูงของการตัดด้วยเลเซอร์ยังช่วยให้สามารถโฟกัสลำแสงเลเซอร์ไปยังจุดที่มีขนาดเล็กมาก รองรับรูปแบบการตัดที่ซับซ้อน และทำให้ได้ระยะห่างระหว่างชิปที่น้อยที่สุด คุณสมบัตินี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงที่มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ
อย่างไรก็ตาม การตัดด้วยเลเซอร์ก็มีข้อจำกัดอยู่บ้าง เมื่อเทียบกับการตัดด้วยใบมีดแล้ว การตัดด้วยเลเซอร์จะช้ากว่าและมีราคาแพงกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตขนาดใหญ่ นอกจากนี้ การเลือกประเภทเลเซอร์ที่เหมาะสมและการปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสมเพื่อให้มั่นใจได้ว่าการกำจัดวัสดุมีประสิทธิภาพและลดพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนให้น้อยที่สุด อาจเป็นเรื่องท้าทายสำหรับวัสดุและความหนาบางประเภท
การตัดด้วยเลเซอร์
ในการตัดด้วยเลเซอร์แบบอะเบลชั่น ลำแสงเลเซอร์จะถูกโฟกัสอย่างแม่นยำไปยังตำแหน่งที่กำหนดบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ และพลังงานเลเซอร์จะถูกนำทางตามรูปแบบการตัดที่กำหนดไว้ล่วงหน้า ค่อยๆ ตัดผ่านแผ่นเวเฟอร์ไปจนถึงด้านล่าง ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดในการตัด การดำเนินการนี้จะทำโดยใช้เลเซอร์แบบพัลส์หรือเลเซอร์แบบต่อเนื่อง เพื่อป้องกันความเสียหายต่อแผ่นเวเฟอร์เนื่องจากความร้อนเฉพาะจุดที่มากเกินไปของเลเซอร์ จึงมีการใช้น้ำหล่อเย็นเพื่อลดอุณหภูมิและปกป้องแผ่นเวเฟอร์จากความเสียหายจากความร้อน ในขณะเดียวกัน น้ำหล่อเย็นยังสามารถกำจัดอนุภาคที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการตัดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ป้องกันการปนเปื้อน และรับประกันคุณภาพการตัด
การตัดด้วยเลเซอร์ที่มองไม่เห็น
นอกจากนี้ ยังสามารถโฟกัสเลเซอร์เพื่อถ่ายเทความร้อนเข้าไปในส่วนหลักของแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งเป็นวิธีการที่เรียกว่า “การตัดด้วยเลเซอร์แบบมองไม่เห็น” สำหรับวิธีนี้ ความร้อนจากเลเซอร์จะสร้างช่องว่างในร่องที่ขีดไว้ บริเวณที่อ่อนแอเหล่านี้จะเกิดการเจาะทะลุในลักษณะเดียวกันโดยการแตกหักเมื่อแผ่นเวเฟอร์ถูกยืดออก
▲กระบวนการหลักของการตัดด้วยเลเซอร์แบบมองไม่เห็น
กระบวนการตัดแบบมองไม่เห็นเป็นกระบวนการเลเซอร์ดูดซับภายใน ไม่ใช่การกัดเซาะด้วยเลเซอร์ที่เลเซอร์ถูกดูดซับบนพื้นผิว ในการตัดแบบมองไม่เห็น จะใช้พลังงานลำแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นกึ่งโปร่งใสต่อวัสดุพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ กระบวนการนี้แบ่งออกเป็นสองขั้นตอนหลัก คือ ขั้นตอนแรกเป็นกระบวนการที่ใช้เลเซอร์ และขั้นตอนที่สองเป็นกระบวนการแยกด้วยกลไก
▲ลำแสงเลเซอร์สร้างรูพรุนใต้พื้นผิวเวเฟอร์ โดยด้านหน้าและด้านหลังจะไม่ได้รับผลกระทบ | แหล่งที่มาของภาพ: เครือข่าย
ในขั้นตอนแรก ขณะที่ลำแสงเลเซอร์สแกนแผ่นเวเฟอร์ ลำแสงเลเซอร์จะโฟกัสไปที่จุดเฉพาะจุดหนึ่งภายในแผ่นเวเฟอร์ ทำให้เกิดรอยแตกขึ้นภายใน พลังงานของลำแสงจะทำให้เกิดรอยแตกหลายรอยภายใน ซึ่งยังไม่ทะลุผ่านความหนาทั้งหมดของแผ่นเวเฟอร์ไปยังพื้นผิวด้านบนและด้านล่าง
▲การเปรียบเทียบแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนหนา 100 ไมโครเมตรที่ตัดด้วยใบมีดและการตัดด้วยเลเซอร์แบบมองไม่เห็น | แหล่งที่มาของภาพ เครือข่าย
ในขั้นตอนที่สอง เทปชิปที่ด้านล่างของเวเฟอร์จะถูกขยายออก ทำให้เกิดแรงดึงในรอยแตกภายในเวเฟอร์ ซึ่งเกิดขึ้นในกระบวนการเลเซอร์ในขั้นตอนแรก แรงดึงนี้ทำให้รอยแตกขยายตัวในแนวตั้งไปยังพื้นผิวด้านบนและด้านล่างของเวเฟอร์ จากนั้นจึงแยกเวเฟอร์ออกเป็นชิปตามจุดตัดเหล่านี้ ในการตัดแบบมองไม่เห็น มักใช้การตัดครึ่งหรือการตัดครึ่งด้านล่างเพื่อช่วยในการแยกเวเฟอร์ออกเป็นชิปหรือชิ้นส่วน
ข้อดีที่สำคัญของการตัดด้วยเลเซอร์แบบมองไม่เห็นเมื่อเทียบกับการใช้เลเซอร์แบบกัดเซาะ:
• ไม่จำเป็นต้องใช้สารหล่อเย็น
• ไม่มีเศษวัสดุเกิดขึ้น
• ไม่มีบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนซึ่งอาจสร้างความเสียหายให้กับวงจรที่ไวต่อความร้อนได้
การตัดด้วยพลาสมา
การตัดด้วยพลาสมา (หรือที่รู้จักกันในชื่อ การกัดด้วยพลาสมา หรือการกัดแบบแห้ง) เป็นเทคโนโลยีการตัดแผ่นเวเฟอร์ขั้นสูงที่ใช้การกัดด้วยไอออนแบบรีแอคทีฟ (RIE) หรือการกัดด้วยไอออนแบบรีแอคทีฟเชิงลึก (DRIE) เพื่อแยกชิปแต่ละชิ้นออกจากแผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ เทคโนโลยีนี้ทำการตัดโดยการกำจัดวัสดุทางเคมีตามแนวเส้นตัดที่กำหนดไว้ล่วงหน้าโดยใช้พลาสมา
ในกระบวนการตัดด้วยพลาสมา แผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์จะถูกวางไว้ในห้องสุญญากาศ จากนั้นจะมีการป้อนส่วนผสมของก๊าซที่ทำปฏิกิริยาได้ในปริมาณที่ควบคุมเข้าไปในห้อง และมีการใช้สนามไฟฟ้าเพื่อสร้างพลาสมาที่มีความเข้มข้นสูงของไอออนและอนุมูลอิสระที่ทำปฏิกิริยาได้ สารที่ทำปฏิกิริยาเหล่านี้จะทำปฏิกิริยากับวัสดุของเวเฟอร์และกำจัดวัสดุของเวเฟอร์ออกไปอย่างเลือกสรรตามแนวเส้นที่ขีดไว้ ผ่านการรวมกันของปฏิกิริยาเคมีและการสปัตเตอร์ทางกายภาพ
ข้อดีหลักของการตัดด้วยพลาสมาคือช่วยลดแรงกดทางกลบนแผ่นเวเฟอร์และชิป และลดความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นจากการสัมผัสโดยตรง อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้มีความซับซ้อนและใช้เวลานานกว่าวิธีการอื่น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องจัดการกับแผ่นเวเฟอร์ที่หนาหรือวัสดุที่มีความต้านทานการกัดกร่อนสูง ดังนั้นการนำไปใช้ในการผลิตจำนวนมากจึงมีข้อจำกัด
▲เครือข่ายแหล่งที่มาของภาพ
ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การเลือกวิธีการตัดแผ่นเวเฟอร์ต้องพิจารณาจากหลายปัจจัย รวมถึงคุณสมบัติของวัสดุเวเฟอร์ ขนาดและรูปทรงของชิป ความแม่นยำและความถูกต้องที่ต้องการ ตลอดจนต้นทุนและประสิทธิภาพโดยรวมของการผลิต
วันที่เผยแพร่: 20 กันยายน 2024