การหั่นเวเฟอร์คืออะไร?

A เวเฟอร์ชิปเซมิคอนดักเตอร์ต้องผ่านกระบวนการเปลี่ยนแปลงสามขั้นตอน ได้แก่ ขั้นแรก แท่งโลหะรูปทรงบล็อกจะถูกตัดเป็นแผ่นเวเฟอร์ ขั้นที่สอง ทรานซิสเตอร์จะถูกสลักลงบนด้านหน้าของแผ่นเวเฟอร์โดยใช้กระบวนการก่อนหน้านี้ และสุดท้ายคือการบรรจุภัณฑ์ ซึ่งก็คือการตัดแผ่นเวเฟอร์นั่นเองเวเฟอร์กลายเป็นชิปเซมิคอนดักเตอร์ที่สมบูรณ์ จะเห็นได้ว่ากระบวนการบรรจุภัณฑ์จัดอยู่ในกระบวนการส่วนท้าย (back-end process) ในกระบวนการนี้ แผ่นเวเฟอร์จะถูกตัดเป็นชิปทรงหกเหลี่ยมหลายชิ้นแยกกัน กระบวนการที่ได้ชิปอิสระเหล่านี้เรียกว่า "การแยกชิป" (Singulation) และกระบวนการเลื่อยแผ่นเวเฟอร์ให้เป็นทรงสี่เหลี่ยมลูกบาศก์อิสระเรียกว่า "การตัดเวเฟอร์ (Die Sawing)" ในปัจจุบัน ด้วยการพัฒนาด้านการรวมวงจรเซมิคอนดักเตอร์ ความหนาของแผ่นเวเฟอร์จึงลดลงเวเฟอร์บางลงเรื่อยๆ ซึ่งแน่นอนว่าทำให้กระบวนการ "แยกชิ้น" ยากขึ้นมาก

วิวัฒนาการของการตัดแผ่นเวเฟอร์

กระบวนการฝั่งหน้าบ้าน (front-end) และฝั่งหลังบ้าน (back-end) ได้พัฒนาขึ้นผ่านการปฏิสัมพันธ์ในหลากหลายรูปแบบ: การพัฒนาของกระบวนการฝั่งหลังบ้านสามารถกำหนดโครงสร้างและตำแหน่งของชิปรูปทรงหกเหลี่ยมขนาดเล็กที่แยกออกจากได (die) บนชิปได้เวเฟอร์รวมถึงโครงสร้างและตำแหน่งของแผ่นรอง (เส้นทางการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า) บนเวเฟอร์ ในทางตรงกันข้าม วิวัฒนาการของกระบวนการส่วนหน้าได้เปลี่ยนแปลงกระบวนการและวิธีการของเวเฟอร์การลดความหนาและการ "ตัดแบ่ง" ในกระบวนการผลิตขั้นสุดท้าย ดังนั้น รูปลักษณ์ที่ซับซ้อนมากขึ้นของบรรจุภัณฑ์จะส่งผลกระทบอย่างมากต่อกระบวนการผลิตขั้นสุดท้าย นอกจากนี้ จำนวน ขั้นตอน และประเภทของการตัดแบ่งก็จะเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงของรูปลักษณ์ของบรรจุภัณฑ์ด้วย

การทอยลูกเต๋าของนักเขียน

ในสมัยก่อน การ "หัก" โดยใช้แรงภายนอกเป็นวิธีเดียวในการหั่นลูกเต๋าที่สามารถแบ่งลูกเต๋าได้เวเฟอร์โดยการขึ้นรูปเป็นแม่พิมพ์ทรงหกเหลี่ยม อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีข้อเสียคืออาจเกิดการบิ่นหรือแตกที่ขอบของเศษโลหะชิ้นเล็กๆ นอกจากนี้ เนื่องจากเศษโลหะที่ตกค้างบนพื้นผิวโลหะไม่ได้ถูกกำจัดออกไปอย่างสมบูรณ์ พื้นผิวที่ตัดจึงหยาบมาก
เพื่อแก้ปัญหานี้ จึงได้คิดค้นวิธีการตัดแบบ "ขีดเส้น" ขึ้นมา กล่าวคือ ก่อนที่จะ "ตัด" นั้น จะทำการขีดเส้นบนพื้นผิวของชิ้นงานก่อนเวเฟอร์ถูกตัดให้เหลือความลึกประมาณครึ่งหนึ่ง “การขีดเส้น” (Scribing) ตามชื่อที่บ่งบอก หมายถึงการใช้ใบพัดในการเลื่อย (ตัดครึ่ง) ด้านหน้าของแผ่นเวเฟอร์ล่วงหน้า ในยุคแรกๆ เวเฟอร์ส่วนใหญ่ที่มีขนาดต่ำกว่า 6 นิ้วจะใช้วิธีการตัดแบบนี้ โดยเริ่มจากการ “เฉือน” ระหว่างชิปก่อน แล้วจึง “หัก”

การหั่นด้วยใบมีด หรือการเลื่อยด้วยใบมีด

วิธีการตัดแบบ “ขีดเส้น” ค่อยๆ พัฒนาไปเป็นวิธีการตัดแบบ “หั่นเป็นชิ้นเล็กๆ ด้วยใบมีด” (หรือการเลื่อย) ซึ่งเป็นวิธีการตัดโดยใช้ใบมีดสองหรือสามครั้งติดต่อกัน วิธีการตัดแบบ “หั่นเป็นชิ้นเล็กๆ ด้วยใบมีด” สามารถชดเชยปรากฏการณ์ที่เศษชิ้นเล็กๆ หลุดออกมาเมื่อ “หัก” หลังจาก “ขีดเส้น” และสามารถปกป้องเศษชิ้นเล็กๆ เหล่านั้นในระหว่างกระบวนการ “แยกชิ้น” ได้ การตัดแบบ “หั่นเป็นชิ้นเล็กๆ ด้วยใบมีด” แตกต่างจากการตัดแบบ “หั่นเป็นชิ้นเล็กๆ ด้วยใบมีด” ก่อนหน้านี้ กล่าวคือ หลังจากตัดแบบ “หั่นเป็นชิ้นเล็กๆ ด้วยใบมีด” แล้ว จะไม่ใช่การ “หัก” แต่เป็นการตัดซ้ำอีกครั้งด้วยใบมีด ดังนั้นจึงเรียกอีกอย่างว่าวิธีการ “หั่นเป็นชิ้นเล็กๆ แบบเป็นขั้นๆ”

เพื่อป้องกันแผ่นเวเฟอร์จากความเสียหายภายนอกระหว่างกระบวนการตัด จะมีการติดฟิล์มลงบนแผ่นเวเฟอร์ล่วงหน้าเพื่อให้การตัด "แยกชิ้น" ปลอดภัยยิ่งขึ้น ในระหว่างกระบวนการ "เจียรด้านหลัง" ฟิล์มจะถูกติดไว้ที่ด้านหน้าของแผ่นเวเฟอร์ แต่ในทางตรงกันข้าม ในการตัดแบบ "ใบมีด" ฟิล์มควรติดไว้ที่ด้านหลังของแผ่นเวเฟอร์ ในระหว่างการเชื่อมต่อชิ้นส่วนยูเทคติก (การเชื่อมต่อชิ้นส่วน การยึดชิ้นส่วนที่แยกออกจากกันบน PCB หรือเฟรมที่ยึดไว้) ฟิล์มที่ติดอยู่ด้านหลังจะหลุดออกเองโดยอัตโนมัติ เนื่องจากแรงเสียดทานสูงในระหว่างการตัด จึงควรฉีดน้ำ DI อย่างต่อเนื่องจากทุกทิศทาง นอกจากนี้ ควรติดอนุภาคเพชรไว้ที่ใบพัดเพื่อให้สามารถตัดชิ้นเวเฟอร์ได้ดียิ่งขึ้น ในขณะนี้ การตัด (ความหนาของใบมีด : ความกว้างของร่อง) ต้องสม่ำเสมอและต้องไม่เกินความกว้างของร่องตัด
การเลื่อยเป็นวิธีการตัดแบบดั้งเดิมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมาเป็นเวลานาน ข้อดีที่สำคัญที่สุดคือสามารถตัดแผ่นเวเฟอร์จำนวนมากได้ในเวลาอันสั้น อย่างไรก็ตาม หากเพิ่มความเร็วในการป้อนชิ้นงานมากเกินไป โอกาสที่ขอบชิปเล็ตจะหลุดลอกก็จะเพิ่มขึ้น ดังนั้น จำนวนรอบการหมุนของใบพัดควรควบคุมไว้ที่ประมาณ 30,000 รอบต่อนาที จะเห็นได้ว่าเทคโนโลยีการผลิตเซมิคอนดักเตอร์มักเป็นความลับที่สะสมมาอย่างช้าๆ ผ่านการสะสมและการลองผิดลองถูกเป็นเวลานาน (ในส่วนถัดไปเกี่ยวกับการเชื่อมยูเทคติก เราจะกล่าวถึงเนื้อหาเกี่ยวกับการตัดและ DAF)

การหั่นก่อนบด (DBG): ลำดับการตัดได้เปลี่ยนวิธีการแล้ว

เมื่อทำการตัดด้วยใบมีดบนเวเฟอร์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 นิ้ว ไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับการลอกหรือแตกร้าวของขอบชิปเล็ต แต่เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของเวเฟอร์เพิ่มขึ้นเป็น 21 นิ้ว และความหนาลดลงอย่างมาก ปรากฏการณ์การลอกและแตกร้าวก็จะเริ่มปรากฏขึ้นอีกครั้ง เพื่อลดผลกระทบทางกายภาพต่อเวเฟอร์อย่างมีนัยสำคัญในระหว่างกระบวนการตัด วิธีการ DBG หรือ “การตัดก่อนการเจียร” จึงเข้ามาแทนที่ลำดับการตัดแบบดั้งเดิม แตกต่างจากวิธีการตัดด้วย “ใบมีด” แบบดั้งเดิมที่ตัดอย่างต่อเนื่อง วิธีการ DBG จะทำการตัดด้วย “ใบมีด” ก่อน จากนั้นค่อยๆ ลดความหนาของเวเฟอร์โดยการตัดด้านหลังอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งชิปถูกแบ่งออก อาจกล่าวได้ว่า DBG เป็นเวอร์ชันที่ได้รับการปรับปรุงของวิธีการตัดด้วย “ใบมีด” แบบเดิม เนื่องจากสามารถลดผลกระทบจากการตัดครั้งที่สองได้ วิธีการ DBG จึงได้รับความนิยมอย่างรวดเร็วใน “การบรรจุภัณฑ์ระดับเวเฟอร์”

การหั่นด้วยเลเซอร์

กระบวนการผลิตชิปขนาดระดับเวเฟอร์ (WLCSP) ส่วนใหญ่ใช้การตัดด้วยเลเซอร์ การตัดด้วยเลเซอร์สามารถลดปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น การลอกและการแตกร้าว ทำให้ได้ชิปที่มีคุณภาพดีขึ้น แต่เมื่อความหนาของเวเฟอร์มากกว่า 100 ไมโครเมตร ประสิทธิภาพการผลิตจะลดลงอย่างมาก ดังนั้นจึงมักใช้กับเวเฟอร์ที่มีความหนาน้อยกว่า 100 ไมโครเมตร (ค่อนข้างบาง) การตัดด้วยเลเซอร์จะตัดซิลิคอนโดยการใช้เลเซอร์พลังงานสูงไปที่ร่องบนเวเฟอร์ อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้การตัดด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิม (Conventional Laser) จะต้องมีการเคลือบฟิล์มป้องกันบนพื้นผิวเวเฟอร์ก่อน เพราะการให้ความร้อนหรือการฉายรังสีเลเซอร์บนพื้นผิวของเวเฟอร์จะทำให้เกิดร่องบนพื้นผิวของเวเฟอร์ และเศษซิลิคอนที่ถูกตัดก็จะติดอยู่บนพื้นผิวด้วย จะเห็นได้ว่าวิธีการตัดด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิมก็ตัดพื้นผิวของเวเฟอร์โดยตรงเช่นกัน ในแง่นี้จึงคล้ายกับวิธีการตัดด้วย "ใบมีด"

การตัดแบบ Stealth Dicing (SD) เป็นวิธีการตัดด้านในของแผ่นเวเฟอร์ด้วยพลังงานเลเซอร์ก่อน จากนั้นจึงใช้แรงกดจากภายนอกกับเทปที่ติดอยู่ด้านหลังเพื่อทำให้เทปขาดและแยกชิปออกจากกัน เมื่อใช้แรงกดกับเทปด้านหลัง แผ่นเวเฟอร์จะถูกยกขึ้นทันทีเนื่องจากการยืดตัวของเทป ทำให้ชิปแยกออกจากกัน ข้อดีของ SD เมื่อเทียบกับวิธีการตัดด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิมคือ ประการแรก ไม่มีเศษซิลิคอน ประการที่สอง ร่องตัด (Kerf: ความกว้างของร่องที่ตัด) แคบกว่า ทำให้ได้ชิปมากขึ้น นอกจากนี้ ปรากฏการณ์การลอกและการแตกร้าวจะลดลงอย่างมากเมื่อใช้วิธี SD ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญต่อคุณภาพโดยรวมของการตัด ดังนั้น วิธี SD มีแนวโน้มที่จะกลายเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในอนาคต

การหั่นด้วยพลาสมา
การตัดด้วยพลาสมาเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นใหม่ โดยใช้การกัดด้วยพลาสมาในการตัดระหว่างกระบวนการผลิต (Fab) การตัดด้วยพลาสมาใช้วัสดุที่เป็นกึ่งก๊าซแทนของเหลว ดังนั้นผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจึงค่อนข้างน้อย และใช้วิธีการตัดแผ่นเวเฟอร์ทั้งหมดในครั้งเดียว ดังนั้นความเร็วในการ "ตัด" จึงค่อนข้างเร็ว อย่างไรก็ตาม วิธีการตัดด้วยพลาสมาใช้ก๊าซที่ทำปฏิกิริยาทางเคมีเป็นวัตถุดิบ และกระบวนการกัดนั้นซับซ้อนมาก ดังนั้นขั้นตอนการทำงานจึงค่อนข้างยุ่งยาก แต่เมื่อเทียบกับการตัดด้วย "ใบมีด" และการตัดด้วยเลเซอร์ การตัดด้วยพลาสมาจะไม่ทำให้พื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์เสียหาย จึงช่วยลดอัตราการชำรุดและได้ชิ้นงานมากขึ้น

ในปัจจุบัน เนื่องจากความหนาของแผ่นเวเฟอร์ลดลงเหลือเพียง 30 ไมโครเมตร และมีการใช้ทองแดง (Cu) หรือวัสดุที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ (Low-k) มากขึ้น ดังนั้น เพื่อป้องกันการเกิดครีบ (Burr) วิธีการตัดด้วยพลาสมาจึงได้รับความนิยมมากขึ้น แน่นอนว่าเทคโนโลยีการตัดด้วยพลาสมาก็กำลังพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ผมเชื่อว่าในอนาคตอันใกล้ วันหนึ่งเราอาจไม่จำเป็นต้องสวมหน้ากากพิเศษขณะทำการกัด เพราะนี่คือทิศทางการพัฒนาที่สำคัญของการตัดด้วยพลาสมา

เนื่องจากความหนาของแผ่นเวเฟอร์ลดลงอย่างต่อเนื่องจาก 100 ไมโครเมตร เหลือ 50 ไมโครเมตร และ 30 ไมโครเมตร วิธีการตัดเพื่อให้ได้ชิปแต่ละชิ้นจึงเปลี่ยนแปลงและพัฒนาไปเรื่อยๆ จากการตัดแบบ "ทุบ" และ "ใช้ใบมีด" ไปสู่การตัดด้วยเลเซอร์และการตัดด้วยพลาสมา แม้ว่าวิธีการตัดที่พัฒนาขึ้นเรื่อยๆ จะทำให้ต้นทุนการผลิตของกระบวนการตัดเองสูงขึ้น แต่ในทางกลับกัน การลดปรากฏการณ์ที่ไม่พึงประสงค์ เช่น การลอกและการแตกร้าวที่มักเกิดขึ้นในการตัดชิปเซมิคอนดักเตอร์ และการเพิ่มจำนวนชิปที่ได้ต่อแผ่นเวเฟอร์ ทำให้ต้นทุนการผลิตต่อชิปหนึ่งชิ้นมีแนวโน้มลดลง แน่นอนว่า การเพิ่มจำนวนชิปที่ได้ต่อพื้นที่ของแผ่นเวเฟอร์นั้นเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการลดความกว้างของร่องตัด การใช้การตัดด้วยพลาสมาทำให้สามารถผลิตชิปได้มากขึ้นเกือบ 20% เมื่อเทียบกับการใช้วิธีการตัดแบบ "ใช้ใบมีด" ซึ่งเป็นเหตุผลสำคัญอีกประการหนึ่งที่ทำให้ผู้คนเลือกใช้การตัดด้วยพลาสมา ด้วยการพัฒนาและการเปลี่ยนแปลงของเวเฟอร์ รูปลักษณ์ของชิป และวิธีการบรรจุภัณฑ์ กระบวนการตัดต่างๆ เช่น เทคโนโลยีการประมวลผลเวเฟอร์และ DBG จึงเกิดขึ้นมากมายเช่นกัน