การหั่นเวเฟอร์คืออะไร?

A เวเฟอร์ต้องผ่านการเปลี่ยนแปลงสามประการจึงจะกลายเป็นชิปเซมิคอนดักเตอร์ที่แท้จริง: ขั้นแรกแท่งรูปบล็อกจะถูกตัดเป็นเวเฟอร์ ในขั้นตอนที่สอง ทรานซิสเตอร์จะถูกแกะสลักที่ด้านหน้าของเวเฟอร์ผ่านกระบวนการก่อนหน้า และในที่สุดก็ทำการบรรจุภัณฑ์ นั่นคือผ่านกระบวนการตัดเวเฟอร์กลายเป็นชิปเซมิคอนดักเตอร์ที่สมบูรณ์ จะเห็นได้ว่ากระบวนการบรรจุภัณฑ์นั้นอยู่ในกระบวนการแบ็กเอนด์ ในกระบวนการนี้ แผ่นเวเฟอร์จะถูกตัดเป็นชิปเดี่ยวๆ รูปทรงหกเหลี่ยมหลายชิ้น กระบวนการในการรับชิปอิสระนี้เรียกว่า “ซิงเกชัน” และกระบวนการเลื่อยแผ่นเวเฟอร์เป็นทรงลูกบาศก์อิสระเรียกว่า “การตัดแผ่นเวเฟอร์ (Die Sawing)” เมื่อไม่นานมานี้ ด้วยการปรับปรุงการผสานรวมเซมิคอนดักเตอร์ ความหนาของแผ่นเวเฟอร์จึงลดลงเวเฟอร์กลายเป็นบางลงเรื่อยๆ ซึ่งแน่นอนว่าทำให้กระบวนการ “ซิงกูเลชัน” ยากลำบากมาก

วิวัฒนาการของการหั่นเวเฟอร์

กระบวนการด้านหน้าและด้านหลังมีวิวัฒนาการผ่านการโต้ตอบในรูปแบบต่างๆ: วิวัฒนาการของกระบวนการด้านหลังสามารถกำหนดโครงสร้างและตำแหน่งของชิปขนาดเล็กรูปหกเหลี่ยมที่แยกออกจากแม่พิมพ์บนเวเฟอร์เช่นเดียวกับโครงสร้างและตำแหน่งของแผ่น (เส้นทางการเชื่อมต่อไฟฟ้า) บนเวเฟอร์ ในทางกลับกัน วิวัฒนาการของกระบวนการฟรอนต์เอนด์ได้เปลี่ยนกระบวนการและวิธีการเวเฟอร์การทำให้บางลงและ "การหั่นเป็นชิ้น" ในกระบวนการแบ็คเอนด์ ดังนั้นรูปลักษณ์ที่ซับซ้อนมากขึ้นของแพ็คเกจจะมีผลอย่างมากต่อกระบวนการแบ็คเอนด์ นอกจากนี้ จำนวน ขั้นตอน และประเภทของการหั่นก็จะเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงของรูปลักษณ์ของแพ็คเกจด้วย

การคัดลายมือ

ในยุคแรก การ "ทำลาย" โดยใช้แรงภายนอกเป็นวิธีการหั่นลูกเต๋าเพียงวิธีเดียวที่สามารถแบ่งแยกได้เวเฟอร์เข้าไปในแม่พิมพ์หกเหลี่ยม อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีข้อเสียคือขอบของชิ้นส่วนเล็กๆ จะบิ่นหรือแตกร้าว นอกจากนี้ เนื่องจากไม่สามารถขจัดเสี้ยนบนพื้นผิวโลหะได้หมด พื้นผิวที่ตัดจึงหยาบมากเช่นกัน
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ จึงได้เกิดวิธีการตัดแบบ “Scribing” ขึ้น นั่นคือ ก่อนที่จะ “ทำลาย” พื้นผิวของเวเฟอร์ถูกตัดให้เหลือประมาณครึ่งหนึ่งของความลึก “การขีดเขียน” ตามชื่อก็หมายถึงการใช้ใบพัดในการเลื่อย (ตัดครึ่งหนึ่ง) ด้านหน้าของเวเฟอร์ล่วงหน้า ในยุคแรกๆ เวเฟอร์ส่วนใหญ่ที่มีขนาดต่ำกว่า 6 นิ้วจะใช้การตัดแบบนี้โดย “หั่น” ระหว่างชิปก่อนแล้วจึง “หัก”

การเลื่อยใบมีดหรือการเลื่อยใบมีด

วิธีการตัดแบบ “Scribing” ค่อยๆ พัฒนามาเป็นวิธีการตัด (หรือการเลื่อย) แบบ “Blade dicing” ซึ่งเป็นวิธีการตัดโดยใช้ใบมีดสองหรือสามครั้งติดต่อกัน วิธีการตัดแบบ “Blade” สามารถทดแทนปรากฏการณ์ที่เศษไม้ชิ้นเล็กๆ หลุดออกเมื่อ “หัก” หลังจาก “Scribing” และสามารถปกป้องเศษไม้ชิ้นเล็กๆ ในระหว่างกระบวนการ “Singulation” ได้ การตัดแบบ “Blade” แตกต่างจากการตัดแบบ “dicing” ก่อนหน้า นั่นคือ หลังจากการตัดแบบ “Blade” แล้ว จะไม่ได้ “หัก” แต่เป็นการตัดอีกครั้งด้วยใบมีด ดังนั้นจึงเรียกอีกอย่างว่าวิธีการ “dicing แบบขั้นบันได”

เพื่อป้องกันเวเฟอร์จากความเสียหายภายนอกระหว่างกระบวนการตัด จะมีการติดฟิล์มบนเวเฟอร์ล่วงหน้าเพื่อให้มั่นใจว่าการ "ตัดเดี่ยว" ปลอดภัยยิ่งขึ้น ในระหว่างกระบวนการ "เจียรกลับ" ฟิล์มจะถูกติดไว้ที่ด้านหน้าของเวเฟอร์ แต่ในทางกลับกัน ในการตัด "ใบมีด" ควรติดฟิล์มไว้ที่ด้านหลังของเวเฟอร์ ในระหว่างการยึดแม่พิมพ์แบบยูเทคติก (การยึดแม่พิมพ์ การยึดชิปที่แยกออกจากกันบน PCB หรือกรอบคงที่) ฟิล์มที่ติดไว้ด้านหลังจะหลุดออกโดยอัตโนมัติ เนื่องจากแรงเสียดทานสูงระหว่างการตัด ควรพ่นน้ำ DI อย่างต่อเนื่องจากทุกทิศทาง นอกจากนี้ ควรติดใบพัดด้วยอนุภาคเพชรเพื่อให้สามารถหั่นเป็นชิ้นได้ดีขึ้น ในเวลานี้ การตัด (ความหนาของใบมีด: ความกว้างของร่อง) จะต้องสม่ำเสมอและต้องไม่เกินความกว้างของร่องการหั่น
เป็นเวลานานแล้วที่การเลื่อยเป็นวิธีการตัดแบบดั้งเดิมที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ข้อดีที่ใหญ่ที่สุดคือสามารถตัดเวเฟอร์ได้จำนวนมากในเวลาอันสั้น อย่างไรก็ตาม หากความเร็วในการป้อนของชิ้นเพิ่มขึ้นอย่างมาก ความเป็นไปได้ของการลอกขอบชิปเล็ตก็จะเพิ่มขึ้น ดังนั้น จำนวนการหมุนของใบพัดควรได้รับการควบคุมที่ประมาณ 30,000 ครั้งต่อนาที จะเห็นได้ว่าเทคโนโลยีของกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์มักเป็นความลับที่สะสมอย่างช้าๆ ผ่านการสะสมและการลองผิดลองถูกเป็นเวลานาน (ในหัวข้อถัดไปเกี่ยวกับพันธะยูเทกติก เราจะพูดถึงเนื้อหาเกี่ยวกับการตัดและ DAF)

การหั่นเต๋าก่อนบด (DBG) : ลำดับการตัดได้เปลี่ยนวิธีการ

เมื่อทำการตัดด้วยใบมีดบนเวเฟอร์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 นิ้ว ไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับการลอกหรือแตกร้าวของขอบชิปเล็ต แต่เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางเวเฟอร์เพิ่มขึ้นเป็น 21 นิ้วและความหนาบางลงอย่างมาก ปรากฏการณ์การลอกและแตกร้าวจะเริ่มปรากฏขึ้นอีกครั้ง เพื่อลดผลกระทบทางกายภาพต่อเวเฟอร์ในระหว่างกระบวนการตัดอย่างมีนัยสำคัญ วิธีการ DBG ของ "การหั่นก่อนบด" จึงเข้ามาแทนที่ลำดับการตัดแบบดั้งเดิม ซึ่งแตกต่างจากวิธีการตัด "ใบมีด" แบบดั้งเดิมที่ตัดอย่างต่อเนื่อง DBG จะทำการตัด "ใบมีด" ก่อน จากนั้นจึงค่อยๆ ทำให้ความหนาของเวเฟอร์บางลงโดยทำให้ด้านหลังบางลงอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งชิปแตกออก อาจกล่าวได้ว่า DBG เป็นเวอร์ชันอัปเกรดของวิธีการตัด "ใบมีด" ก่อนหน้านี้ เนื่องจากสามารถลดผลกระทบของการตัดครั้งที่สองได้ วิธี DBG จึงได้รับความนิยมอย่างรวดเร็วใน "บรรจุภัณฑ์ระดับเวเฟอร์"

การหั่นด้วยเลเซอร์

กระบวนการแพ็คเกจขนาดชิประดับเวเฟอร์ (WLCSP) ส่วนใหญ่ใช้การตัดด้วยเลเซอร์ การตัดด้วยเลเซอร์สามารถลดปรากฏการณ์เช่นการลอกและการแตกร้าว จึงได้ชิปที่มีคุณภาพดีกว่า แต่เมื่อความหนาของเวเฟอร์มากกว่า 100μm ผลผลิตจะลดลงอย่างมาก ดังนั้น จึงมักใช้กับเวเฟอร์ที่มีความหนาน้อยกว่า 100μm (ค่อนข้างบาง) การตัดด้วยเลเซอร์จะตัดซิลิกอนโดยการใช้เลเซอร์พลังงานสูงกับร่องสลักของเวเฟอร์ อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้การตัดด้วยเลเซอร์แบบธรรมดา (Conventional Laser) จะต้องทาฟิล์มป้องกันบนพื้นผิวเวเฟอร์ล่วงหน้า เนื่องจากการให้ความร้อนหรือฉายรังสีบนพื้นผิวของเวเฟอร์ด้วยเลเซอร์ การสัมผัสทางกายภาพเหล่านี้จะทำให้เกิดร่องบนพื้นผิวของเวเฟอร์ และเศษซิลิกอนที่ตัดจะยึดติดกับพื้นผิวด้วย จะเห็นได้ว่าวิธีการตัดด้วยเลเซอร์แบบธรรมดาจะตัดพื้นผิวของเวเฟอร์โดยตรงด้วย และในแง่นี้ วิธีการนี้จะคล้ายกับวิธีการตัดแบบ "ใบมีด"

Stealth Dicing (SD) เป็นวิธีการตัดด้านในของเวเฟอร์ด้วยพลังงานเลเซอร์ก่อน จากนั้นจึงใช้แรงกดภายนอกกับเทปที่ติดอยู่ด้านหลังเพื่อทำลาย ซึ่งจะทำให้ชิปแยกออกจากกัน เมื่อแรงกดถูกนำไปใช้กับเทปที่ด้านหลัง เวเฟอร์จะถูกยกขึ้นทันทีเนื่องจากเทปยืดออก ทำให้ชิปแยกออกจากกัน ข้อดีของ SD เมื่อเทียบกับวิธีการตัดด้วยเลเซอร์แบบเดิมคือ ประการแรก ไม่มีเศษซิลิกอน ประการที่สอง รอยตัด (รอยตัด: ความกว้างของร่องสลัก) แคบ ทำให้ได้ชิปมากขึ้น นอกจากนี้ ปรากฏการณ์การลอกและแตกร้าวจะลดลงอย่างมากเมื่อใช้ SD ซึ่งมีความสำคัญต่อคุณภาพโดยรวมของการตัด ดังนั้น วิธี SD จึงมีแนวโน้มสูงที่จะกลายเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับความนิยมสูงสุดในอนาคต

การหั่นพลาสม่า
การตัดด้วยพลาสม่าเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นใหม่ซึ่งใช้การกัดด้วยพลาสม่าในการตัดระหว่างกระบวนการผลิต (Fab) การตัดด้วยพลาสม่าใช้สารกึ่งก๊าซแทนของเหลว ดังนั้นจึงส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมค่อนข้างน้อย และใช้วิธีการตัดเวเฟอร์ทั้งหมดในครั้งเดียว ทำให้ความเร็วในการ "ตัด" ค่อนข้างเร็ว อย่างไรก็ตาม วิธีพลาสม่าใช้ก๊าซปฏิกิริยาเคมีเป็นวัตถุดิบ และกระบวนการกัดมีความซับซ้อนมาก ดังนั้นขั้นตอนจึงค่อนข้างยุ่งยาก แต่เมื่อเทียบกับการตัดด้วย "ใบมีด" และการตัดด้วยเลเซอร์ การตัดด้วยพลาสม่าจะไม่ก่อให้เกิดความเสียหายต่อพื้นผิวเวเฟอร์ จึงลดอัตราข้อบกพร่องและได้เศษมากขึ้น

เมื่อไม่นานมานี้ เนื่องจากความหนาของเวเฟอร์ลดลงเหลือ 30μm และใช้ทองแดง (Cu) หรือวัสดุที่มีค่าไดอิเล็กตริกคงที่ต่ำ (Low-k) จำนวนมาก ดังนั้น เพื่อป้องกันการเกิดเสี้ยน (Burr) วิธีการตัดด้วยพลาสม่าจึงได้รับความนิยมเช่นกัน แน่นอนว่าเทคโนโลยีการตัดด้วยพลาสม่าก็พัฒนาอย่างต่อเนื่องเช่นกัน ฉันเชื่อว่าในอนาคตอันใกล้ สักวันหนึ่งจะไม่จำเป็นต้องสวมหน้ากากพิเศษเมื่อแกะสลักอีกต่อไป เพราะนี่คือทิศทางการพัฒนาที่สำคัญของการตัดด้วยพลาสม่า

เนื่องจากความหนาของเวเฟอร์ลดลงอย่างต่อเนื่องจาก 100μm เป็น 50μm และ 30μm วิธีการตัดเพื่อให้ได้ชิปอิสระก็เปลี่ยนแปลงและพัฒนาจากการตัดแบบ "แตก" และ "ใบมีด" เป็นการตัดด้วยเลเซอร์และการตัดด้วยพลาสม่า แม้ว่าวิธีการตัดที่พัฒนามากขึ้นจะทำให้ต้นทุนการผลิตของกระบวนการตัดนั้นเพิ่มขึ้น แต่ในทางกลับกัน ต้นทุนการผลิตชิปหนึ่งชิ้นก็มีแนวโน้มลดลง โดยลดปรากฏการณ์ที่ไม่พึงประสงค์ เช่น การลอกและการแตกร้าวที่มักเกิดขึ้นในการตัดชิปเซมิคอนดักเตอร์ได้อย่างมาก และเพิ่มจำนวนชิปที่ได้ต่อหน่วยเวเฟอร์ แน่นอนว่าการเพิ่มขึ้นของจำนวนชิปที่ได้ต่อหน่วยพื้นที่ของเวเฟอร์นั้นเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการลดความกว้างของถนนที่ตัดลูกเต๋า การใช้การตัดด้วยพลาสม่าทำให้ได้ชิปเพิ่มขึ้นเกือบ 20% เมื่อเทียบกับการใช้การตัดด้วย "ใบมีด" ซึ่งเป็นเหตุผลสำคัญที่ผู้คนเลือกใช้การตัดด้วยพลาสม่า ด้วยการพัฒนาและการเปลี่ยนแปลงของเวเฟอร์ ลักษณะของชิป และวิธีการบรรจุภัณฑ์ กระบวนการตัดต่างๆ เช่น เทคโนโลยีการประมวลผลเวเฟอร์และ DBG ก็เกิดขึ้นเช่นกัน