ทำไมจึงต้องตัดแต่งกิ่ง?

ในขั้นตอนการประมวลผลเบื้องหลังนั้นเวเฟอร์ (แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนชิปที่มีวงจรอยู่ด้านหน้า จำเป็นต้องทำการเจียรด้านหลังให้บางลงก่อนที่จะทำการตัด การเชื่อม และการบรรจุหีบห่อในขั้นตอนต่อไป เพื่อลดความสูงในการติดตั้งบรรจุภัณฑ์ ลดปริมาตรของบรรจุภัณฑ์ชิป ปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายความร้อน ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า คุณสมบัติทางกลของชิป และลดปริมาณการตัด การเจียรด้านหลังมีข้อดีคือมีประสิทธิภาพสูงและต้นทุนต่ำ จึงได้เข้ามาแทนที่กระบวนการกัดแบบเปียกและการกัดด้วยไอออนแบบดั้งเดิม และกลายเป็นเทคโนโลยีการเจียรด้านหลังที่สำคัญที่สุด

แผ่นเวเฟอร์บาง

วิธีทำให้ผอมลง?

กระบวนการหลักของการลดความหนาของเวเฟอร์ในกระบวนการบรรจุภัณฑ์แบบดั้งเดิม

ขั้นตอนเฉพาะของเวเฟอร์การทำให้บางลงคือการเชื่อมแผ่นเวเฟอร์ที่จะทำการแปรรูปเข้ากับฟิล์มบาง จากนั้นใช้สุญญากาศดูดฟิล์มบางและชิปที่อยู่บนนั้นเข้ากับแท่นวางเวเฟอร์เซรามิกที่มีรูพรุน ปรับเส้นศูนย์กลางวงกลมด้านในและด้านนอกของพื้นผิวการทำงานของล้อเจียรเพชรทรงถ้วยให้ตรงกับศูนย์กลางของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน แล้วให้แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนและล้อเจียรหมุนรอบแกนของตนเองเพื่อทำการเจียร การเจียรประกอบด้วยสามขั้นตอน ได้แก่ การเจียรหยาบ การเจียรละเอียด และการขัดเงา

แผ่นเวเฟอร์ที่ออกมาจากโรงงานผลิตเวเฟอร์จะถูกเจียรด้านหลังเพื่อให้บางลงตามความหนาที่ต้องการสำหรับการบรรจุภัณฑ์ ในระหว่างการเจียรเวเฟอร์ จะต้องติดเทปไว้ที่ด้านหน้า (พื้นที่ใช้งาน) เพื่อป้องกันพื้นที่วงจร และทำการเจียรด้านหลังไปพร้อมกัน หลังจากเจียรเสร็จแล้ว ให้ลอกเทปออกและวัดความหนา
กระบวนการเจียรที่ประสบความสำเร็จในการนำมาใช้เตรียมแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน ได้แก่ การเจียรด้วยโต๊ะหมุนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนการเจียรแบบหมุน การเจียรสองด้าน ฯลฯ ด้วยความต้องการคุณภาพพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่พัฒนาขึ้นอย่างต่อเนื่อง จึงมีการเสนอเทคโนโลยีการเจียรใหม่ๆ อยู่เสมอ เช่น การเจียรแบบ TAIKO การเจียรเชิงกลเคมี การเจียรขัดเงา และการเจียรแบบจานดาวเคราะห์

การเจียรด้วยโต๊ะหมุน:

การเจียรด้วยโต๊ะหมุน (Rotary table grinding) เป็นกระบวนการเจียรแบบดั้งเดิมที่ใช้ในการเตรียมแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนและการทำให้บางด้านหลัง หลักการแสดงในรูปที่ 1 แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนจะถูกยึดไว้บนถ้วยดูดของโต๊ะหมุน และหมุนไปพร้อมกันโดยขับเคลื่อนด้วยโต๊ะหมุน แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนเองไม่ได้หมุนรอบแกนของมัน ล้อเจียรจะถูกป้อนในแนวแกนขณะที่หมุนด้วยความเร็วสูง และเส้นผ่านศูนย์กลางของล้อเจียรจะใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน การเจียรด้วยโต๊ะหมุนมีสองประเภท ได้แก่ การเจียรแบบจุ่มหน้า (Face plunge grinding) และการเจียรแบบสัมผัสหน้า (Face tangential grinding) ในการเจียรแบบจุ่มหน้า ความกว้างของล้อเจียรจะใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน และแกนของล้อเจียรจะป้อนอย่างต่อเนื่องในทิศทางแกนจนกว่าส่วนเกินจะถูกประมวลผล จากนั้นแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนจะหมุนภายใต้การขับเคลื่อนของโต๊ะหมุน ในการเจียรผิวหน้าแบบสัมผัส ล้อเจียรจะเคลื่อนที่ไปตามทิศทางแกน และแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนจะหมุนอย่างต่อเนื่องภายใต้แรงขับของแผ่นดิสก์ที่หมุน และการเจียรจะเสร็จสมบูรณ์โดยการป้อนแบบไปกลับ (reciprocation) หรือการป้อนแบบค่อยเป็นค่อยไป (creepfeed)

รูปที่ 1 แผนภาพแสดงหลักการทำงานของโต๊ะหมุนเจียร (แนวสัมผัสของหน้าตัด)

เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการเจียรแบบเดิม การเจียรด้วยโต๊ะหมุนมีข้อดีคือ อัตราการกำจัดวัสดุสูง ความเสียหายต่อพื้นผิวน้อย และง่ายต่อการทำงานอัตโนมัติ อย่างไรก็ตาม พื้นที่การเจียรจริง (การเจียรแบบแอคทีฟ) B และมุมการตัด θ (มุมระหว่างวงกลมด้านนอกของล้อเจียรและวงกลมด้านนอกของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน) ในกระบวนการเจียรจะเปลี่ยนแปลงไปตามตำแหน่งการตัดของล้อเจียร ทำให้แรงเจียรไม่คงที่ ส่งผลให้ยากที่จะได้ความแม่นยำของพื้นผิวในอุดมคติ (ค่า TTV สูง) และทำให้เกิดข้อบกพร่องได้ง่าย เช่น การยุบตัวของขอบและการบิดเบี้ยวของขอบ เทคโนโลยีการเจียรด้วยโต๊ะหมุนส่วนใหญ่ใช้สำหรับการแปรรูปแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่มีขนาดต่ำกว่า 200 มม. การเพิ่มขนาดของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวทำให้มีความต้องการความแม่นยำของพื้นผิวและความแม่นยำในการเคลื่อนที่ของแท่นทำงานสูงขึ้น ดังนั้นการเจียรด้วยโต๊ะหมุนจึงไม่เหมาะสำหรับการเจียรแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่มีขนาดมากกว่า 300 มม.
เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการเจียร อุปกรณ์เจียรผิวเรียบแบบสัมผัสเชิงพาณิชย์มักใช้โครงสร้างล้อเจียรหลายล้อ ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์จะติดตั้งล้อเจียรหยาบหนึ่งชุดและล้อเจียรละเอียดหนึ่งชุด และโต๊ะหมุนจะหมุนหนึ่งรอบเพื่อทำการเจียรหยาบและเจียรละเอียดสลับกันไป อุปกรณ์ประเภทนี้รวมถึง G-500DS ของบริษัท GTI ของสหรัฐอเมริกา (รูปที่ 2)

ภาพที่ 2 เครื่องเจียรแบบโต๊ะหมุน G-500DS ของบริษัท GTI ในสหรัฐอเมริกา

การเจียรแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนแบบหมุน:

เพื่อตอบสนองความต้องการในการเตรียมแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนขนาดใหญ่และกระบวนการทำให้บางด้านหลัง รวมถึงเพื่อให้ได้ความแม่นยำของพื้นผิวที่มีค่า TTV ที่ดี ในปี 1988 นักวิชาการชาวญี่ปุ่นชื่อมัตสึอิได้เสนอวิธีการเจียรแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนแบบหมุน (การเจียรแบบป้อนเข้า) หลักการแสดงในรูปที่ 3 แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวและล้อเจียรเพชรรูปถ้วยที่ดูดติดอยู่บนแท่นทำงานจะหมุนรอบแกนของตนเอง และล้อเจียรจะถูกป้อนอย่างต่อเนื่องไปตามทิศทางแกนในเวลาเดียวกัน โดยที่เส้นผ่านศูนย์กลางของล้อเจียรมีขนาดใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนที่กำลังประมวลผล และเส้นรอบวงของล้อเจียรจะผ่านศูนย์กลางของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน เพื่อลดแรงเจียรและลดความร้อนจากการเจียร ถ้วยดูดสุญญากาศมักจะถูกตัดแต่งให้มีรูปร่างนูนหรือเว้า หรือปรับมุมระหว่างแกนของล้อเจียรและแกนของถ้วยดูดเพื่อให้แน่ใจว่ามีการเจียรแบบกึ่งสัมผัสระหว่างล้อเจียรและแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน

รูปที่ 3 แผนภาพแสดงหลักการเจียรแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนแบบหมุน

เมื่อเปรียบเทียบกับการเจียรแบบโต๊ะหมุน การเจียรแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนแบบหมุนมีข้อดีดังต่อไปนี้: ① สามารถเจียรแผ่นเวเฟอร์ขนาดใหญ่กว่า 300 มม. ได้ในครั้งเดียว; ② พื้นที่เจียรจริง B และมุมตัด θ มีค่าคงที่ และแรงเจียรค่อนข้างคงที่; ③ โดยการปรับมุมเอียงระหว่างแกนล้อเจียรและแกนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน สามารถควบคุมรูปร่างพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อให้ได้ความแม่นยำของรูปร่างพื้นผิวที่ดีขึ้น นอกจากนี้ พื้นที่เจียรและมุมตัด θ ของการเจียรแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนแบบหมุนยังมีข้อดีอื่นๆ เช่น การเจียรขอบกว้าง การตรวจจับและควบคุมความหนาและคุณภาพพื้นผิวแบบออนไลน์ได้ง่าย โครงสร้างอุปกรณ์กะทัดรัด การเจียรแบบบูรณาการหลายสถานีได้ง่าย และประสิทธิภาพการเจียรสูง
เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตและตอบสนองความต้องการของสายการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ อุปกรณ์เจียรเชิงพาณิชย์ที่ใช้หลักการเจียรแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนแบบหมุนจึงใช้โครงสร้างแบบหลายแกนหลายสถานี ซึ่งสามารถทำการเจียรหยาบและเจียรละเอียดได้ในขั้นตอนการโหลดและขนถ่ายเพียงครั้งเดียว เมื่อรวมกับอุปกรณ์เสริมอื่นๆ จะสามารถทำการเจียรแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวแบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบได้ทั้งแบบ "เข้า/ออกแห้ง" และ "จากตลับหนึ่งไปยังอีกตลับหนึ่ง"

การเจียรสองด้าน:

เมื่อทำการเจียรแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนแบบหมุนบนพื้นผิวบนและล่างของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน จำเป็นต้องพลิกชิ้นงานและดำเนินการเป็นขั้นตอน ซึ่งจำกัดประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกัน การเจียรแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนแบบหมุนยังทำให้เกิดการคัดลอกข้อผิดพลาดบนพื้นผิว (copied) และรอยเจียร (grindingmark) และไม่สามารถกำจัดข้อบกพร่องต่างๆ เช่น ความเป็นคลื่นและความเรียวบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวได้อย่างมีประสิทธิภาพหลังจากการตัดด้วยลวด (multi-saw) ดังแสดงในรูปที่ 4 เพื่อเอาชนะข้อบกพร่องข้างต้น เทคโนโลยีการเจียรสองด้าน (doublesidegrinding) จึงปรากฏขึ้นในช่วงทศวรรษ 1990 และหลักการของมันแสดงในรูปที่ 5 ตัวจับยึดที่กระจายอย่างสมมาตรบนทั้งสองด้านจะจับแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวไว้ในวงแหวนยึดและหมุนช้าๆ โดยใช้ลูกกลิ้งเป็นตัวขับเคลื่อน ล้อเจียรเพชรรูปถ้วยคู่หนึ่งจะวางอยู่สัมพัทธ์กันบนทั้งสองด้านของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยว โดยขับเคลื่อนด้วยแกนหมุนไฟฟ้าแบบแบริ่งอากาศ ล้อเจียรจะหมุนไปในทิศทางตรงกันข้ามและป้อนตามแนวแกนเพื่อให้ได้การเจียรสองด้านของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยว จากภาพจะเห็นได้ว่า การเจียรสองด้านสามารถขจัดความไม่เรียบและความลาดเอียงบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวได้อย่างมีประสิทธิภาพหลังจากการตัดด้วยลวด การเจียรสองด้านสามารถทำได้ทั้งแนวนอนและแนวตั้ง ขึ้นอยู่กับทิศทางการจัดวางแกนของล้อเจียร โดยในจำนวนนี้ การเจียรสองด้านแบบแนวนอนสามารถลดผลกระทบของการเสียรูปของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนที่เกิดจากน้ำหนักของแผ่นเวเฟอร์ต่อคุณภาพการเจียรได้อย่างมีประสิทธิภาพ และยังช่วยให้มั่นใจได้ว่าสภาวะการเจียรบนทั้งสองด้านของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวนั้นเหมือนกัน และอนุภาคขัดและเศษเจียรจะไม่ตกค้างบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวได้ง่าย จึงเป็นวิธีการเจียรที่ค่อนข้างเหมาะสม

รูปที่ 4 "สำเนาผิดพลาด" และรอยสึกหรอที่เป็นข้อบกพร่องในการเจียรแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนแบบหมุน

รูปที่ 5 แผนภาพแสดงหลักการเจียรสองด้าน

ตารางที่ 1 แสดงการเปรียบเทียบระหว่างการเจียรแบบด้านเดียวและการเจียรแบบสองด้านของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวทั้งสามประเภทข้างต้น การเจียรแบบสองด้านส่วนใหญ่ใช้สำหรับการแปรรูปแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่า 200 มม. และมีผลผลิตเวเฟอร์สูง เนื่องจากการใช้ล้อเจียรแบบคงที่ การเจียรแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวจึงสามารถให้คุณภาพพื้นผิวที่สูงกว่าการเจียรแบบสองด้านมาก ดังนั้นทั้งการเจียรแบบหมุนและการเจียรแบบสองด้านของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนจึงสามารถตอบสนองความต้องการด้านคุณภาพการแปรรูปของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนขนาด 300 มม. ทั่วไปได้ และเป็นวิธีการปรับพื้นผิวที่สำคัญที่สุดในปัจจุบัน เมื่อเลือกวิธีการปรับพื้นผิวแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน จำเป็นต้องพิจารณาความต้องการด้านขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง คุณภาพพื้นผิว และเทคโนโลยีการขัดเงาของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวอย่างรอบด้าน การลดความหนาของด้านหลังของเวเฟอร์สามารถเลือกได้เฉพาะวิธีการแปรรูปแบบด้านเดียว เช่น วิธีการเจียรแบบหมุนของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน

นอกจากการเลือกวิธีการเจียรในการเจียรแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนแล้ว ยังจำเป็นต้องพิจารณาเลือกพารามิเตอร์กระบวนการที่เหมาะสม เช่น แรงดันบวก ขนาดเม็ดเจียร สารยึดเกาะล้อเจียร ความเร็วล้อเจียร ความเร็วแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน ความหนืดและอัตราการไหลของของเหลวเจียร เป็นต้น และกำหนดเส้นทางกระบวนการที่เหมาะสม โดยปกติแล้วจะใช้กระบวนการเจียรแบบแบ่งขั้นตอน ซึ่งรวมถึงการเจียรหยาบ การเจียรกึ่งละเอียด การเจียรละเอียด การเจียรแบบไร้ประกาย และการเจียรช้า เพื่อให้ได้แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่มีประสิทธิภาพการประมวลผลสูง ความเรียบของพื้นผิวสูง และความเสียหายของพื้นผิวต่ำ