Cắt lát wafer là gì?

A tấm waferĐể trở thành một chip bán dẫn thực sự, phôi bán dẫn phải trải qua ba giai đoạn: đầu tiên, phôi hình khối được cắt thành các tấm wafer; trong quy trình thứ hai, các bóng bán dẫn được khắc lên mặt trước của tấm wafer thông qua quy trình trước đó; cuối cùng, quá trình đóng gói được thực hiện, tức là thông qua quá trình cắt, các bóng bán dẫn được khắc lên bề mặt tấm wafer.tấm wafertrở thành một chip bán dẫn hoàn chỉnh. Có thể thấy rằng quy trình đóng gói thuộc về quy trình phía sau (back-end process). Trong quy trình này, tấm wafer sẽ được cắt thành nhiều chip hình lục giác riêng lẻ. Quá trình thu được các chip độc lập này được gọi là “Tách chip” (Singulation), và quá trình cưa tấm wafer thành các hình hộp chữ nhật độc lập được gọi là “Cắt wafer (Die Sawing)”. Gần đây, với sự cải tiến của công nghệ tích hợp bán dẫn, độ dày củabánh waferNó ngày càng trở nên mỏng hơn, điều này tất nhiên gây ra rất nhiều khó khăn cho quá trình "tách riêng".

Sự phát triển của công nghệ cắt lát wafer

Các quy trình tiền xử lý và hậu xử lý đã phát triển thông qua sự tương tác theo nhiều cách khác nhau: sự phát triển của các quy trình hậu xử lý có thể quyết định cấu trúc và vị trí của các chip nhỏ hình lục giác được tách ra từ đế chip.tấm wafercũng như cấu trúc và vị trí của các điểm tiếp xúc (đường dẫn kết nối điện) trên tấm wafer; ngược lại, sự phát triển của các quy trình tiền xử lý đã thay đổi quy trình và phương pháp củatấm waferViệc làm mỏng mặt sau và "cắt lát" được thực hiện trong quy trình hậu kỳ. Do đó, sự tinh vi ngày càng tăng của bao bì sẽ có tác động lớn đến quy trình hậu kỳ. Hơn nữa, số lượng, quy trình và loại cắt lát cũng sẽ thay đổi tương ứng theo sự thay đổi về hình thức của bao bì.

Scribe Dicing

Vào thời kỳ đầu, "bẻ" bằng cách tác động lực bên ngoài là phương pháp duy nhất có thể chia nhỏ các mảnh vụn.tấm wafervào khuôn hình lục giác. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là dễ bị sứt mẻ hoặc nứt vỡ cạnh của các mảnh vụn nhỏ. Ngoài ra, vì các gờ trên bề mặt kim loại không được loại bỏ hoàn toàn, nên bề mặt cắt cũng rất thô ráp.
Để giải quyết vấn đề này, phương pháp cắt "vạch" ra đời, tức là trước khi "phá vỡ", bề mặt của...tấm waferĐược cắt với độ sâu khoảng một nửa. "Cắt rãnh", như tên gọi cho thấy, đề cập đến việc sử dụng một cánh quạt để cưa (cắt một nửa) mặt trước của tấm wafer trước. Trong những ngày đầu, hầu hết các tấm wafer dưới 6 inch đều sử dụng phương pháp cắt này, trước tiên là "cắt lát" giữa các chip và sau đó là "bẻ".

Cắt lát bằng lưỡi dao hoặc cưa bằng lưỡi dao

Phương pháp cắt “vạch” dần phát triển thành phương pháp cắt “cắt lát bằng lưỡi dao”, là phương pháp cắt bằng lưỡi dao hai hoặc ba lần liên tiếp. Phương pháp cắt “lưỡi dao” có thể khắc phục hiện tượng các mảnh vụn nhỏ bị bong ra khi “bẻ” sau khi “vạch”, và có thể bảo vệ các mảnh vụn nhỏ trong quá trình “tách rời”. Cắt “lưỡi dao” khác với phương pháp cắt “cắt lát” trước đó ở chỗ, sau khi cắt “lưỡi dao”, không “bẻ” mà lại cắt tiếp bằng lưỡi dao. Vì vậy, nó còn được gọi là phương pháp “cắt lát từng bước”.

Để bảo vệ tấm bán dẫn khỏi hư hại bên ngoài trong quá trình cắt, một lớp màng sẽ được phủ lên tấm bán dẫn trước để đảm bảo việc tách chip an toàn hơn. Trong quá trình mài mặt sau, lớp màng sẽ được dán vào mặt trước của tấm bán dẫn. Nhưng ngược lại, trong quá trình cắt bằng lưỡi dao, lớp màng phải được dán vào mặt sau của tấm bán dẫn. Trong quá trình ghép chip bằng phương pháp eutectic (ghép chip, cố định các chip đã tách rời trên PCB hoặc khung cố định), lớp màng dán ở mặt sau sẽ tự động bong ra. Do ma sát cao trong quá trình cắt, cần phun nước khử ion liên tục từ mọi hướng. Ngoài ra, cần gắn các hạt kim cương vào cánh quạt để các lát cắt được tốt hơn. Lúc này, độ dày lát cắt (độ dày lưỡi dao : chiều rộng rãnh) phải đồng đều và không được vượt quá chiều rộng của rãnh cắt.
Từ lâu, cưa vẫn là phương pháp cắt truyền thống được sử dụng rộng rãi nhất. Ưu điểm lớn nhất của nó là có thể cắt một lượng lớn tấm wafer trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, nếu tốc độ cấp liệu của lát cắt tăng lên đáng kể, khả năng bong tróc cạnh chiplet sẽ tăng lên. Do đó, số vòng quay của cánh quạt cần được kiểm soát ở mức khoảng 30.000 lần mỗi phút. Có thể thấy rằng công nghệ chế tạo chất bán dẫn thường là một bí quyết được tích lũy dần dần qua một thời gian dài tích lũy và thử nghiệm sai lầm (trong phần tiếp theo về liên kết eutectic, chúng ta sẽ thảo luận về nội dung cắt và DAF).

Cắt hạt lựu trước khi xay (DBG): trình tự cắt đã thay đổi phương pháp

Khi thực hiện cắt bằng lưỡi dao trên tấm wafer đường kính 8 inch, không cần phải lo lắng về hiện tượng bong tróc hoặc nứt vỡ cạnh chiplet. Nhưng khi đường kính wafer tăng lên đến 21 inch và độ dày trở nên cực kỳ mỏng, hiện tượng bong tróc và nứt vỡ bắt đầu xuất hiện trở lại. Để giảm thiểu đáng kể tác động vật lý lên wafer trong quá trình cắt, phương pháp DBG “cắt lát trước khi mài” thay thế trình tự cắt truyền thống. Không giống như phương pháp cắt “lưỡi dao” truyền thống cắt liên tục, DBG thực hiện một vết cắt “lưỡi dao” trước, sau đó dần dần làm mỏng độ dày wafer bằng cách liên tục làm mỏng mặt sau cho đến khi chip được tách ra. Có thể nói rằng DBG là phiên bản nâng cấp của phương pháp cắt “lưỡi dao” trước đây. Bởi vì nó có thể giảm tác động của vết cắt thứ hai, phương pháp DBG đã nhanh chóng trở nên phổ biến trong “đóng gói cấp độ wafer”.

Cắt bằng tia laser

Quy trình đóng gói chip ở cấp độ wafer (WLCSP) chủ yếu sử dụng phương pháp cắt laser. Cắt laser có thể giảm thiểu các hiện tượng như bong tróc và nứt vỡ, từ đó thu được các chip chất lượng tốt hơn, nhưng khi độ dày wafer lớn hơn 100μm, năng suất sẽ giảm đáng kể. Do đó, phương pháp này chủ yếu được sử dụng trên các wafer có độ dày nhỏ hơn 100μm (tương đối mỏng). Cắt laser cắt silicon bằng cách chiếu tia laser năng lượng cao vào rãnh khắc trên wafer. Tuy nhiên, khi sử dụng phương pháp cắt laser thông thường (Conventional Laser), cần phải phủ một lớp màng bảo vệ lên bề mặt wafer trước. Do việc nung nóng hoặc chiếu tia laser lên bề mặt wafer, các tiếp xúc vật lý này sẽ tạo ra các rãnh trên bề mặt wafer, và các mảnh silicon bị cắt cũng sẽ bám dính vào bề mặt. Có thể thấy rằng phương pháp cắt laser truyền thống cũng trực tiếp cắt bề mặt wafer, và về mặt này, nó tương tự như phương pháp cắt bằng "lưỡi dao".

Cắt tàng hình (Stealth Dicing - SD) là phương pháp đầu tiên dùng năng lượng laser cắt phần bên trong của tấm wafer, sau đó dùng lực ép từ bên ngoài tác động lên lớp băng dính gắn ở mặt sau để làm đứt băng dính, từ đó tách chip ra. Khi lực ép được tác động lên lớp băng dính ở mặt sau, tấm wafer sẽ ngay lập tức được nâng lên do sự kéo giãn của băng dính, nhờ đó tách được chip. Ưu điểm của phương pháp SD so với phương pháp cắt laser truyền thống là: thứ nhất, không có mảnh vụn silicon; thứ hai, vết cắt (Kerf: chiều rộng của rãnh cắt) hẹp, do đó có thể thu được nhiều chip hơn. Ngoài ra, hiện tượng bong tróc và nứt vỡ sẽ được giảm thiểu đáng kể khi sử dụng phương pháp SD, điều này rất quan trọng đối với chất lượng tổng thể của quá trình cắt. Do đó, phương pháp SD rất có khả năng trở thành công nghệ phổ biến nhất trong tương lai.

Cắt bằng tia plasma
Cắt plasma là một công nghệ mới được phát triển gần đây, sử dụng phương pháp khắc plasma để cắt trong quá trình sản xuất (chế tạo). Cắt plasma sử dụng vật liệu bán khí thay vì chất lỏng, do đó tác động đến môi trường tương đối nhỏ. Và phương pháp cắt toàn bộ tấm wafer cùng một lúc được áp dụng, vì vậy tốc độ “cắt” tương đối nhanh. Tuy nhiên, phương pháp plasma sử dụng khí phản ứng hóa học làm nguyên liệu thô, và quá trình khắc rất phức tạp, do đó quy trình sản xuất tương đối rườm rà. Nhưng so với cắt bằng “dao” và cắt laser, cắt plasma không gây hư hại cho bề mặt wafer, do đó giảm tỷ lệ lỗi và thu được nhiều chip hơn.

Gần đây, do độ dày tấm bán dẫn đã được giảm xuống còn 30μm, và nhiều vật liệu đồng (Cu) hoặc vật liệu có hằng số điện môi thấp (Low-k) được sử dụng. Vì vậy, để ngăn ngừa hiện tượng gờ (Burr), phương pháp cắt plasma cũng được ưu tiên sử dụng. Tất nhiên, công nghệ cắt plasma cũng đang không ngừng phát triển. Tôi tin rằng trong tương lai gần, một ngày nào đó sẽ không cần phải đeo mặt nạ đặc biệt khi khắc, bởi vì đây là một hướng phát triển quan trọng của công nghệ cắt plasma.

Khi độ dày của các tấm wafer liên tục giảm từ 100μm xuống 50μm rồi xuống 30μm, các phương pháp cắt để thu được các chip độc lập cũng đã thay đổi và phát triển từ phương pháp “bẻ” và “cắt bằng lưỡi dao” sang cắt laser và cắt plasma. Mặc dù các phương pháp cắt ngày càng hoàn thiện đã làm tăng chi phí sản xuất của chính quá trình cắt, nhưng mặt khác, bằng cách giảm đáng kể các hiện tượng không mong muốn như bong tróc và nứt vỡ thường xảy ra trong quá trình cắt chip bán dẫn và tăng số lượng chip thu được trên mỗi tấm wafer, chi phí sản xuất một chip đã cho thấy xu hướng giảm. Tất nhiên, việc tăng số lượng chip thu được trên mỗi đơn vị diện tích của wafer có liên quan chặt chẽ đến việc giảm chiều rộng của đường cắt. Sử dụng cắt plasma, có thể thu được nhiều hơn gần 20% chip so với phương pháp cắt bằng “lưỡi dao”, đây cũng là lý do chính khiến người ta lựa chọn cắt plasma. Cùng với sự phát triển và thay đổi của wafer, hình dạng chip và phương pháp đóng gói, các quy trình cắt khác nhau như công nghệ xử lý wafer và DBG cũng đang xuất hiện.