Cắt lát wafer là gì?

A bánh xốpphải trải qua ba lần thay đổi để trở thành một con chip bán dẫn thực sự: đầu tiên, thỏi hình khối được cắt thành các tấm wafer; trong quá trình thứ hai, các bóng bán dẫn được khắc trên mặt trước của tấm wafer thông qua quá trình trước đó; cuối cùng, quá trình đóng gói được thực hiện, tức là thông qua quá trình cắt,bánh xốptrở thành một chip bán dẫn hoàn chỉnh. Có thể thấy rằng quy trình đóng gói thuộc về quy trình back-end. Trong quy trình này, wafer sẽ được cắt thành nhiều chip riêng lẻ hình lục giác. Quy trình thu được các chip độc lập này được gọi là "Singulation", và quy trình cưa tấm wafer thành các khối lập phương độc lập được gọi là "cắt wafer (Die Sawing)". Gần đây, với sự cải thiện về tích hợp bán dẫn, độ dày củabánh quếđã trở nên mỏng hơn và mỏng hơn, tất nhiên điều này gây ra rất nhiều khó khăn cho quá trình “phân tách”.

Sự tiến hóa của việc cắt lát wafer

Các quy trình front-end và back-end đã phát triển thông qua tương tác theo nhiều cách khác nhau: sự phát triển của các quy trình back-end có thể xác định cấu trúc và vị trí của các chip nhỏ hình lục giác tách biệt khỏi khuôn trênbánh xốp, cũng như cấu trúc và vị trí của các miếng đệm (đường dẫn kết nối điện) trên tấm wafer; ngược lại, sự phát triển của các quy trình đầu cuối đã thay đổi quy trình và phương phápbánh xốplàm mỏng và “cắt khuôn” trong quy trình back-end. Do đó, hình thức bao bì ngày càng tinh vi sẽ có tác động lớn đến quy trình back-end. Hơn nữa, số lượng, quy trình và loại cắt khuôn cũng sẽ thay đổi tương ứng theo sự thay đổi về hình thức của bao bì.

Scribe Cắt lát

Vào những ngày đầu, “bẻ gãy” bằng cách tác dụng lực bên ngoài là phương pháp cắt hạt lựu duy nhất có thể chiabánh xốpvào khuôn lục giác. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là làm mẻ hoặc nứt cạnh của phoi nhỏ. Ngoài ra, do các gờ trên bề mặt kim loại không được loại bỏ hoàn toàn nên bề mặt cắt cũng rất thô.
Để giải quyết vấn đề này, phương pháp cắt “Scribing” ra đời, tức là trước khi “bẻ” bề mặt củabánh xốpđược cắt đến khoảng một nửa độ sâu. “Scribing”, như tên gọi của nó, ám chỉ việc sử dụng một cánh quạt để cưa (cắt một nửa) mặt trước của wafer trước. Vào những ngày đầu, hầu hết các wafer dưới 6 inch đều sử dụng phương pháp cắt này, trước tiên là “cắt lát” giữa các chip và sau đó là “bẻ gãy”.

Cắt lưỡi hoặc cưa lưỡi

Phương pháp cắt “Scribing” dần phát triển thành phương pháp cắt (hoặc cưa) “Blade cắt” là phương pháp cắt bằng lưỡi dao hai hoặc ba lần liên tiếp. Phương pháp cắt “Blade” có thể bù đắp cho hiện tượng các mảnh vụn nhỏ bị bong ra khi “bẻ gãy” sau khi “cắt”, và có thể bảo vệ các mảnh vụn nhỏ trong quá trình “phân tách”. Cắt “Blade” khác với cắt “bẻ gãy” trước đó, tức là sau khi cắt “lưỡi dao”, không phải là “bẻ gãy” mà là cắt lại bằng lưỡi dao. Do đó, nó cũng được gọi là phương pháp “bẻ gãy từng bước”.

Để bảo vệ wafer khỏi hư hỏng bên ngoài trong quá trình cắt, một lớp màng sẽ được phủ lên wafer trước để đảm bảo “singling” an toàn hơn. Trong quá trình “mài ngược”, lớp màng sẽ được gắn vào mặt trước của wafer. Nhưng ngược lại, trong quá trình cắt “lưỡi dao”, lớp màng phải được gắn vào mặt sau của wafer. Trong quá trình liên kết khuôn eutectic (liên kết khuôn, cố định các chip đã tách trên PCB hoặc khung cố định), lớp màng được gắn vào mặt sau sẽ tự động rơi ra. Do ma sát cao trong quá trình cắt, nước DI phải được phun liên tục từ mọi hướng. Ngoài ra, cánh quạt phải được gắn các hạt kim cương để các lát có thể được cắt tốt hơn. Lúc này, vết cắt (độ dày lưỡi dao: chiều rộng rãnh) phải đồng đều và không được vượt quá chiều rộng của rãnh cắt.
Trong một thời gian dài, cưa là phương pháp cắt truyền thống được sử dụng rộng rãi nhất. Ưu điểm lớn nhất của nó là có thể cắt một số lượng lớn wafer trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, nếu tốc độ nạp của lát cắt tăng lên rất nhiều, khả năng bong tróc cạnh chiplet sẽ tăng lên. Do đó, số vòng quay của cánh quạt nên được kiểm soát ở mức khoảng 30.000 lần mỗi phút. Có thể thấy rằng công nghệ xử lý bán dẫn thường là một bí mật tích lũy chậm rãi thông qua một thời gian dài tích lũy và thử nghiệm (trong phần tiếp theo về liên kết eutectic, chúng tôi sẽ thảo luận về nội dung về cắt và DAF).

Cắt nhỏ trước khi nghiền (DBG): trình tự cắt đã thay đổi phương pháp

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

Cắt bằng tia laser

Quy trình đóng gói chip cấp wafer (WLCSP) chủ yếu sử dụng phương pháp cắt laser. Cắt laser có thể làm giảm các hiện tượng như bong tróc và nứt, do đó thu được chip chất lượng tốt hơn, nhưng khi độ dày wafer lớn hơn 100μm, năng suất sẽ giảm đi rất nhiều. Do đó, phương pháp này chủ yếu được sử dụng trên các wafer có độ dày dưới 100μm (tương đối mỏng). Cắt laser cắt silicon bằng cách áp dụng tia laser năng lượng cao vào rãnh khía của wafer. Tuy nhiên, khi sử dụng phương pháp cắt laser thông thường (Conventional Laser), trước tiên phải phủ một lớp màng bảo vệ lên bề mặt wafer. Do làm nóng hoặc chiếu xạ bề mặt wafer bằng laser, các tiếp xúc vật lý này sẽ tạo ra các rãnh trên bề mặt wafer và các mảnh silicon cắt ra cũng sẽ bám vào bề mặt. Có thể thấy rằng phương pháp cắt laser truyền thống cũng cắt trực tiếp bề mặt wafer và về mặt này, nó tương tự như phương pháp cắt “lưỡi dao”.

Stealth Dicing (SD) là phương pháp đầu tiên cắt bên trong wafer bằng năng lượng laser, sau đó tác dụng lực bên ngoài vào băng dính gắn ở mặt sau để phá vỡ nó, do đó tách chip ra. Khi tác dụng lực vào băng dính ở mặt sau, wafer sẽ ngay lập tức được nâng lên do băng kéo căng, do đó tách chip ra. Ưu điểm của SD so với phương pháp cắt laser truyền thống là: thứ nhất, không có mảnh vụn silicon; thứ hai, kerf (Kerf: chiều rộng của rãnh khắc) hẹp, do đó có thể thu được nhiều chip hơn. Ngoài ra, hiện tượng bong tróc và nứt sẽ được giảm đáng kể khi sử dụng phương pháp SD, điều này rất quan trọng đối với chất lượng chung của quá trình cắt. Do đó, phương pháp SD rất có thể sẽ trở thành công nghệ phổ biến nhất trong tương lai.

Cắt Plasma
Cắt plasma là công nghệ mới phát triển sử dụng phương pháp khắc plasma để cắt trong quá trình sản xuất (Fab). 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 wafer cùng một lúc được áp dụng, do đó 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 của nó tương đối cồng kềnh. Nhưng so với cắt "lưỡi dao" và cắt laser, cắt plasma không gây hư hại cho bề mặt wafer, do đó làm giảm tỷ lệ khuyết tật và thu được nhiều chip hơn.

Gần đây, vì độ dày của wafer đã giảm xuống còn 30μm, và nhiều vật liệu đồng (Cu) hoặc có hằng số điện môi thấp (Low-k) được sử dụng. Do đó, để ngăn ngừa gờ (Burr), phương pháp cắt plasma cũng sẽ được ưa chuộng. Tất nhiên, công nghệ cắt plasma cũng 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, vì đây là một hướng phát triển chính của cắt plasma.

Khi độ dày của 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 cắt “bẻ” và “lưỡi” 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, mặt khác, bằng cách giảm đáng kể các hiện tượng không mong muốn như bong tróc và nứt thường xảy ra trong quá trình cắt chip bán dẫn và tăng số lượng chip thu được trên một đơn vị wafer, chi phí sản xuất của một chip đơn lẻ đã cho thấy xu hướng giảm. Tất nhiên, việc tăng số lượng chip thu được trên một 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 chip hơn gần 20% so với sử dụng phương pháp cắt “lưỡi”, đây cũng là lý do chính khiến mọi người chọn cắt plasma. Với sự phát triển và thay đổi của wafer, hình thức chip và phương pháp đóng gói, nhiều quy trình cắt khác nhau như công nghệ xử lý wafer và DBG cũng đang nổi lên.