WaferDas Schneiden ist eines der wichtigen Glieder in der Leistungshalbleiterproduktion. Dieser Schritt dient dazu, einzelne integrierte Schaltkreise oder Chips präzise von Halbleiterwafern zu trennen.
Der Schlüssel zuWaferBeim Schneiden geht es darum, einzelne Chips zu trennen und gleichzeitig sicherzustellen, dass die darin eingebetteten empfindlichen Strukturen und Schaltkreise erhalten bleibenWafersind nicht beschädigt. Der Erfolg oder Misserfolg des Schneidprozesses beeinflusst nicht nur die Trennqualität und die Ausbeute des Spans, sondern steht auch in direktem Zusammenhang mit der Effizienz des gesamten Produktionsprozesses.
▲Drei gängige Arten des Waferschneidens | Quelle: UCK CHINA
Derzeit ist die gemeinsameWaferSchneidprozesse werden unterteilt in:
Klingenschneiden: kostengünstig, wird normalerweise für dickere Klingen verwendetWaffeln
Laserschneiden: hohe Kosten, wird normalerweise für Wafer mit einer Dicke von mehr als 30 μm verwendet
Plasmaschneiden: hohe Kosten, mehr Einschränkungen, wird normalerweise für Wafer mit einer Dicke von weniger als 30 μm verwendet
Mechanischer Klingenschnitt
Beim Klingenschneiden handelt es sich um einen Prozess des Schneidens entlang der Ritzlinie durch eine mit hoher Geschwindigkeit rotierende Schleifscheibe (Klinge). Die Klinge besteht normalerweise aus abrasivem oder ultradünnem Diamantmaterial und eignet sich zum Schneiden oder Rillenschneiden auf Siliziumwafern. Als mechanisches Schneidverfahren ist das Messerschneiden jedoch auf den physischen Materialabtrag angewiesen, was leicht zu Absplitterungen oder Rissen an der Spankante führen kann, wodurch die Produktqualität beeinträchtigt und die Ausbeute verringert wird.
Die Qualität des durch den mechanischen Sägeprozess hergestellten Endprodukts wird von mehreren Parametern beeinflusst, darunter Schnittgeschwindigkeit, Blattdicke, Blattdurchmesser und Blattrotationsgeschwindigkeit.
Vollschnitt ist die grundlegendste Klingenschneidemethode, bei der das Werkstück durch Schneiden in ein festes Material (z. B. ein Schneidband) vollständig durchtrennt wird.
▲ Mechanischer Klingenschnitt-Vollschnitt | Bildquellennetzwerk
Halbschnitt ist eine Bearbeitungsmethode, bei der durch Einschneiden bis zur Mitte des Werkstücks eine Nut erzeugt wird. Durch die kontinuierliche Durchführung des Rillvorgangs können kamm- und nadelförmige Spitzen erzeugt werden.
▲ Mechanischer Messerschnitt-Halbschnitt | Bildquellennetzwerk
Beim Doppelschnitt handelt es sich um eine Bearbeitungsmethode, bei der mit einer Doppel-Kappsäge mit zwei Spindeln Voll- oder Halbschnitte an zwei Produktionslinien gleichzeitig ausgeführt werden. Die Doppel-Kappsäge verfügt über zwei Spindelachsen. Durch dieses Verfahren kann ein hoher Durchsatz erreicht werden.
▲ Mechanischer Messerschnitt-Doppelschnitt | Bildquellennetzwerk
Beim Stufenschnitt wird eine Doppelkreissäge mit zwei Spindeln verwendet, um Voll- und Halbschnitte in zwei Schritten durchzuführen. Verwenden Sie Klingen, die für das Schneiden der Verdrahtungsschicht auf der Oberfläche des Wafers optimiert sind, und Klingen, die für den verbleibenden Siliziumeinkristall optimiert sind, um eine hochwertige Verarbeitung zu erreichen.
▲ Mechanisches Messerschneiden – Stufenschneiden | Bildquellennetzwerk
Beim Schrägschneiden handelt es sich um eine Verarbeitungsmethode, bei der eine Klinge mit einer V-förmigen Kante an der Halbschnittkante verwendet wird, um den Wafer während des Stufenschneidevorgangs in zwei Schritten zu schneiden. Der Anfasvorgang wird während des Schneidvorgangs durchgeführt. Dadurch können eine hohe Formfestigkeit und eine hochwertige Verarbeitung erreicht werden.
▲ Mechanisches Klingenschneiden – Fasenschneiden | Bildquellennetzwerk
Laserschneiden
Beim Laserschneiden handelt es sich um eine Technologie zum berührungslosen Waferschneiden, bei der ein fokussierter Laserstrahl einzelne Chips von Halbleiterwafern trennt. Der hochenergetische Laserstrahl wird auf die Oberfläche des Wafers fokussiert und verdampft oder entfernt Material entlang der vorgegebenen Schnittlinie durch Ablations- oder thermische Zersetzungsprozesse.
▲ Laserschneiddiagramm | Bildquelle: KLA CHINA
Zu den derzeit weit verbreiteten Lasertypen gehören Ultraviolettlaser, Infrarotlaser und Femtosekundenlaser. Unter diesen werden Ultraviolettlaser aufgrund ihrer hohen Photonenenergie häufig für eine präzise Kaltablation verwendet, und die Wärmeeinflusszone ist extrem klein, wodurch das Risiko einer thermischen Beschädigung des Wafers und seiner umgebenden Chips wirksam verringert werden kann. Für dickere Wafer eignen sich Infrarotlaser besser, da sie tief in das Material eindringen können. Femtosekundenlaser erreichen durch ultrakurze Lichtpulse einen hochpräzisen und effizienten Materialabtrag bei nahezu vernachlässigbarer Wärmeübertragung.
Das Laserschneiden hat gegenüber dem herkömmlichen Klingenschneiden erhebliche Vorteile. Erstens erfordert das Laserschneiden als berührungsloses Verfahren keinen physischen Druck auf den Wafer, wodurch die beim mechanischen Schneiden üblichen Fragmentierungs- und Rissprobleme reduziert werden. Aufgrund dieser Eigenschaft eignet sich das Laserschneiden besonders für die Bearbeitung fragiler oder ultradünner Wafer, insbesondere solcher mit komplexen Strukturen oder feinen Merkmalen.
▲ Laserschneiddiagramm | Bildquellennetzwerk
Darüber hinaus ermöglicht die hohe Präzision und Genauigkeit des Laserschneidens, den Laserstrahl auf eine extrem kleine Punktgröße zu fokussieren, komplexe Schnittmuster zu unterstützen und einen minimalen Abstand zwischen den Chips zu erreichen. Diese Funktion ist besonders wichtig für fortschrittliche Halbleiterbauelemente mit kleiner werdenden Abmessungen.
Allerdings weist das Laserschneiden auch einige Einschränkungen auf. Im Vergleich zum Klingenschneiden ist es langsamer und teurer, insbesondere bei der Massenproduktion. Darüber hinaus kann die Auswahl des richtigen Lasertyps und die Optimierung der Parameter zur Gewährleistung eines effizienten Materialabtrags und einer minimalen Wärmeeinflusszone bei bestimmten Materialien und Dicken eine Herausforderung darstellen.
Laserablationsschneiden
Beim Laserablationsschneiden wird der Laserstrahl präzise auf eine bestimmte Stelle auf der Oberfläche des Wafers fokussiert und die Laserenergie wird nach einem vorgegebenen Schnittmuster geleitet, wobei sie den Wafer schrittweise bis zum Boden durchschneidet. Je nach Schneidanforderung wird dieser Vorgang mit einem gepulsten Laser oder einem Dauerstrichlaser durchgeführt. Um eine Beschädigung des Wafers durch eine übermäßige lokale Erwärmung des Lasers zu verhindern, wird Kühlwasser zur Kühlung und zum Schutz des Wafers vor thermischer Beschädigung eingesetzt. Gleichzeitig kann Kühlwasser auch die beim Schneidvorgang entstehenden Partikel effektiv entfernen, Verunreinigungen verhindern und die Schnittqualität sicherstellen.
Unsichtbares Laserschneiden
Der Laser kann auch fokussiert werden, um Wärme in den Hauptkörper des Wafers zu übertragen, eine Methode, die als „unsichtbares Laserschneiden“ bezeichnet wird. Bei dieser Methode entstehen durch die Hitze des Lasers Lücken in den Ritzspuren. Diese geschwächten Bereiche erzielen dann einen ähnlichen Penetrationseffekt, indem sie beim Strecken des Wafers brechen.
▲Hauptprozess des unsichtbaren Laserschneidens
Beim unsichtbaren Schneidprozess handelt es sich um einen Laserprozess mit interner Absorption und nicht um eine Laserablation, bei der der Laser auf der Oberfläche absorbiert wird. Beim unsichtbaren Schneiden wird Laserstrahlenergie mit einer Wellenlänge verwendet, die für das Wafer-Substratmaterial halbtransparent ist. Der Prozess ist in zwei Hauptschritte unterteilt: Der eine ist ein laserbasierter Prozess und der andere ist ein mechanischer Trennprozess.
▲Der Laserstrahl erzeugt eine Perforation unterhalb der Waferoberfläche, die Vorder- und Rückseite wird nicht beeinträchtigt | Bildquellennetzwerk
Während der Laserstrahl im ersten Schritt den Wafer scannt, fokussiert er sich auf einen bestimmten Punkt im Inneren des Wafers und bildet im Inneren eine Rissstelle. Durch die Strahlenergie bilden sich im Inneren eine Reihe von Rissen, die sich noch nicht über die gesamte Dicke des Wafers bis zur Ober- und Unterseite erstrecken.
▲Vergleich von 100 μm dicken Siliziumwafern, die mit der Klingenmethode und der unsichtbaren Laserschneidmethode geschnitten wurden | Bildquellennetzwerk
Im zweiten Schritt wird das Chipband an der Unterseite des Wafers physikalisch gedehnt, was zu Zugspannungen in den Rissen im Inneren des Wafers führt, die im ersten Schritt durch den Laserprozess induziert werden. Diese Spannung führt dazu, dass sich die Risse vertikal bis zur Ober- und Unterseite des Wafers erstrecken und den Wafer dann entlang dieser Schnittpunkte in Chips zerlegen. Beim unsichtbaren Schneiden wird üblicherweise das Halbschneiden oder das unterseitige Halbschneiden verwendet, um die Trennung von Wafern in Chips oder Chips zu erleichtern.
Hauptvorteile des unsichtbaren Laserschneidens gegenüber der Laserablation:
• Kein Kühlmittel erforderlich
• Es entstehen keine Ablagerungen
• Keine Wärmeeinflusszonen, die empfindliche Schaltkreise beschädigen könnten
Plasmaschneiden
Plasmaschneiden (auch bekannt als Plasmaätzen oder Trockenätzen) ist eine fortschrittliche Technologie zum Schneiden von Wafern, die reaktives Ionenätzen (RIE) oder tiefes reaktives Ionenätzen (DRIE) verwendet, um einzelne Chips von Halbleiterwafern zu trennen. Die Technologie erreicht das Schneiden durch die chemische Entfernung von Material entlang vorgegebener Schnittlinien mithilfe von Plasma.
Während des Plasmaschneidprozesses wird der Halbleiterwafer in eine Vakuumkammer gelegt, eine kontrollierte reaktive Gasmischung in die Kammer eingeleitet und ein elektrisches Feld angelegt, um ein Plasma zu erzeugen, das eine hohe Konzentration an reaktiven Ionen und Radikalen enthält. Diese reaktiven Spezies interagieren mit dem Wafermaterial und entfernen selektiv Wafermaterial entlang der Ritzlinie durch eine Kombination aus chemischer Reaktion und physikalischem Sputtern.
Der Hauptvorteil des Plasmaschneidens besteht darin, dass es die mechanische Belastung des Wafers und Chips reduziert und potenzielle Schäden durch physischen Kontakt verringert. Allerdings ist dieser Prozess komplexer und zeitaufwändiger als andere Methoden, insbesondere bei dickeren Wafern oder Materialien mit hoher Ätzbeständigkeit, sodass seine Anwendung in der Massenproduktion begrenzt ist.
▲Bildquellennetzwerk
Bei der Halbleiterfertigung muss die Wafer-Schneidmethode auf der Grundlage vieler Faktoren ausgewählt werden, darunter Wafer-Materialeigenschaften, Chipgröße und -geometrie, erforderliche Präzision und Genauigkeit sowie Gesamtproduktionskosten und -effizienz.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 20.09.2024