WaferDas Trennen der Halbleiterwafer ist ein wichtiger Arbeitsschritt in der Leistungshalbleiterproduktion. Dieser Schritt dient dazu, einzelne integrierte Schaltkreise oder Chips präzise von den Halbleiterwafern zu trennen.
Der Schlüssel zuWaffelDas Schneiden dient dazu, einzelne Chips zu trennen und gleichzeitig sicherzustellen, dass die empfindlichen Strukturen und Schaltkreise, die in den Chips eingebettet sind, erhalten bleiben.Waffelwerden nicht beschädigt. Der Erfolg oder Misserfolg des Schneidprozesses beeinflusst nicht nur die Trennqualität und die Ausbeute der Späne, sondern steht auch in direktem Zusammenhang mit der Effizienz des gesamten Produktionsprozesses.
▲Drei gängige Arten des Waffelschneidens | Quelle: KLA CHINA
Derzeit ist das gemeinsameWaffelSchneidprozesse lassen sich unterteilen in:
Schneiden mit der Klinge: kostengünstig, wird üblicherweise für dickere Materialien verwendetWaffeln
Laserschneiden: hohe Kosten, wird üblicherweise für Wafer mit einer Dicke von mehr als 30 μm verwendet.
Plasmaschneiden: hohe Kosten, mehr Einschränkungen, wird üblicherweise für Wafer mit einer Dicke von weniger als 30 μm verwendet.
Mechanisches Schneiden mit Klinge
Das Schneiden mit einer Trennscheibe ist ein Verfahren, bei dem entlang der Markierungslinie mit einer schnell rotierenden Schleifscheibe (Trennscheibe) geschnitten wird. Die Trennscheibe besteht üblicherweise aus abrasivem oder ultradünnem Diamantmaterial und eignet sich zum Schneiden oder Nuten von Siliziumwafern. Da es sich jedoch um ein mechanisches Schneidverfahren handelt, beruht das Schneiden auf physikalischem Materialabtrag, was leicht zu Absplitterungen oder Rissen an der Spankante führen und somit die Produktqualität beeinträchtigen und die Ausbeute verringern kann.
Die Qualität des durch das mechanische Sägeverfahren hergestellten Endprodukts wird von mehreren Parametern beeinflusst, darunter Schnittgeschwindigkeit, Sägeblattdicke, Sägeblattdurchmesser und Sägeblattdrehzahl.
Der Vollschnitt ist die grundlegendste Schneidemethode mit einem Messer. Dabei wird das Werkstück vollständig durchtrennt, indem man bis zu einem festen Material (z. B. einem Schneideband) schneidet.
▲ Mechanisches Messerschneiden – vollständiger Schnitt | Bildquellennetzwerk
Das Halbschneiden ist ein Bearbeitungsverfahren, bei dem durch Einschneiden bis zur Mitte des Werkstücks eine Nut erzeugt wird. Durch die kontinuierliche Durchführung des Nutvorgangs lassen sich kamm- und nadelförmige Spitzen herstellen.
▲ Mechanisches Sägeblattschneiden – Halbschnitt | Bildquellennetzwerk
Doppelschnitt ist ein Bearbeitungsverfahren, bei dem eine Doppelsäge mit zwei Spindeln eingesetzt wird, um gleichzeitig auf zwei Produktionslinien vollständige oder halbe Schnitte durchzuführen. Die Doppelsäge verfügt über zwei Spindelachsen. Durch dieses Verfahren lässt sich ein hoher Durchsatz erzielen.
▲ Mechanisches Schneiden mit Doppelschnitt | Bildquellennetzwerk
Das Stufenschnittverfahren verwendet eine Doppeltrennsäge mit zwei Spindeln, um in zwei Schritten vollständige und halbe Schnitte durchzuführen. Um eine hohe Bearbeitungsqualität zu erzielen, werden Sägeblätter verwendet, die für das Schneiden der Verdrahtungsschicht auf der Waferoberfläche optimiert sind, sowie Sägeblätter, die für den verbleibenden Silizium-Einkristall optimiert sind.
▲ Mechanisches Schneiden mit Klinge – Stufenschneiden | Bildquellennetzwerk
Das Schrägschneiden ist ein Bearbeitungsverfahren, bei dem eine Klinge mit V-förmiger Schneide an der Schnittkante den Wafer in zwei Schritten durchtrennt. Die Anfasung erfolgt während des Schneidvorgangs. Dadurch lassen sich eine hohe Formstabilität und eine hohe Bearbeitungsqualität erzielen.
▲ Mechanisches Schneiden mit Klingen – Fasenschneiden | Bildquellennetzwerk
Laserschneiden
Laserschneiden ist eine berührungslose Wafer-Schneidetechnologie, bei der ein fokussierter Laserstrahl einzelne Chips von Halbleiterwafern trennt. Der hochenergetische Laserstrahl wird auf die Waferoberfläche fokussiert und verdampft oder entfernt Material entlang der vorgegebenen Schnittlinie durch Ablation oder thermische Zersetzung.
▲ Laserschneiddiagramm | Bildquelle: KLA CHINA
Zu den aktuell weit verbreiteten Lasertypen zählen Ultraviolett-, Infrarot- und Femtosekundenlaser. Ultraviolettlaser werden aufgrund ihrer hohen Photonenenergie häufig für die präzise Kaltablation eingesetzt. Die Wärmeeinflusszone ist extrem klein, wodurch das Risiko thermischer Schäden am Wafer und den umliegenden Chips effektiv reduziert wird. Infrarotlaser eignen sich besser für dickere Wafer, da sie tief in das Material eindringen können. Femtosekundenlaser ermöglichen durch ultrakurze Lichtimpulse einen hochpräzisen und effizienten Materialabtrag bei nahezu vernachlässigbarer Wärmeübertragung.
Das Laserschneiden bietet gegenüber dem herkömmlichen Schneiden mit Klingen erhebliche Vorteile. Da es sich um ein berührungsloses Verfahren handelt, benötigt das Laserschneiden keinen physischen Druck auf den Wafer. Dadurch werden die beim mechanischen Schneiden häufig auftretenden Probleme der Fragmentierung und Rissbildung reduziert. Diese Eigenschaft macht das Laserschneiden besonders geeignet für die Bearbeitung empfindlicher oder ultradünner Wafer, insbesondere solcher mit komplexen Strukturen oder feinen Merkmalen.
▲ Laserschneiddiagramm | Bildquellennetzwerk
Die hohe Präzision des Laserschneidens ermöglicht es zudem, den Laserstrahl auf einen extrem kleinen Punkt zu fokussieren, komplexe Schnittmuster zu realisieren und minimale Abstände zwischen den Chips zu gewährleisten. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig für moderne Halbleiterbauelemente mit immer kleineren Abmessungen.
Das Laserschneiden hat jedoch auch seine Grenzen. Im Vergleich zum Schneiden mit einem Sägeblatt ist es langsamer und teurer, insbesondere bei der Serienfertigung. Zudem kann die Auswahl des richtigen Lasertyps und die Optimierung der Parameter, um einen effizienten Materialabtrag und eine minimale Wärmeeinflusszone zu gewährleisten, bei bestimmten Materialien und Materialstärken eine Herausforderung darstellen.
Laserablationsschneiden
Beim Laserablationsschneiden wird der Laserstrahl präzise auf eine bestimmte Stelle auf der Waferoberfläche fokussiert. Die Laserenergie wird entlang eines vorgegebenen Schnittmusters geführt und durchtrennt den Wafer schrittweise bis zum Boden. Je nach Schneidanforderung wird dieser Vorgang mit einem gepulsten oder einem Dauerstrichlaser durchgeführt. Um Schäden am Wafer durch übermäßige lokale Erhitzung des Lasers zu vermeiden, wird Kühlwasser eingesetzt. Dieses dient der Kühlung und schützt den Wafer vor thermischen Schäden. Gleichzeitig entfernt das Kühlwasser effektiv die beim Schneidprozess entstehenden Partikel, verhindert Verunreinigungen und gewährleistet eine hohe Schnittqualität.
Laserschneiden – unsichtbar
Der Laser kann auch so fokussiert werden, dass er Wärme in den Hauptteil des Wafers überträgt – ein Verfahren, das als „unsichtbares Laserschneiden“ bezeichnet wird. Dabei erzeugt die Laserwärme Lücken in den Ritzspuren. Diese geschwächten Bereiche erzielen dann beim Dehnen des Wafers eine ähnliche Durchdringungswirkung, indem sie brechen.
▲Hauptprozess des unsichtbaren Laserschneidens
Das unsichtbare Schneidverfahren basiert auf interner Laserabsorption und unterscheidet sich von der Laserablation, bei der der Laserstrahl an der Oberfläche absorbiert wird. Beim unsichtbaren Schneiden wird Laserenergie mit einer Wellenlänge verwendet, die für das Wafer-Substratmaterial semitransparent ist. Der Prozess gliedert sich in zwei Hauptschritte: einen laserbasierten Prozess und einen mechanischen Trennprozess.
▲Der Laserstrahl erzeugt eine Perforation unterhalb der Waferoberfläche, Vorder- und Rückseite bleiben unbeeinträchtigt. | Bildquelle: Netzwerk
Im ersten Schritt, während der Laserstrahl den Wafer abtastet, fokussiert er sich auf einen bestimmten Punkt im Inneren des Wafers und erzeugt dort einen Riss. Die Strahlenergie bewirkt die Bildung einer Reihe von Rissen im Inneren, die sich jedoch noch nicht durch die gesamte Dicke des Wafers bis zur Ober- und Unterseite ausbreiten.
▲Vergleich von 100 µm dicken Siliziumwafern, geschnitten mit dem Klingenverfahren und dem unsichtbaren Laserschneidverfahren | Bildquellennetzwerk
Im zweiten Schritt wird das Chipband an der Unterseite des Wafers physikalisch gedehnt. Dadurch entstehen Zugspannungen in den im ersten Schritt durch den Laserprozess erzeugten Rissen im Waferinneren. Diese Spannungen führen dazu, dass sich die Risse vertikal bis zur Ober- und Unterseite des Wafers ausbreiten und diesen entlang der Schnittpunkte in Chips trennen. Beim unsichtbaren Schneiden wird üblicherweise ein Halbschnitt oder ein Unterseiten-Halbschnitt verwendet, um die Trennung der Wafer in Chips zu erleichtern.
Wichtigste Vorteile des unsichtbaren Laserschneidens gegenüber der Laserablation:
• Kein Kühlmittel erforderlich
• Es entstehen keine Trümmer.
• Keine wärmebeeinflussten Zonen, die empfindliche Schaltkreise beschädigen könnten
Plasmaschneiden
Plasmaschneiden (auch Plasmaätzen oder Trockenätzen genannt) ist eine fortschrittliche Technologie zum Schneiden von Wafern. Dabei werden einzelne Chips mittels reaktivem Ionenätzen (RIE) oder Tiefen-Ionenätzen (DRIE) von Halbleiterwafern getrennt. Das Verfahren ermöglicht das Schneiden durch chemisches Abtragen von Material entlang vorgegebener Schnittlinien mittels Plasma.
Beim Plasmaschneiden wird der Halbleiterwafer in eine Vakuumkammer eingebracht, ein kontrolliertes Reaktionsgasgemisch zugeführt und ein elektrisches Feld angelegt, um ein Plasma mit hoher Konzentration an reaktiven Ionen und Radikalen zu erzeugen. Diese reaktiven Spezies reagieren mit dem Wafermaterial und tragen es selektiv entlang der Schnittlinie durch eine Kombination aus chemischer Reaktion und physikalischem Sputtern ab.
Der Hauptvorteil des Plasmaschneidens liegt in der Reduzierung der mechanischen Belastung von Wafer und Chip sowie der Verringerung potenzieller Schäden durch physischen Kontakt. Allerdings ist dieses Verfahren komplexer und zeitaufwändiger als andere Methoden, insbesondere bei dickeren Wafern oder Materialien mit hoher Ätzbeständigkeit, weshalb seine Anwendung in der Massenproduktion begrenzt ist.
▲Bildquellennetzwerk
Bei der Halbleiterfertigung muss das Wafer-Schneideverfahren anhand vieler Faktoren ausgewählt werden, darunter die Materialeigenschaften des Wafers, die Chipgröße und -geometrie, die erforderliche Präzision und Genauigkeit sowie die gesamten Produktionskosten und die Effizienz.
Veröffentlichungsdatum: 20. September 2024