ウエハ切断はパワー半導体製造における重要なリンクの 1 つです。このステップは、半導体ウェーハから個々の集積回路またはチップを正確に分離するように設計されています。
鍵となるのはウエハース切断では、チップに埋め込まれた繊細な構造と回路を確実に保ちながら、個々のチップを分離できるようにする必要があります。ウエハース損傷はありません。切断プロセスの成否は、チップの分離品質と歩留まりに影響を与えるだけでなく、生産プロセス全体の効率にも直接関係します。
▲一般的な3種類のウェーハ切断 |出典：KLAチャイナ
現在、一般的なのは、ウエハース切断工程は次のように分かれています。
ブレード切断: 低コスト、通常は厚いものに使用されますウエハース
レーザー切断：コストが高く、通常は厚さ30μmを超えるウェーハに使用されます
プラズマ切断: 高コスト、より多くの制約があり、通常は厚さ 30μm 未満のウェーハに使用されます
機械刃による切断
ブレードカットとは、高速回転する研削盤（ブレード）によりスクライブラインに沿ってカットする加工です。ブレードは通常、シリコンウェーハのスライスや溝入れに適した研磨材または極薄ダイヤモンド素材でできています。しかし、機械的な切断方法であるブレード切断は物理的な材料の除去に依存するため、チップエッジの欠けや亀裂が発生しやすく、その結果、製品の品質に影響を及ぼし、歩留まりが低下します。
機械鋸引きプロセスによって製造される最終製品の品質は、切断速度、ブレードの厚さ、ブレードの直径、ブレードの回転速度などの複数のパラメータの影響を受けます。
フルカットは最も基本的なブレードの切断方法で、固定された材料（スライステープなど）に合わせて切断することでワークを完全に切断します。
▲メカニカルブレード切断・フルカット｜画像ソースネットワーク
ハーフカットはワークの中央までを削り、溝を作る加工方法です。連続的に溝加工を行うことで、櫛形や針状のポイントを作製することができます。
▲メカニカルブレードカット～ハーフカット |画像ソースネットワーク
ダブルカットとは、2つのスピンドルを備えたダブルスライスソーを使用し、2つの生産ラインで同時にフルカットまたはハーフカットを行う加工方法です。ダブルスライシングソーには 2 つのスピンドル軸があります。このプロセスにより、高いスループットを実現できます。
▲ メカニカルブレードカット - ダブルカット |画像ソースネットワーク
ステップカットは2つのスピンドルを備えたダブルスライシングソーを使用し、フルカットとハーフカットを2段階で行います。ウエハ表面の配線層の切断に最適化したブレードと、残りのシリコン単結晶に最適化したブレードを使用し、高品質な加工を実現します。
▲ メカニカルブレード切断 – ステップ切断 |画像ソースネットワーク
ベベルカットとは、ステップカット工程において、ハーフカット端にV字型の刃を付けたブレードを用いてウェーハを2段階に分けてカットする加工方法です。面取り加工は切削加工時に行います。そのため、高い金型強度と高品位な加工が可能となります。
▲ メカニカルブレード切断 – ベベルカット |画像ソースネットワーク
レーザー切断
レーザー切断は、集束レーザービームを使用して半導体ウエハーから個々のチップを分離する非接触ウエハー切断技術です。高エネルギーレーザービームはウェーハの表面に焦点を合わせ、アブレーションまたは熱分解プロセスを通じて、所定の切断線に沿って材料を蒸発または除去します。
▲ レーザー切断図 |画像出典：KLA CHINA
現在広く使用されているレーザーの種類には、紫外線レーザー、赤外線レーザー、フェムト秒レーザーなどがあります。中でも紫外線レーザーは、光子エネルギーが高いため、精密なコールドアブレーションによく使用され、熱影響を受けるゾーンが非常に小さいため、ウェーハとその周囲のチップへの熱損傷のリスクを効果的に軽減できます。赤外線レーザーは材料の奥まで浸透できるため、より厚いウェーハに適しています。フェムト秒レーザーは、超短光パルスによる熱伝達がほとんど無視できるほどで、高精度かつ効率的な材料除去を実現します。
レーザー切断には、従来のブレード切断に比べて大きな利点があります。まず、レーザー切断は非接触プロセスであるため、ウェーハに物理的な圧力を加える必要がなく、機械切断によくある断片化やひび割れの問題が軽減されます。この特徴により、レーザー切断は、壊れやすいウェハや極薄ウェハ、特に複雑な構造や微細な特徴を持つウェハの処理に特に適しています。
▲ レーザー切断図 |画像ソースネットワーク
さらに、レーザー切断の高精度と正確さにより、レーザービームを極めて小さなスポットサイズに集束させ、複雑な切断パターンをサポートし、チップ間の最小間隔の分離を実現します。この機能は、サイズが縮小する先進的な半導体デバイスにとって特に重要です。
ただし、レーザー切断にもいくつかの制限があります。ブレード切断と比較すると、特に大規模生産の場合、時間がかかり、コストも高くなります。さらに、材料や厚さによっては、適切なレーザーの種類を選択し、パラメータを最適化して材料を効率的に除去し、熱の影響を受ける部分を最小限に抑えることが困難になる場合があります。
レーザーアブレーション切断
レーザーアブレーション切断中、レーザービームはウェーハ表面の指定された位置に正確に集束され、レーザーエネルギーは所定の切断パターンに従って導かれ、ウェーハを底部まで徐々に切断します。切断要件に応じて、この操作はパルスレーザーまたは連続波レーザーを使用して実行されます。レーザーの過度の局所加熱によるウェーハの損傷を防ぐために、冷却水を使用して冷却し、ウェーハを熱損傷から保護します。同時に、冷却水は切断プロセス中に発生する粒子を効果的に除去し、汚染を防ぎ、切断品質を確保します。
目に見えないレーザー切断
レーザーを集中させて熱をウェーハ本体に伝えることもできます。これは「目に見えないレーザー切断」と呼ばれる方法です。この方法では、レーザーからの熱によりスクライブ レーンにギャップが生じます。これらの脆弱な領域は、ウェーハが引き伸ばされるときに壊れることによって同様の貫通効果を達成します。
▲レーザー不可視切断の主な工程
目に見えない切断プロセスは、レーザーが表面で吸収されるレーザーアブレーションではなく、内部吸収レーザープロセスです。目に見えない切断では、ウェーハ基板材料に対して半透明な波長のレーザービームエネルギーが使用されます。このプロセスは 2 つの主要なステップに分かれており、1 つはレーザーベースのプロセスで、もう 1 つは機械的な分離プロセスです。
▲レーザービームはウェーハ表面の下に穴をあけますが、表裏は影響を受けません |画像ソースネットワーク
最初のステップでは、レーザー ビームがウェーハを走査すると、レーザー ビームはウェーハ内部の特定の点に焦点を合わせ、内部に亀裂点を形成します。ビームのエネルギーにより、内部に一連の亀裂が形成されますが、この亀裂はまだウェーハの厚さ全体を通って上面と底面まで広がっていません。
▲ブレード法とレーザー不可視切断法で切断した厚さ100μmのシリコンウェーハの比較 |画像ソースネットワーク
第 2 段階では、ウェーハ底部のチップテープが物理的に膨張し、第 1 段階のレーザー加工で生じたウェーハ内部のクラックに引張応力が発生します。この応力によりクラックがウェーハの上面と下面に垂直に伸び、切断点に沿ってウェーハがチップに分離されます。目に見えない切断では、ウェーハをチップまたはチップに分離しやすくするために、通常、ハーフカットまたは底面ハーフカットが使用されます。
レーザーアブレーションに対する不可視レーザー切断の主な利点:
• 冷却剤は不要です。
• 破片が発生しない
• 敏感な回路に損傷を与える可能性のある熱の影響を受けるゾーンがない
プラズマ切断
プラズマ切断 (プラズマ エッチングまたはドライ エッチングとも呼ばれる) は、反応性イオン エッチング (RIE) または深層反応性イオン エッチング (DRIE) を使用して半導体ウェーハから個々のチップを分離する高度なウェーハ切断技術です。この技術は、プラズマを使用して所定の切断線に沿って材料を化学的に除去することで切断を実現します。
プラズマ切断プロセスでは、半導体ウェーハを真空チャンバ内に置き、制御された反応性混合ガスをチャンバ内に導入し、電場を印加して高濃度の反応性イオンとラジカルを含むプラズマを生成します。これらの反応種はウェーハ材料と相互作用し、化学反応と物理的スパッタリングの組み合わせによってスクライブラインに沿ってウェーハ材料を選択的に除去します。
プラズマ切断の主な利点は、ウェーハとチップへの機械的ストレスを軽減し、物理的接触によって引き起こされる潜在的な損傷を軽減できることです。しかし、このプロセスは他の方法よりも複雑で時間がかかり、特に厚いウェーハやエッチング耐性の高い材料を扱う場合には、量産への適用は限られています。
▲画像ソースネットワーク
半導体製造では、ウェーハの材料特性、チップのサイズと形状、必要な精度と精度、全体的な生産コストと効率など、多くの要因に基づいてウェーハの切断方法を選択する必要があります。
投稿日時: 2024 年 9 月 20 日