กระบวนการหลายประเภทสำหรับการตัดแผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลัง

เวเฟอร์การตัดถือเป็นส่วนเชื่อมโยงที่สำคัญประการหนึ่งในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์กำลัง ขั้นตอนนี้ออกแบบมาเพื่อแยกวงจรรวมหรือชิปแต่ละตัวออกจากเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์อย่างถูกต้อง

กุญแจสำคัญในการเวเฟอร์การตัดคือการสามารถแยกชิปแต่ละตัวออกได้ในขณะเดียวกันก็รับประกันว่าโครงสร้างและวงจรที่ละเอียดอ่อนที่ฝังอยู่ในนั้นเวเฟอร์ไม่เสียหาย ความสำเร็จหรือความล้มเหลวของกระบวนการตัดไม่เพียงส่งผลต่อคุณภาพการแยกและผลผลิตของเศษเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องโดยตรงกับประสิทธิภาพของกระบวนการผลิตทั้งหมดอีกด้วย

▲การตัดเวเฟอร์ทั่วไปสามประเภท | ที่มา: KLA CHINA
ในปัจจุบันนี้เป็นเรื่องธรรมดาเวเฟอร์กระบวนการตัดแบ่งออกเป็น:
การตัดใบมีด: ต้นทุนต่ำ มักใช้สำหรับความหนาที่หนาขึ้นเวเฟอร์
การตัดด้วยเลเซอร์: ต้นทุนสูง มักใช้กับเวเฟอร์ที่มีความหนามากกว่า 30μm
การตัดพลาสม่า: ต้นทุนสูง มีข้อจำกัดมากกว่า มักใช้กับเวเฟอร์ที่มีความหนาน้อยกว่า 30μm

การตัดใบมีดแบบกลไก

การตัดใบมีดเป็นกระบวนการตัดตามแนวอาลักษณ์โดยใช้จานเจียร (ใบมีด) ที่หมุนด้วยความเร็วสูง ใบมีดมักทำจากวัสดุที่มีฤทธิ์กัดกร่อนหรือเพชรบางพิเศษ เหมาะสำหรับการหั่นหรือเซาะร่องบนเวเฟอร์ซิลิคอน อย่างไรก็ตาม สำหรับวิธีการตัดเชิงกล การตัดใบมีดต้องอาศัยการดึงวัสดุออก ซึ่งอาจทำให้เกิดการบิ่นหรือการแตกร้าวของขอบชิปได้ง่าย ซึ่งส่งผลต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์และลดผลผลิต

คุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่ผลิตโดยกระบวนการเลื่อยเชิงกลจะได้รับผลกระทบจากพารามิเตอร์หลายตัว รวมถึงความเร็วตัด ความหนาของใบมีด เส้นผ่านศูนย์กลางใบมีด และความเร็วในการหมุนใบมีด

การตัดแบบเต็มเป็นวิธีการตัดใบมีดขั้นพื้นฐานที่สุด ซึ่งจะตัดชิ้นงานให้หมดโดยการตัดโดยใช้วัสดุที่ตายตัว (เช่น เทปสไลซ์)

▲ การตัดใบมีดแบบกลไก-การตัดเต็ม | เครือข่ายแหล่งที่มาของภาพ

การตัดครึ่งเป็นวิธีการประมวลผลที่สร้างร่องโดยการตัดไปที่กึ่งกลางชิ้นงาน ด้วยกระบวนการเซาะร่องอย่างต่อเนื่อง จึงสามารถผลิตจุดที่มีรูปทรงหวีและเข็มได้

▲ ใบมีดตัดแบบกลไก-ตัดครึ่ง | เครือข่ายแหล่งที่มาของภาพ

การตัดสองครั้งเป็นวิธีการประมวลผลที่ใช้เลื่อยตัดสองครั้งพร้อมแกนหมุนสองแกนเพื่อทำการตัดเต็มหรือครึ่งในสองสายการผลิตพร้อมกัน เลื่อยตัดคู่มีสองแกนแกน กระบวนการนี้สามารถบรรลุปริมาณงานสูงได้

▲ การตัดใบมีดแบบกลไก-การตัดสองครั้ง | เครือข่ายแหล่งที่มาของภาพ

การตัดขั้นบันไดใช้ใบเลื่อยตัดคู่พร้อมแกนหมุน 2 แกนเพื่อทำการตัดเต็มและครึ่งในสองขั้นตอน ใช้ใบมีดที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับการตัดชั้นสายไฟบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ และใบมีดที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับผลึกเดี่ยวซิลิกอนที่เหลือเพื่อให้ได้การประมวลผลคุณภาพสูง

▲ การตัดใบมีดแบบกลไก – การตัดแบบขั้นตอน | เครือข่ายแหล่งที่มาของภาพ

การตัดเอียงเป็นวิธีการประมวลผลที่ใช้ใบมีดที่มีขอบรูปตัว V บนขอบตัดครึ่งเพื่อตัดแผ่นเวเฟอร์เป็นสองขั้นตอนในระหว่างกระบวนการตัดขั้นตอน กระบวนการลบคมจะดำเนินการในระหว่างกระบวนการตัด ดังนั้นจึงสามารถมีความแข็งแรงของแม่พิมพ์สูงและการประมวลผลคุณภาพสูงได้

▲ การตัดใบมีดกล – การตัดเอียง | เครือข่ายแหล่งที่มาของภาพ
การตัดด้วยเลเซอร์

การตัดด้วยเลเซอร์เป็นเทคโนโลยีการตัดเวเฟอร์แบบไม่สัมผัสซึ่งใช้ลำแสงเลเซอร์แบบโฟกัสเพื่อแยกชิปแต่ละตัวออกจากเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ ลำแสงเลเซอร์พลังงานสูงมุ่งเน้นไปที่พื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ และระเหยหรือขจัดวัสดุตามแนวการตัดที่กำหนดไว้ล่วงหน้าผ่านกระบวนการระเหยหรือสลายตัวด้วยความร้อน

▲ แผนภาพการตัดด้วยเลเซอร์ | แหล่งที่มาของภาพ: KLA CHINA

ประเภทของเลเซอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน ได้แก่ เลเซอร์อัลตราไวโอเลต เลเซอร์อินฟราเรด และเลเซอร์เฟมโตวินาที ในบรรดาเลเซอร์เหล่านี้ เลเซอร์อัลตราไวโอเลตมักใช้สำหรับการระเหยด้วยความเย็นที่แม่นยำเนื่องจากมีพลังงานโฟตอนสูง และโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมีขนาดเล็กมาก ซึ่งสามารถลดความเสี่ยงที่จะเกิดความเสียหายจากความร้อนต่อแผ่นเวเฟอร์และชิปโดยรอบได้อย่างมีประสิทธิภาพ เลเซอร์อินฟราเรดเหมาะกว่าสำหรับเวเฟอร์ที่หนากว่าเนื่องจากสามารถเจาะลึกเข้าไปในวัสดุได้ เลเซอร์เฟมโตวินาทีบรรลุการกำจัดวัสดุที่มีความแม่นยำสูงและมีประสิทธิภาพ โดยมีการถ่ายเทความร้อนผ่านพัลส์แสงที่สั้นมากจนแทบไม่ต้องคำนึงถึง

การตัดด้วยเลเซอร์มีข้อได้เปรียบเหนือการตัดด้วยใบมีดแบบดั้งเดิมอย่างมาก ประการแรก เนื่องจากเป็นกระบวนการแบบไม่สัมผัส การตัดด้วยเลเซอร์จึงไม่ต้องใช้แรงกดบนแผ่นเวเฟอร์ จึงช่วยลดปัญหาการแตกกระจายและการแตกร้าวซึ่งมักพบในการตัดเชิงกล คุณสมบัตินี้ทำให้การตัดด้วยเลเซอร์เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการประมวลผลเวเฟอร์ที่เปราะบางหรือบางเฉียบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่มีโครงสร้างที่ซับซ้อนหรือคุณสมบัติที่ละเอียดอ่อน

▲ แผนภาพการตัดด้วยเลเซอร์ | เครือข่ายแหล่งที่มาของภาพ

นอกจากนี้ การตัดด้วยเลเซอร์ที่มีความแม่นยำและเที่ยงตรงสูงช่วยให้สามารถโฟกัสลำแสงเลเซอร์ไปยังขนาดลำแสงที่เล็กมาก รองรับรูปแบบการตัดที่ซับซ้อน และแยกระยะห่างขั้นต่ำระหว่างชิปได้ คุณลักษณะนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงที่มีขนาดหดตัว

อย่างไรก็ตาม การตัดด้วยเลเซอร์ก็มีข้อจำกัดบางประการเช่นกัน เมื่อเทียบกับการตัดด้วยใบมีด จะช้ากว่าและมีราคาแพงกว่า โดยเฉพาะในการผลิตขนาดใหญ่ นอกจากนี้ การเลือกประเภทเลเซอร์ที่เหมาะสมและการปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าการกำจัดวัสดุมีประสิทธิภาพและโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนน้อยที่สุดอาจเป็นเรื่องท้าทายสำหรับวัสดุและความหนาบางประเภท

การตัดด้วยเลเซอร์ระเหย

ในระหว่างการตัดด้วยเลเซอร์ระเหย ลำแสงเลเซอร์จะถูกโฟกัสอย่างแม่นยำไปยังตำแหน่งที่ระบุบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ และพลังงานเลเซอร์จะถูกนำทางตามรูปแบบการตัดที่กำหนดไว้ล่วงหน้า โดยค่อยๆ ตัดผ่านแผ่นเวเฟอร์ไปจนถึงด้านล่าง การดำเนินการนี้ดำเนินการโดยใช้เลเซอร์พัลซิ่งหรือเลเซอร์คลื่นต่อเนื่อง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดในการตัด เพื่อป้องกันความเสียหายที่เกิดกับแผ่นเวเฟอร์เนื่องจากความร้อนที่มากเกินไปของเลเซอร์ จึงมีการใช้น้ำหล่อเย็นเพื่อทำให้แผ่นเวเฟอร์เย็นลงและป้องกันความเสียหายจากความร้อน ในเวลาเดียวกัน น้ำหล่อเย็นยังสามารถกำจัดอนุภาคที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการตัดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ป้องกันการปนเปื้อน และรับประกันคุณภาพการตัด

การตัดด้วยเลเซอร์ที่มองไม่เห็น

เลเซอร์ยังสามารถโฟกัสเพื่อถ่ายเทความร้อนไปยังส่วนหลักของแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งเป็นวิธีการที่เรียกว่า "การตัดด้วยเลเซอร์ที่มองไม่เห็น" สำหรับวิธีนี้ ความร้อนจากเลเซอร์จะสร้างช่องว่างในเลนอาลักษณ์ บริเวณที่อ่อนแรงเหล่านี้จะได้รับผลการเจาะที่คล้ายกันโดยการแตกหักเมื่อแผ่นเวเฟอร์ถูกยืดออก

▲กระบวนการหลักของการตัดด้วยเลเซอร์ที่มองไม่เห็น

กระบวนการตัดที่มองไม่เห็นนั้นเป็นกระบวนการเลเซอร์ดูดซับภายใน แทนที่จะเป็นการระเหยด้วยเลเซอร์ โดยที่เลเซอร์จะถูกดูดซับบนพื้นผิว ด้วยการตัดที่มองไม่เห็น พลังงานลำแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นกึ่งโปร่งใสจะถูกนำมาใช้กับวัสดุซับสเตรตเวเฟอร์ กระบวนการนี้แบ่งออกเป็นสองขั้นตอนหลัก ขั้นตอนแรกคือกระบวนการที่ใช้เลเซอร์ และอีกขั้นตอนคือกระบวนการแยกเชิงกล

▲ลำแสงเลเซอร์สร้างการเจาะใต้พื้นผิวเวเฟอร์ และไม่ส่งผลกระทบต่อด้านหน้าและด้านหลัง | เครือข่ายแหล่งที่มาของภาพ

ในขั้นตอนแรก ขณะที่ลำแสงเลเซอร์สแกนแผ่นเวเฟอร์ ลำแสงเลเซอร์จะโฟกัสไปที่จุดเฉพาะภายในแผ่นเวเฟอร์ ทำให้เกิดจุดแตกร้าวภายใน พลังงานลำแสงทำให้เกิดรอยแตกหลายชุดภายใน ซึ่งยังไม่ขยายออกไปตามความหนาทั้งหมดของแผ่นเวเฟอร์ไปจนถึงพื้นผิวด้านบนและด้านล่าง

▲การเปรียบเทียบเวเฟอร์ซิลิคอนหนา 100μm ที่ตัดโดยวิธีใบมีดและวิธีการตัดด้วยเลเซอร์ที่มองไม่เห็น | เครือข่ายแหล่งที่มาของภาพ

ในขั้นตอนที่สอง เทปชิปที่ด้านล่างของแผ่นเวเฟอร์จะถูกขยายออกทางกายภาพ ซึ่งทำให้เกิดความเครียดแรงดึงในรอยแตกภายในแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งเกิดขึ้นในกระบวนการเลเซอร์ในขั้นตอนแรก ความเครียดนี้ทำให้รอยแตกขยายในแนวตั้งไปยังพื้นผิวด้านบนและด้านล่างของแผ่นเวเฟอร์ จากนั้นแยกแผ่นเวเฟอร์ออกเป็นชิ้นตามจุดตัดเหล่านี้ ในการตัดแบบมองไม่เห็น การตัดครึ่งหรือการตัดครึ่งด้านล่างมักจะใช้เพื่ออำนวยความสะดวกในการแยกแผ่นเวเฟอร์ออกเป็นชิปหรือชิป

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของการตัดด้วยเลเซอร์ที่มองไม่เห็นเหนือการระเหยด้วยเลเซอร์:
• ไม่ต้องใช้น้ำยาหล่อเย็น
• ไม่มีเศษซากเกิดขึ้น
• ไม่มีโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนที่อาจสร้างความเสียหายให้กับวงจรที่มีความละเอียดอ่อน

การตัดพลาสม่า
การตัดพลาสม่า (หรือที่เรียกว่าการกัดด้วยพลาสม่าหรือการกัดแบบแห้ง) เป็นเทคโนโลยีการตัดเวเฟอร์ขั้นสูงที่ใช้การกัดด้วยไอออนปฏิกิริยา (RIE) หรือการกัดด้วยไอออนปฏิกิริยาเชิงลึก (DRIE) เพื่อแยกชิปแต่ละตัวออกจากเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ เทคโนโลยีนี้สามารถบรรลุการตัดโดยการกำจัดวัสดุทางเคมีตามแนวการตัดที่กำหนดไว้ล่วงหน้าโดยใช้พลาสมา

ในระหว่างกระบวนการตัดพลาสมา แผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์จะถูกวางในห้องสุญญากาศ จากนั้นนำส่วนผสมของก๊าซปฏิกิริยาที่ได้รับการควบคุมเข้าไปในห้อง และใช้สนามไฟฟ้าเพื่อสร้างพลาสมาที่มีไอออนและอนุมูลปฏิกิริยาที่มีความเข้มข้นสูง สายพันธุ์ที่เกิดปฏิกิริยาเหล่านี้มีปฏิกิริยากับวัสดุเวเฟอร์และเลือกกำจัดวัสดุเวเฟอร์ตามแนวอาลักษณ์ผ่านการผสมผสานระหว่างปฏิกิริยาเคมีและการสปัตเตอร์ทางกายภาพ

ข้อได้เปรียบหลักของการตัดพลาสมาคือ ช่วยลดความเครียดเชิงกลบนแผ่นเวเฟอร์และชิป และลดความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นจากการสัมผัสทางกายภาพ อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ซับซ้อนและใช้เวลานานกว่าวิธีอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องจัดการกับแผ่นเวเฟอร์ที่หนากว่าหรือวัสดุที่มีความต้านทานการกัดกร่อนสูง ดังนั้นการใช้งานในการผลิตจำนวนมากจึงมีจำกัด

▲เครือข่ายแหล่งที่มาของภาพ

ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ จำเป็นต้องเลือกวิธีการตัดเวเฟอร์โดยพิจารณาจากปัจจัยหลายประการ รวมถึงคุณสมบัติของวัสดุเวเฟอร์ ขนาดชิปและรูปทรง ความแม่นยำและความแม่นยำที่ต้องการ ตลอดจนต้นทุนและประสิทธิภาพการผลิตโดยรวม