切单（Singulation），一个晶圆被分割成 多个半导体芯片的工艺 | SK hynix Newsroom
一个晶圆要经历三次的变化过程，才能成为一个真正的半导体芯片：首先，是将块儿状的铸锭切成晶圆；在第二道工序中，通过前道工序要在晶圆的正面雕刻晶体管；最后，再进行封装，即通过切割过程，使晶圆成为一个完整的半导体芯片。可见，封装工序属于后道工序，在这道工序中，会把晶圆切割成若干六面体形状的单个芯片，这种得到独立芯片的过程被称作做“切单（Singulaton）”,而把晶圆板锯切成独立长方体的过程则叫做“晶片切割(Die Sawing)”。近来，随着半导体集成度的提高，晶圆厚度变得越来越薄，这当然给“切单”工艺也带来了不少难度。
一、晶圆切割(Wafer Dicing)的发展历程
图1. 晶圆切割方法的发展历程（切单）
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前道和后道工序通过各种不同方式的互动而进一步发展：后道工序的进化可以决定晶圆上die单独分离出的六面体小芯片）的结构和位置，以及晶片上焊盘（电连接路径）的结构和位置；与之相反，前端工艺的进化则改变了后端工艺中的晶圆背面减薄和“晶片切割(Die Sawing)”晶圆的流程和方法。因此，封装的外观日益变得精巧，会对后端工艺带来很大的影响。而且，根据包装外观的变化，切割次数、程序和类型也会发生相应的变化。▶ 请参见“轻、薄、短、小”，半导体封装的演变（“Light, Thin, Short and Small”, The Development of Semiconductor Packages）。那么，现在就让我们一起通过芯片“切单”的演化过程，来看看五种切割方法吧。
二、划片切割（Scribe Dicing）
图2. 早期的划片切割法：划片后进行物理上的分割（Breaking）@直径为6英寸以下的的晶圆
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早期，通过施加外力切割的“掰开（Breaking）”是唯一可以把晶圆分割成六面形的Die的切割法。然而，这种方法却存小芯片边缘剥落（Chipping）或产生裂纹等弊端。而且，由于没有完全去除金属表面的毛刺（Burr：切割时产生的一些残渣），所以切割表面也非常粗糙。
为了解决这一问题，“划片（Scribing）”切割法应运而生，即在“掰开（Breaking）”前，将晶圆表面切割至大约一半的深度。“划片”，顾名思义，是指使用叶轮在晶圆的正面事先锯切（半切）。早期，6英寸以下的晶圆大部分都使用了这种现在芯片之间先“划片”，再“掰开（Breaking）”的切割法。
三、刀片切割 (或锯切) (Blade Dicing or Blade Sawing)
图3-1. 刀片切割（锯切）方法@传统方法
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“划片”切割法逐渐发展成为“刀片（Blade dicing）”切割（或锯切）法，即连续使用刀片两到三次进行切割的方法。“刀片”切割法可以弥补“划片”后“掰开（Breaking）”时，小芯片剥落的现象，可在“切单（Singulation）”过程中起到保护小芯片的作用。“刀片”切割与之前的“划片”切割有所不同，即进行完一次“刀片”切割后，不是“掰开（Breaking）”，而是再次用刀片切割。所以，也把它称为“分步切割（Step Dicing）”法。
图3-2. 刀片切割（锯切）过程中，保护膜的附着与摘除
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为了保护晶圆在切割过程中免受外部损伤，事先会在晶圆上贴敷胶膜，以便保证更安全的“切单”。“背面减薄（Back Grinding）”过程中，胶膜会贴在晶圆的正面。但与此相反，在“刀片”切割中，胶膜要贴在晶圆的背面。▶请参阅<背面减薄决定晶圆的厚度（Back graining Determines the Thickness of a Wafer Back> 而在共晶贴片（Die Bonding，把分离的芯片固定在PCB或定架上）过程中，贴会背面的这一胶膜会自动脱落。切割时由于摩擦很大，所以要从各个方向连续喷洒DI水。而且，叶轮要附有金刚石颗粒，这样才可以更好地切片。此时，切口（刀片厚度：凹槽的宽度）必须均匀，不得超过划片槽的宽度。
很长一段时间，锯切一直是被最广泛使用的传统的切割方法，其最大的优点就是可以在短时间内切割大量的晶圆。然而，如果切片的进给速度（Feeding Speed）大幅提高，小芯片边缘剥落的可能性就会变大。因此，应将叶轮的旋转次数控制在每分钟30000次左右。可见，半导体工艺的技术往往是通过很长一段时间的积累和试错，慢慢积累的秘诀（在下一节有关共晶贴片的内容上，将讨论有关切割与DAF的内容）。
四、先切割、后减薄 (DBG，Dicing Before Grinding): 切割顺序改变了方法
图4. 现存的刀片切割&DBG（先切割，后减薄）方法
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在直径为8英寸晶圆上进行刀片切割时，不用担心小芯片边缘剥落或裂纹等现象。但随着晶圆直径增加至21英寸，且厚度变也得极薄，剥落与裂纹现象又开始出现了。为了大幅减少在切割过程中对晶圆的物理冲击，“先切割、后研磨”的DBG方法取代了传统的切割顺序。 与连续进行切割的传统“刀片”切割法不同，DBG先进行一次“刀片”切割后，就通过不断的背面减薄使晶圆厚度逐渐变薄，直到芯片分裂为止。可以说，DBG时以往“刀片”切割法的升级版，因为它可以减少第二次切割带来的冲击，所以，DBG方法在“晶圆级封装”上得到了迅速的普及。
五、激光切割(Laser Dicing)
图5. 传统激光切割（grooving）&激光隐形切割（SD）方法的比较
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晶圆级晶片尺寸封装（WLCSP，Wafer Level Chip Scale Package）工艺主要采用激光切割法。采用激光切割可以减少剥落和裂纹等现象，从而获得更优质的芯片，但晶圆厚度为100μm以上时，生产率将大打折扣。所以，多用在厚度不到100μm（相对较薄）的晶圆上。激光切割是通过在晶圆的划片槽上施加高能量的激光来切割硅。但使用传统的激光(Conventional Laser)切割法，要在晶圆表面上事先涂层保护膜。因为，在晶圆表面加热或照射激光等，这些物理上的接触会晶圆表面会产生凹槽，而且切割的硅碎片也会粘附在表面上。可见，传统的激光切割法也是直接切割晶圆表面，在这一点上，它与“刀片”切割法有相似之处。
激光隐形切割（SD, Stealth Dicing）则是先用激光能量切割晶圆的内部，再向贴附在背面的胶带施加外部压力，使其断裂，从而分离芯片的方法。当向背面的胶带施加压力时，由于胶带的拉伸，晶圆将被瞬间向上隆起，从而使芯片分离。相对传统的激光切割法SD的优点为：一是没有硅的碎屑；二是切口（Kerf：划片槽的宽度）窄，所以可以获得更多的芯片。此外，使用SD方法剥落和裂纹现象也将大大减少，这至关定切割的整体质量。因此，SD方法非常有望成为未来最受青睐的一项技术。
六、等离子切割(Plasma Dicing)
等离子切割作时最近发展起来的一项技术，即在制造（Fab）过程中使用等离子蚀刻的方法进行切割。等离子切割法用半气体材料代替了液体，所以对环境影响相对较小。而且采用了对整个晶圆一次性切割的方法，所以“切单”速度也相对较快。然而，等离子方法要以化学反应气体为原料，且蚀刻过程非常复杂，因此其工艺流程相对较繁琐。但与“刀片”切割、激光切割相比，等离子切割不会给晶圆表面造成损伤，从而可以降低不良率，获得更多的芯片。
近来，由于晶圆厚度已减小至30μm，且使用了很多铜（Cu）或低介电常数等材料（Low-k ）。因此，为了防止毛刺（Burr），等离子切割方法也将受到青睐。当然，等离子切割技术也在不断的发展中，相信不久的将来，终有一天蚀刻时可以不再需要佩戴专用口罩，因为这就是等离子切割的一大发展方向。
随着晶圆的厚度从100μm到50μm、再到30μm、不断变薄，获得独立芯片的切割方法也从“掰开（breaking）”、“刀片”切割，到激光切割，再到等离子切割，不断变化发展着。日趋成熟的切割方法，虽然带来了切割工艺本身生产成本的增加，但另一方面，通过大幅减少半导体芯片切割中经常出现的剥落、裂纹等不良现象和单位晶圆上芯片获得量的增多，单个芯片的生产成本反而却呈现出下降趋势。当然，晶圆单位面积芯片获得量的增加，与划片槽（Dicing Street宽度）宽度的缩小有着密切的关系。采用等离子切割法，相对采用“刀片”切割法，可以获得将近20%的更多的芯片，这也是为什么人们选择等离子切割法的一大原因。随着晶圆、芯片外观和封装方法的发展变化，晶圆加工技术和DBG等各种切割工艺也正在应运而生。
陈锺文半导体专栏作家
韩国忠北半导体高等学校老师