半导体技术分享-晶圆切割机之技术研究-可下技术文档和切割机3D图。

文摘   2024-12-09 18:00   韩国  
                        可观看视频了解设备详细动作:
晶圆切割机也叫晶圆划片机主要用于将加工完成的半导体晶圆切割成单独的芯片,由于晶粒之间的空隙很小又相当脆弱因此对于其精度要求很高,而主轴因为是气浮式原理,所以转速可以达到每分钟30000rpm至60000rpm,并使用钻石切割刀进行切割,切切割过程会产生大量的粉屑,因此在切割过程中应不断用纯水冲洗,以免污染到晶粒。
目前切割机其最主要的考虑因素有:晶粒须完全切割但不能切穿载体膜、切割时需要沿著晶粒间的切割道,不能偏移或蜿蜒曲折、切割时不能发生晶粒崩缺或裂痕··等等的状况。
               以下是该设备的主要工作流程:

1. 晶圆固定

晶圆通过真空吸附固定在切割台上,以确保在切割过程中不会移动。

2. 切割工具

采用金刚石镀层的切割刀片或激光切割装置。金刚石刀片性,适合于精密切割,而激光切割则适用于需要更高精度和更少物理应力的场合。

3. 定位

使用光学或激光对准系统来精确定位切割路径。自动对准系统可以确保切割刀片沿预定的切割线精确运动。

4. 切割移动

  • 金刚石刀片切割:刀片以高速旋转,同时在切割点处施加冷却液,以减少热量和碎屑。刀片沿着预先设定的划片道移动,将晶圆切割成一个个芯片。

  • 激光切割:激光束聚焦在晶圆表面,通过高能量的激光脉冲逐步汽化材料,形成切割线。激光切割不需要物理接触,减少了对晶圆的机械应力。

5. 清洁处理

切割过程中产生的碎屑和粉尘会通过吸尘装置或冷却液带走,以保持切割区域的清洁。

  1.作业人员将装有晶圆的晶舟盒(Cassette)放到升降平台(Elevator)上, 

2.全自动切割机就会透过抽取手臂Push/pull arm)和下部传送手臂(Lowera rm)将晶圆放在加工平台(Chuck Table)上.

3.当晶圆加工完成后,会再透过上部传送手臂(Upper arm)将晶圆送至清洗平台(Spinner Table)上进行清洗作业,

4.最后再送回晶舟盒中,完成整个作业流程。如下图

图1.布局示意图

      目前行业大多使用切刀进行切割,然而切割加工时,容易因其硬脆之特性,造成芯片边缘的崩裂,甚至影响到产品功能,因此在進行芯片排列设计时,会需要預留恰当的切割道(saw street),让晶圆在切割时,有可以容忍的崩边空间,不至于破坏芯片有效区,但当芯片切割道越大,整个晶圆上能夠排列的芯片数量越少,使得到相同数量芯片的成本上升,因此为了品质上升,降低崩裂,縮小切割道宽度以获得最大效益。 

这是我查阅的切割道宽度和薄钻石刀片的建议厚度关系表:

    刀片切割原理为刀片在高速旋转下将材料切割,并把切屑带出,其作用就如同砂輪机的砂輪一样,但就细微作用原理来说可分为Cracking及Removing二种,以下针对二种原理加以说明

1. Cracking:当钻石颗粒接触到材料时如硅、玻璃以及铁等材料,会产生细微的破碎(Micro-Fracturing)。

2. Removing:当钻石颗粒接触到材料时如树脂、铜以及铝等材料,其产生的残屑会附着在刀片上,并把这些残屑带走。

直接影响切割过程中的条件大致为:刀片夹具精度(Wheel MountAccuracy)、校准(Dress)、预切(Pre-cut)、刀片转速(Rotation Speed)、进给速率(FeedSpeed),以下就这几种条件说明:1.刀片夹具精度:为刀片未安装在刀具上,整个刀具在转动时的震动精度,如果Wheel Mount精度不佳就会造成切割结果不良,也会是刀片易磨耗且容易破损。2.校准:校准的目的就是使刀片旋转中心和spindle的旋转中心同在一点,并使刀片的真圆度达到最佳化,避免切割深度不均的情况出现如图所示。


             晶圆切割且影响切割良率的因素有相当多种,而刀片转速和进给速率是会最直接影响切割结果的因素:

    刀片转速的大小主要会影响崩裂和刀片磨耗率,理论上转速越快所产生的崩裂情形越小、刀片磨耗量越少;转速越慢所产生的崩裂情形越大、刀片磨耗量越多.

进给速率:其速率快慢也會影響晶圓切割崩裂的情形和刀片磨耗量的多 寡,並代表了每單位小時內能產出的切割數量 UPH(Unit Per Hour)

为提高良率分享晶圆切割时的刀和转速等相关经验参数:(供参考)

    

目前激光切割虽然能有效改善崩缺、隐裂的发生,但也有自身需解决的问题如图,烧伤现象。

  且在特殊种类的晶圆在作业激光切割后会因为有Plasma效应产生的烧融现象,以及因激光深度过深导致在制程后直接裂穿,必须针对激光的功率、频率以及速度进行最佳化参数设计.如上图设定移动速度等。

激光切割的原理-来自网络图片

    激光切割是一种利用材料吸收光能量产生的瞬间高热,使材料汽化的一种加工方式.


图1.切刀的详细图

图2.切刀局部图-来源DISCO

                          切割机的重点设计-防水设计

      晶圆切割需要大量用水,为避免电器装置以及各机构不受水雾的影响,区域集排水的规划是整机防水的重点.由于主轴切削头带着喷水装置,随着切削而移动,因此区域集排水的空间首先决定于主轴切削头及移动轴范围,            防水设计采用防水罩设计如下面视图:

升降料仓包括一个带上料口和升降机,用于放置装满待加工工件的晶圆盒

图2.升降料仓图

机械手系统(MTS)是搬运晶圆使其放在工作台上,可在工件加工周期中同时传输工件。

图2.传输装置

图2.5 定位装置(俯视图)

附上切割机说明书文档和3D图:

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