CN112201600B - 一种晶圆劈裂扩片装置及晶圆裂片扩片方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶圆劈裂扩片装置及晶圆裂片扩片方法，装置包括晶圆定位机构、裂片机构、扩片机构、视觉检测单元和控制器，球形劈裂头将晶圆顶起分离晶粒，提供圆形套环、螺旋或扫描步进直线裂片轨迹，满足不同切割道的要求或特殊裂片要求；裂片后进行扩片工艺，控制外环升起，外环带动晶圆膜上升并拉伸，使裂片后晶粒分开；避免裂片完成后的晶粒因膜收缩而产生碰撞碎裂崩边，减少工艺步骤，提高生产效率同时最好的保护晶粒，提高成品率。可选用不同半径的裂片头，满足不同晶粒的大小，且压力均匀，不易产生崩边等缺陷；此外，装置由软件自动根据切割道长度选择裂片头，提高了加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及晶圆裂片技术，具体涉及一种晶圆劈裂扩片装置及晶圆裂片扩片方法。
背景技术
晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆。在半导体芯片的制作过程中，在晶圆表面形成多个芯片区域，由划片道隔离开。在制作过程中需要对晶圆进行切割，将独立的芯片区域成单个晶粒。
现有的晶圆加工技术，晶圆裂片工艺是把预先切割好的覆膜晶圆放在加工位，预先切割可以通过激光切割或是刀具切割方法。晶圆本身放在专用的薄膜上，这个是通过晶圆覆膜机实现的。覆膜晶圆放在砧板上，平台提升通过膜的张力对已经切割的晶圆道施加外力，使晶圆延切割道裂开，再将扩张开的晶圆进行固定，裂片和扩片在同一步骤完成。
激光切割是一种常用的方式，在晶圆背面贴膜之后，使用激光对晶圆上晶粒与晶粒之间的切割道上进行激光划片，形成横纵交错的多条切割线；然后通过裂片装置将晶粒分裂。
现有技术中对晶圆进行裂片通常采用裂片刀沿着切割线进行裂片，容易造成晶粒边缘崩裂，并且，对于切割线的形状有特殊要求，裂片效率较低。并且在裂片时，由于不同方向不是同时裂片，晶粒不同方向上收到的应力不同，容易从贴膜上脱落，造成损伤。为了避免晶粒在裂片过程中脱落，通常需要采用特殊的保护膜，成本较高。此外，一般的，裂片头为固定弧面，当裂片操作时，裂片头与晶圆背膜为滑动摩擦，摩擦较大，当选用较小的刀头劈裂窄切割道时容易破坏背膜。另一方面，裂片过程中，背膜发生拉伸边形，当裂片头移动到别的位置时，已经裂开的晶粒受重力作用下垂，会发生碰撞挤压，形成较大的崩边，对侧面进行二次破坏。因此，需要提出一种新的裂片装置来克服上述问题。
发明内容
为了避免现有的晶圆劈裂工艺存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种晶圆劈裂扩片装置及晶圆裂片扩片加工方案，解决滑动摩擦刀头破坏背膜的问题，劈裂工艺不受晶粒大小和切割道宽的限制；同时将裂片和扩片工艺结合，减少工艺步骤，提高生产效率同时最好的保护晶粒，提高成品率。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
一种晶圆劈裂扩片装置，装置包括晶圆定位机构、裂片机构和扩片机构，其中，所述晶圆定位机构包括晶圆固定外框、边框压紧固定组件和晶圆载台，所述晶圆固定外框用于可拆卸的包裹晶圆外周边，边框压紧固定组件用于将晶圆固定外框固定至所述晶圆载台上，以此将晶圆紧固定位；所述裂片机构包括旋转台、运动轴、升降阀和球状万向裂片头，所述旋转台可控的升降和绕中心线自转，所述运动轴设置在所述旋转台上从中心到外周之间可控的运动，所述升降阀滑动的设置在所述运动轴上，不同规格的球状万向裂片头可更换的竖直设置在所述升降阀的顶端；所述扩片机构包括上扩组件和下扩组件，通过所述上扩组件和下扩组件相互配合对接压紧晶圆边沿处的晶圆背膜向外周施力扩张，实现对晶圆的扩片。
优选的，装置还包括视觉检测单元和控制器，所述裂片机构、扩片机构和视觉检测单元与所述控制器电讯连接；其中，视觉检测单元设置在所述晶圆载台的上方和/或下方，用以检测晶圆状态参数；所述控制器通过视觉检测单元检测的信息判断并控制裂片机构、扩片机构的运动状态、以及判断和控制裂片扩片加工状态。
优选的，所述升降阀可控的沿着所述运动轴滑动，当升降阀运动到运动轴最上端时使得球状万向裂片头顶端正对所述晶圆载台的中心，从而正对装载的晶圆的中心下表面；当升降阀运动到动轴的最下端时，使得球状万向裂片头正对所述晶圆外侧的晶圆背膜下表面，以保证整个晶圆的裂片。
优选的，所述旋转台为锥型转台，所述运动轴设置在所述锥型转台的锥面上，所述旋转台底部由旋转升降轴支撑驱动。
优选的，所述锥型转台为偏心锥型台，所述运动轴设置在长母线一侧的锥面上。
优选的，通过控制器的控制实现升降阀上的球状万向裂片头在平面上的圆形、螺旋线、或直线运动轨迹，通过升降阀在运动轴上的升降高度控制使得裂片头实现滚珠曲面运动，通过控制升降阀的顶升高度和顶升压力调节裂片力的大小，通过控制升降阀的顶升高度和顶升压力的保持实现整个晶圆受力的一致性，以此控制裂片效果。
优选的，所述扩片机构的上扩组件包括晶圆扩片环外环、外环固定盘件和气压紧固件，所述外环固定盘件外周向下延伸形成圆周凸缘，所述晶圆扩片环外环的外环面内嵌于所述外环固定盘件的圆周凸缘内周面上，所述气压紧固件上下运动可控的固定连接至所述外环固定盘件的上表面；所述扩片机构的下扩组件包括晶圆膜顶起扩片件、晶圆扩片环内环和升降轴，所述晶圆膜顶起扩片件的底部设置在所述升降轴上，所述晶圆扩片环内环的内侧面连接至所述晶圆膜顶起扩片件的外侧面上且顶面平齐设置，且所述晶圆扩片环内环的外环面与所述晶圆扩片环外环的内环面嵌合匹配。
本发明还提供了一种采用上述晶圆劈裂扩片装置进行裂片扩片加工的方法，方法包括以下步骤。
a初加工晶圆预处理，准备已经初加工的晶圆，带加工凹槽的面朝上，另一面为底面，在晶圆的底面贴上晶圆背膜，并连接晶圆固定外框。
b晶圆装夹定位，把带膜的晶圆放在晶圆载台上，通过边框压紧固定组件夹紧固定晶圆固定外框。
c刀头选定和设定加工路径，通过视觉检测单元检测晶圆的加工凹槽确定切割道，选择并安装匹配的球状万向裂片头。控制器设定裂片机构并选择对应规格晶圆的加工轨迹、进给速度和升降阀的顶升高度和顶升压力。
d晶圆裂片，控制器控制裂片机构启动，运动轴和旋转台同时运动，带动球状万向裂片头在晶圆背面按照设定轨迹运动，顶起晶圆，完成裂片。
e裂片机构归位，完成裂片后，将球状万向裂片头运动到晶圆中心，球状万向裂片头顶升使得晶圆中心最高。
f晶圆扩片，启动扩片机构，升降轴驱动晶圆扩片环内环上升并将晶圆背膜拉伸，使裂片后的晶粒分离，完成扩片。
g固定晶膜，晶粒全部分离后，上扩组件的气压紧固件带动晶圆扩片环外环下降，使得晶圆扩片环内环与晶圆扩片环外环咬合，使得晶圆背膜拉伸张紧定位，便于后续工序。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：裂片机构提供多种运动方式，满足不同切割道的要求或特殊裂片要求，可以单独对某一条切割道进行劈裂；可选用不同半径的裂片头，满足不同晶粒的大小，且压力均匀，不易产生崩边等缺陷；裂片后可以不进行扩片操作，满足特殊加工要求；裂片后也可马上进行扩片，裂片和扩片工艺结合，避免裂片完成后的晶粒因膜收缩而产生碰撞碎裂崩边，减少工艺步骤，提高生产效率同时最好的保护晶粒，提高成品率。此外，装置由软件自动根据切割道长度选择裂片头，提高了加工效率。
附图说明
图1为本发明晶圆劈裂扩片装置的部分结构俯视示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为通过装置对晶圆进行裂片扩片加工的过程示意图；
图4为通过装置对晶圆进行裂片扩片加工完成后的示意图；
图5为晶圆裂片后晶粒分类的效果示意图；
图6为晶圆裂片扩片加工的工艺流程图。
图中：
1、球状万向裂片头；2、升降阀；3、运动轴；4、旋转台；5、晶圆膜顶起扩片件；6、晶圆扩片环内环；7、升降轴；8、边框压紧固定组件；9、晶圆固定外框；10、晶圆背膜；11、晶圆；12、晶圆扩片环外环；13、外环固定盘件；14、气压紧固件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种晶圆劈裂扩片装置，参见图1-图4，装置包括晶圆定位机构、裂片机构和扩片机构。
进一步的，装置还包括视觉检测单元和控制器(图未示)，所述裂片机构、扩片机构和视觉检测单元与所述控制器电讯连接；其中，视觉检测单元设置在所述晶圆载台的上方和/或下方，用以检测晶圆状态参数；所述控制器通过视觉检测单元检测的信息判断并控制裂片机构、扩片机构的运动状态、以及判断和控制裂片扩片加工状态。
进一步的，视觉检测单元(图未示)设置在所述晶圆装夹机构的上方和/或下方，用以检测晶圆状态参数。进一步的，上述视觉检测单元包括CCD相机、平面光源、镜头等。
其中，所述晶圆定位机构包括晶圆固定外框9、边框压紧固定组件8和晶圆载台，所述晶圆固定外框9用于可拆卸的包裹晶圆外周边，边框压紧固定组件8用于将晶圆固定外框9固定至所述晶圆载台上，以此将晶圆紧固定位。
晶圆载台可以采用现有任意能实现相关功能的机构即可，此处不再详述。
晶圆固定外框9横截面为C形，优选两半环对接方式设置，外部为不锈钢的刚性材质，内侧面为柔性面，如通过涂覆粘贴橡胶层、柔性布料等方式形成。
其中，裂片机构包括旋转台4、运动轴3、升降阀2和球状万向裂片头1，所述旋转台4可控的升降和绕中心线自转，所述运动轴3设置在所述旋转台4上从中心到外周之间可控的运动，所述升降阀2滑动的设置在所述运动轴3上，不同规格的球状万向裂片头1可更换的竖直设置在所述升降阀2的顶端。
进一步的，旋转台4半径略大于晶圆11半径，运动轴3安装在旋转台4上，长度略长于旋转投影半径，球状万向裂片头1的不同半径的球适用于不同大小的晶粒。
进一步的，所述升降阀2可控的沿着所述运动轴3滑动，当升降阀2运动到运动轴3最上端时使得球状万向裂片头1顶端正对所述晶圆载台的中心，从而正对装载的晶圆11的中心下表面；当升降阀2运动到动轴3的最下端时，使得球状万向裂片头1正对所述晶圆11外侧的晶圆背膜10下表面，以保证整个晶圆的裂片。
一个实施例中，所述旋转台4为锥型转台，所述运动轴3设置在所述锥型转台的锥面上，所述旋转台4底部由旋转升降轴支撑驱动。
进一步的，所述锥型转台为偏心锥型台，所述运动轴3设置在长母线一侧的锥面上。
进一步的，所述运动轴3采用但不限于直线电机、电控伸缩轴、或电控滑轨组件中的一种，优选为直线电机，实现精确控制，当然考虑成本，也可以综合分析采用其他形式。
进一步的，所述升降阀2采用但不限于气动块、油缸、或电缸中的一种。优先采用柔性的气动块。
轨迹控制，通过控制器的控制实现升降阀2上的球状万向裂片头1在平面上的圆形、螺旋线、或直线运动轨迹，通过升降阀2在运动轴3上的升降高度控制使得球状万向裂片头1实现滚珠曲面运动，通过控制升降阀2的顶升高度和顶升压力调节裂片力的大小，通过控制升降阀2的顶升高度和顶升压力的保持实现整个晶圆受力的一致性，以此控制裂片效果。
进一步的，螺旋线形式包括由内而外或由外而内螺旋；圆形也可包括由内而外或由外而内同心圆路径；直线运动可以包括多种形式，如平行、交叉、直线回旋由内而外或由外而内设计等多种形式的路径设计。
其中，扩片机构包括上扩组件和下扩组件，通过所述上扩组件和下扩组件相互配合对接压紧晶圆11边沿处的晶圆背膜10向外周施力扩张，实现对晶圆的扩片。
进一步的，所述扩片机构的上扩组件包括晶圆扩片环外环12、外环固定盘件13和气压紧固件14，所述外环固定盘件13外周向下延伸形成圆周凸缘，所述晶圆扩片环外环12的外环面内嵌于所述外环固定盘件13的圆周凸缘内周面上，所述气压紧固件14上下运动可控的固定连接至所述外环固定盘件13的上表面。
进一步的，所述扩片机构的下扩组件包括晶圆膜顶起扩片件5、晶圆扩片环内环6和升降轴7，所述晶圆膜顶起扩片件5的底部设置在所述升降轴7上，所述晶圆扩片环内环6的内侧面连接至所述晶圆膜顶起扩片件5的外侧面上且顶面平齐设置，且所述晶圆扩片环内环6的外环面与所述晶圆扩片环外环12的内环面嵌合匹配。
当然，晶圆扩片环内环6的外环面与所述晶圆扩片环外环12的嵌合方式可以交换，即内环变外环，外环变内环的可选替代方案。
裂片方法：参见图6，采用上述晶圆劈裂扩片装置进行裂片加工的方法，包括以下步骤。
a初加工晶圆预处理，准备已经初加工的晶圆11，带加工凹槽的面朝上，另一面为底面，在晶圆的底面贴上晶圆背膜10，并连接晶圆固定外框9。
b晶圆装夹定位，把带膜的晶圆11放在晶圆载台上，通过边框压紧固定组件8夹紧固定晶圆固定外框9。
c刀头选定和设定加工路径，通过视觉检测单元检测晶圆的加工凹槽确定切割道，选择并安装匹配的球状万向裂片头1。控制器设定裂片机构并选择对应规格晶圆的加工轨迹、进给速度和升降阀2的顶升高度和顶升压力。
d晶圆裂片，控制器控制裂片机构启动，运动轴3和旋转台4同时运动，带动球状万向裂片头1在晶圆背面按照设定轨迹运动，顶起晶圆11，完成裂片。
e裂片机构归位，完成裂片后，将球状万向裂片头1运动到晶圆中心，球状万向裂片头1顶升使得晶圆中心最高。
裂片后的效果参见图5。
裂片扩片结合的方法：参见图6，采用上述晶圆劈裂扩片装置进行裂片和扩片结合的加工步骤如下。
a初加工晶圆预处理，准备已经初加工的晶圆11，带加工凹槽的面朝上，另一面为底面，在晶圆的底面上晶圆背膜10，并连接晶圆固定外框9。
b晶圆装夹定位，把带膜的晶圆11放在晶圆载台上，通过边框压紧固定组件8夹紧固定晶圆固定外框9。
c刀头选定和设定加工路径，通过视觉检测单元检测晶圆的加工凹槽确定切割道，选择并安装匹配的球状万向裂片头1。控制器设定裂片机构并选择对应规格晶圆的加工轨迹、进给速度和升降阀2的顶升高度和顶升压力。
d晶圆裂片，控制器控制裂片机构启动，运动轴3和旋转台4同时运动，带动球状万向裂片头1在晶圆背面按照设定轨迹运动，顶起晶圆11，完成裂片。
e裂片机构归位，完成裂片后，将球状万向裂片头1运动到晶圆中心，球状万向裂片头1顶升使得晶圆中心最高。
f晶圆扩片，启动扩片机构，升降轴7驱动晶圆扩片环内环6上升并将晶圆背膜10拉伸，使裂片后的晶粒分离，完成扩片。
进一步的，为了便于后续封装工序，还可以包括以下步骤，使得晶膜扩张张紧定位。
g固定晶膜，晶粒全部分离后，上扩组件的气压紧固件14带动晶圆扩片环外环12下降，使得晶圆扩片环内环6与晶圆扩片环外环12咬合，使得晶圆背膜10拉伸张紧定位，便于后续工序。
通过上述装置和方法，可实现适用于2寸至12寸不同尺寸的晶圆，即对相应尺寸的晶圆贴在标准的晶圆框上的裂片。
其中，控制器通过软件控并根据裂片位置自动选择相应长的的刀头进行裂片。
本装置和方法适用于多种方法形成的晶圆切割道，如激光表切、刀锯切割、隐形切割等，对切割道和隐形切割层数没有明确限制，根据不同晶圆尺寸有所不同。
综上，本发明的装置的工艺是使球形劈裂头将晶圆顶起，顶起附近的晶粒可以均匀受力，进而顺切割道裂开形成单个晶粒，通过不同的软件算法控制运动轴运动，可以实现从外到内螺旋，从内到外螺旋，或扫描步进直线裂片。裂片后进行扩片工艺，控制外环升起，外环带动晶圆膜上升并拉伸，使裂片后晶粒分开。当外环上升到一定高度后，上部分通过气缸控制下降与外环咬合，固定扩片后的晶圆，便于后续封装工艺。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种晶圆劈裂扩片装置，其特征在于：装置包括晶圆定位机构、裂片机构和扩片机构，其中，
所述晶圆定位机构包括晶圆固定外框(9)、边框压紧固定组件(8)和晶圆载台，所述晶圆固定外框(9)用于可拆卸的包裹晶圆外周边，边框压紧固定组件(8)用于将晶圆固定外框(9)固定至所述晶圆载台上，以此将晶圆紧固定位；
所述裂片机构包括旋转台(4)、运动轴(3)、升降阀(2)和球状万向裂片头(1)，所述旋转台(4)可控的升降和绕中心线自转，所述运动轴(3)设置在所述旋转台(4)上从中心到外周之间可控的运动，所述升降阀(2)滑动的设置在所述运动轴(3)上，不同规格的球状万向裂片头(1)可更换的竖直设置在所述升降阀(2)的顶端；
所述扩片机构包括上扩组件和下扩组件，通过所述上扩组件和下扩组件相互配合对接压紧晶圆(11)边沿处的晶圆背膜(10)向外周施力扩张，实现对晶圆的扩片。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：装置还包括视觉检测单元和控制器，所述裂片机构、扩片机构和视觉检测单元与所述控制器电讯连接；其中，视觉检测单元设置在所述晶圆载台的上方和/或下方，用以检测晶圆状态参数；所述控制器通过视觉检测单元检测的信息判断并控制裂片机构、扩片机构的运动状态、以及判断和控制裂片扩片加工状态。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述升降阀(2)可控的沿着所述运动轴(3)滑动，当升降阀(2)运动到运动轴(3)最上端时使得球状万向裂片头(1)顶端正对所述晶圆载台的中心，从而正对装载的晶圆(11)的中心下表面；当升降阀(2)运动到动轴(3)的最下端时，使得球状万向裂片头(1)正对所述晶圆(11)外侧的晶圆背膜(10)下表面，以保证整个晶圆的裂片。
4.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于：所述旋转台(4)为锥型转台，所述运动轴(3)设置在所述锥型转台的锥面上，所述旋转台(4)底部由旋转升降轴支撑驱动。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述锥型转台为偏心锥型台，所述运动轴(3)设置在长母线一侧的锥面上。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述运动轴(3)采用直线电机、电控伸缩轴、或电控滑轨组件中的一种。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述升降阀(2)采用气动块、油缸、或电缸中的一种。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：通过控制器的控制实现升降阀(2)上的球状万向裂片头(1)在平面上的圆形、螺旋线、或直线运动轨迹，通过升降阀(2)在运动轴(3)上的升降高度控制使得裂片头(1)实现滚珠曲面运动，通过控制升降阀(2)的顶升高度和顶升压力调节裂片力的大小，通过控制升降阀(2)的顶升高度和顶升压力的保持实现整个晶圆受力的一致性，以此控制裂片效果。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述扩片机构的上扩组件包括晶圆扩片环外环(12)、外环固定盘件(13)和气压紧固件(14)，所述外环固定盘件(13)外周向下延伸形成圆周凸缘，所述晶圆扩片环外环(12)的外环面内嵌于所述外环固定盘件(13)的圆周凸缘内周面上，所述气压紧固件(14)上下运动可控的固定连接至所述外环固定盘件(13)的上表面；
所述扩片机构的下扩组件包括晶圆膜顶起扩片件(5)、晶圆扩片环内环(6)和升降轴(7)，所述晶圆膜顶起扩片件(5)的底部设置在所述升降轴(7)上，所述晶圆扩片环内环(6)的内侧面连接至所述晶圆膜顶起扩片件(5)的外侧面上且顶面平齐设置，且所述晶圆扩片环内环(6)的外环面与所述晶圆扩片环外环(12)的内环面嵌合匹配。
10.一种采用权利要求1～9任一项所述晶圆劈裂扩片装置进行裂片扩片加工的方法，其特征在于，方法包括：
a初加工晶圆预处理，准备已经初加工的晶圆(11)，带加工凹槽的面朝上，另一面为底面，在晶圆的底面贴上晶圆背膜(10)，并连接晶圆固定外框(9)；
b晶圆装夹定位，把带膜的晶圆(11)放在晶圆载台上，通过边框压紧固定组件(8)夹紧固定晶圆固定外框(9)；
c刀头选定和设定加工路径，通过视觉检测单元检测晶圆的加工凹槽确定切割道，选择并安装匹配的球状万向裂片头(1)；控制器设定裂片机构并选择对应规格晶圆的加工轨迹、进给速度和升降阀(2)的顶升高度和顶升压力；
d晶圆裂片，控制器控制裂片机构启动，运动轴(3)和旋转台(4)同时运动，带动球状万向裂片头(1)在晶圆背面按照设定轨迹运动，顶起晶圆(11)，完成裂片；
e裂片机构归位，完成裂片后，将球状万向裂片头(1)运动到晶圆中心，球状万向裂片头(1)顶升使得晶圆中心最高；
f晶圆扩片，启动扩片机构，升降轴(7)驱动晶圆扩片环内环(6)上升并将晶圆背膜(10)拉伸，使裂片后的晶粒分离，完成扩片；
g固定晶膜，晶粒全部分离后，上扩组件的气压紧固件(14)带动晶圆扩片环外环(12)下降，使得晶圆扩片环内环(6)与晶圆扩片环外环(12)咬合，使得晶圆背膜(10)拉伸张紧定位，便于后续工序。
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