TWI556303B - 分離晶圓基材上表層之複數個半導體元件晶粒方法 - Google Patents

Description

分離晶圓基材上表層之複數個半導體元件晶粒方法

本發明係有關於晶圓切割方法，且特別是有關於一種將半導體晶圓分割成晶片的方法。

半導體製程完成後，會在半導體晶圓上形成許多重複的半導體元件(例如發光二極體(LED)元件)。在晶圓上的這些元件彼此以切割道隔開。目前有各種切割晶圓的技術，其沿著切割道將加工晶圓分割成各自的晶粒，而每一個晶粒代表一個特定半導體元件晶片。目前採用之一般晶圓切割技術包括：機械切割(mechanical cleaving)、雷射切割(laser dicing)，與藉由鑽石刀片(diamond blade)鋸切(sawing)。

機械切割的方法係先用鑽石尖端畫出切割道，接著沿著切割道手動將晶圓分開，類似一般家用切割平板玻璃的方法。雷射切割的技術係應用一高能量雷射衝擊切割道，使晶圓結晶材料之微結構破裂而形成切割片段。用鋸切(sawing)的方法分離晶圓上之晶粒，係使用鑽石刀片(diamond saw blades)。然而，當晶圓由易碎半導體材料所組成時，利用這些已知的晶圓切割方法將半導體元件晶粒切割成微小晶粒尺寸可能無法提供滿意的結果。機械切割和鋸切的方法會造成沿著切割片段之邊緣殘留微裂縫(micro-cracks)。這些微裂縫容易沿著不可預期的裂縫路徑傳播於晶圓上，而導致元件的嚴重傷害，以及實質上元件良率的降低。此種良率降低的情況會隨著晶粒尺寸的縮小而更加嚴重。伴隨鋸切操作之震動、剪切與衝擊效果可能惡化鋸切情況，且造成更多元件傷害與良率損失。此外，鑽石切刀的物理尺寸限制了半導體晶圓上之切割道縮小化趨勢，且其阻礙兩個普遍趨勢，其一是阻礙晶圓上切割道尺寸之縮小化，再者是阻礙先進製程將最大可能的晶圓面積分割成具功能性的半導體元件。再者，當使用雷射切割時，高能量的雷射衝擊晶圓表面會造成周圍產生大量的晶圓材料粒子。這些粒子可能會再度沉積到晶圓上，而造成嚴重的粒子污染。此外，高能量的雷射線可能由於晶圓結晶材料的局部高熱而造成微裂縫。

再者，半導體尺寸日趨增加的趨勢持續發展，一方面用以增加半導體製造產能，一方面補償先進製程設備的昂貴價格。另一個熟知的趨勢是高發光性與高功率的發光二極體半導體元件，與高靈敏LED元件，已於各種應用領域中獲得廣大的支持。此種LED晶圓一般是易碎的，且比傳統的矽晶圓對機械傷害更靈敏。由於上述提及的趨勢促使業界發展一種新穎的晶圓切割方法。

藉由本發明之較佳實施例解決與防止這些與其他問題，且達到技術上的優勢，本發明提供一改良之晶圓切割方法，用以分離半導體晶圓上之半導體晶粒。這些方法包括於欲分離之相鄰半導體晶粒之間形成蝕刻圖案。可藉由各種蝕刻製程製作蝕刻圖案。此蝕刻圖案一般深入晶圓基材至一預定深度，明顯地超過晶圓上表層，此上表層的位置已嵌入預先製成之半導體晶粒。經由晶圓研磨、機械切割與雷射切割方法將蝕刻後、大尺寸與易碎的晶圓分離成半導體晶粒。較佳之實施例能降低與晶圓切割相關的元件傷害，以及提升產品良率。

依照本發明一較佳實施例，分離晶圓基材上表層之複數個半導體元件晶粒方法，包括下列步驟：形成一微影圖案於該上表層；曝露一介於欲分離之相鄰晶粒間的區域；於該晶圓基材中蝕刻該曝露區域至一深度，使其大體上低於該晶圓基材上表層；以及薄化該晶圓基材之背表面，直到曝露該晶圓基材中之蝕刻圖案。

依照本發明一較佳實施例，分離晶圓基材上表層之複數個半導體元件晶粒方法，包括下列步驟：形成一微影圖案於該上表層，曝露一介於欲分離之相鄰晶粒間的區域；於該晶圓基材中蝕刻該曝露區域至一深度，使其大體上低於該晶圓基材上表層；以及照射一雷射光束到該蝕刻圖案，用以切穿該晶圓基材和分離該些晶粒。

依照本發明一較佳實施例，分離晶圓基材上表層之複數個LED元件晶粒方法，包括下列步驟：形成一微影圖案於該上表層，曝露一介於欲分離之相鄰LED晶粒間的區域；於晶圓基材中蝕刻該曝露區域至一深度，使其大體上低於該晶圓基材上表層；以及薄化該晶圓基材之背表面，直到曝露該晶圓基材中之蝕刻圖案。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本發明將提供有關於改善晶圓切割方法的較佳實施例。較佳實施例能將較大尺寸、易碎半導體晶圓分離成較小晶粒尺寸。較佳實施例主要能輕鬆處理欲分離的晶圓，且明顯地減輕，甚至是消除傳統晶圓切割方法中有害的效應(detrimental effect)，例如微裂縫(micro-cracks)，以及粒子的再沉積，因此，能降低與切割相關的元件傷害，且提升產品良率。此外，較佳實施例並不需要額外增加複雜的製程設備與製程步驟。

請參閱第1圖為一半導體晶圓10之剖面圖。晶圓10包括基材100與位於基材100之上的上表層110。製成之半導體元件晶粒101、102與103嵌入上表層100內，每一個晶粒包括一或多個主動與被動電子元件，例如MOS電晶體、無線通訊射頻元件、光電元件以及類似之元件。半導體元件晶粒101、102與103可以是發光二極體(LED)、半導體雷射二極體或類似的元件。為了簡化說明，上表層110顯示為單一層，但事實上，如此技藝人士所熟知，上表層110可包括多層主動層位於形成主動及/或被動元件之基材100之上、內連線金屬層耦合元件形成功能性電路、以及其上之保護被動層。

於較佳實施例中能使用各種晶圓的結構。於一實施例，基材100包括：砷化鎵(GaAs)、砷磷化鎵(GaAsP)、磷化銦(InP)、磷化鎵(GaP)、砷鋁化鎵(GaAlAs)、磷銦化鎵(InGaP)，與類似的材料。而元件101、102和103包括發光二極體(LED)。於一實施例中，基材100為一藍寶石(sapphire)基材，而上表層包括氮化鎵(GaN)/氮化銦鎵(InGaN)LED。

LED元件101、102和103代表複數個晶粒佔據主要製程半導體晶圓10之整個上表層，區域25和30代表相鄰LED晶粒之間的空間，於一較佳實施例中，此空間是格狀切割道區域，其圍繞於複數個晶粒之間。較佳實施例為操作這些區域以將晶圓10分開成各自的晶粒，以一種可以明顯地減輕，甚至是消除對晶圓切割相關的元件傷害的方式，以改善產品良率降低問題與提升元件可信度(reliablity)。

請參見第2圖，於晶圓10上進行一微影製程，以曝露介於相鄰LED晶粒間之一部份區域，例如介於LED晶粒101、102、103之間的一部份區域25和30，如圖所示，用一圖案化光阻塗佈，以覆蓋LED晶粒區域。一較佳實施例中，應用半導體製程中既有之微影製程。

接著請參閱第3圖，於晶圓10上施加一蝕刻製程，用以移除於晶圓10之曝露區域中的上表層110和部分基材100，於欲分離之相鄰LED晶粒間形成蝕刻圖案，例如第3圖顯示的溝槽(trench)125和130。於一較佳實施例中，對晶圓基材100施加一時間控制的異向電漿蝕刻製程(anisotropic plasma etch process)，以製作出深度約約為2μm-75μm的溝槽。於一較佳實施例中，於晶圓100中施加異向電漿蝕刻製程，以製作出深度大於晶圓厚度(約為600μm～1000μm)一半的蝕刻圖案。如本領域人士所熟知，異向蝕刻製程能形成一大體上垂直且具有高深寬比(深度vs.寬度)的蝕刻剖面，因此，當半導體晶粒緊密地形成於半導體晶圓上，且相鄰晶粒之空間變得非常小時，使用異向電漿蝕刻特別有用。

於另一較佳實施例，施加一等向蝕刻(isotropic etch process)，例如濕式蝕刻，使得欲分離之相鄰半導體晶粒間製作出等向蝕刻圖案。舉例而言，半導體元件101、102和103是LED元件，其形成於厚約600μm之砷化鎵(GaAs)晶圓基材100上之厚度約20μm上表層110中，使用包括氫氟酸(HF)或氫氧化鉀(KOH)的蝕刻溶液，於晶圓基材100中形成深度約100μm～150μm之溝槽。於額外及/或另外實施例中，也可使用其他適合的乾式或濕式蝕刻製程，基於其他例如技術需求、製程容許度、製程價格、產量等等因素的考量。

此處須注意的是，不論使用何種蝕刻製程，蝕刻圖案125和130一般達到一預定深度至晶圓基材100中，顯著地低於已嵌入半導體晶粒之晶圓上表層110。舉例而言，藍寶石基材製程的例子中，於GaN/InGaN層之上形成LED元件101、102和103，蝕刻剖面應該深入藍寶石基材中，低於GaN/InGaN層之內的PN接合區域。於一較佳實施例，由於蝕刻圖案深入基材100內一深度，使蝕刻圖案125和130的底部與晶圓10之背表面155之間的距離約為200～350μm。

於欲分離之相鄰晶粒間形成蝕刻圖案之後，移除覆蓋於晶粒之上的光阻。

第4圖顯示蝕刻製程之後的步驟，於一較佳實施例係有關於第3圖之後續製程步驟。晶圓10固定於一載具盤上，例如圖中之藍寶石盤200。這樣做時，晶圓10被翻轉，且藉由UV研磨背膠180將上表層110接合到藍寶石盤200上。接著研磨晶圓的背表面，研磨到大體上移除介於蝕刻圖案和晶圓背表面155之間的基材部份。結果，曝露或揭開蝕刻圖案125和130，且分離101到103的半導體晶粒。

須注意的是，研磨是一種既有的製程步驟，一般進行於無塵室中(fabricating facility,FAB)完成半導體晶圓製備之後，以及進行於晶圓切割和封裝之前。研磨晶圓的其中之一項優點在於能改善晶片的散熱特性。因此，於較佳實施例中，可用既有之晶圓研磨設備進行晶圓研磨，而不需要額外的製程設備與製程步驟。

藉由UV研磨背膠180將晶圓100接合到載具200上。比起既有用於研磨製程之蠟和非UV研磨背膠，當伴隨震動、剪切與衝擊之激烈的研磨製程時，UV膠180能提供較強的黏著力以保護晶圓。當切割時，黏著力的特性對於保護微小的半導體晶粒特別重要，以避免半導體晶粒移動與飛走。UV膠180的優異黏著力也能與非標準基材產生強大的結合，例如FR-4和球柵陣列封裝(ball grid array,BGA)基材。於較佳實施例中，適合使用之UV膠包括Semiconductor Tapes and Materials,Inc.’s公司出產的TSM GT-UV-224 UV研磨背膠。也可使用抗酸的UV膠，其能抵抗蝕刻製程中的蝕刻液。

第5圖顯示分離之晶粒101、102和103接合到載具200上。在此刻，晶圓10之上的半導體晶粒已被分離，但仍然藉由UV膠180黏著於載具200上。

接著，從載具200上移除晶圓10上的半導體晶粒，例如101、102和103。當使用UV研磨背膠180時，可藉由對晶圓10和載具200照UV光之UV固化製程將之移除。經由UV固化後，UV研磨背膠180的黏著力顯著地降低，因此能幫助分離的IC晶粒從載具200上拆開。於目前實施例中，使用UV曝光能量約為150mJ/cm²(365nm)能使UV膠的黏著力大體上消失。此特性特別有助於尺寸小且薄、且包括易碎材料之晶粒。舉例而言，於一實施例中，每一個欲分離的LED晶粒尺寸約為2mm，藉由約150μm(0.15mm)的切割道將晶粒分隔約2mm。額外的優點在於，目前晶圓切割方法不會讓晶圓表面留下雜質、污染物和其他殘餘物質。再者，被UV固化的、不具黏性的晶粒能大幅地減輕後續的封裝和測試製程之處理。

第6圖顯示本發明之另一實施例，於欲分離之相鄰晶粒間形成蝕刻圖案之後，例如第3圖顯示的溝槽125和130，也可使用習知的機械切割方法切割IC晶粒。因為欲分離之晶粒附著於較薄的(約200-350mm)基材材料，因此需要一大體上較小的機械力以彎曲晶圓和分離晶粒101、102和103。再者，如圖所示，由機械切割產生之微裂縫(micro-cracks)主要發生於蝕刻圖案的底部，其遠離晶粒的位置。此情況能顯著地降低與切割相關的元件傷害與降地良率的損失。於目前實施例中，一既有的2剖面或3剖面機械切割輪可嚙合於蝕刻後的晶圓10上，用以分離形成於其上之晶粒。

同樣地，如第7圖顯示另一較佳實施例，於欲分離之相鄰晶粒間形成蝕刻圖案之後，例如第3圖顯示的溝槽125和130，使用一雷射切割方法切割晶圓10。不像習知之雷射切割方法，於本實施例中，高能量的雷射束(第7圖中實線)傳遞到蝕刻圖案的底部，遠離晶粒的上表面。由於顯著地減少切割的深度，因此所使用之雷射切割方法分離半導體晶粒的速度較快。另外的優點在於：由雷射衝擊產生的晶圓材料粒子被侷限於蝕刻圖案中，因此能減輕或避免粒子再次沉積於晶圓表面上。同樣地，由雷射加熱所產生之微裂縫(micro-cracks)靠近蝕刻圖案的底部，遠離晶粒面積。

雖然討論之較佳實施例與優點皆有關於LED元件，但熟知本領域之人士，應能將本發明較佳實施例所揭露之晶圓切割方法應用於其他半導體領域。例如，基材100可以是塊狀結晶半導體材料，例如矽(Si)、鍺(Ge)、矽化鍺(SiGe)，而其上表層101包括摻雜N型井及/或摻雜P型井區域的磊晶層，這些區域由主動與被動半導體元件製成，以形成積體電路(integrated circuit,IC)101、102和103，例如數位IC、類比IC、混合訊號IC、無線通訊射頻(redio freruency,RF)LC、微波微線條元件(microwave microstrip)、系統單晶片(system-on-a-chip configuration)IC、微機電系統(micro-electromechanical system,MEMS)，以及類似的元件。於另外的例子，基材100包括一絕緣層，例如藍寶石或內埋氧化矽層(buried silicon oxide,BOX)，而上表層110為位於絕緣層之上的半導體層，具有絕緣層上覆矽晶圓(silicon-on-insulator,SOI)結構。於另外及/或額外實施例中，基材100為一FR-4印刷電路板(printed circuit board,PCB)或陶瓷基材，且半導體晶粒101、102和103包括表面或內埋微線條元件。

本發明已以數個較佳實施例揭露如上，其用於顯示能降低或避免關於習知之晶圓切割方法造成之元件傷害與良率損失。較佳之實施例特別能應用在分離位於較大且易碎晶圓上之微小半導體晶粒。任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾。於另外實施例中，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，可對材料、製程步驟、較佳實施例之製程參數作任意之更動與潤飾。

再者，本發明之保護範圍並不限於說明書中所述之較佳實施例的製程、機械、物質組成、目的、方法和步驟。任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，可對製程、機械、物質組成、目的、方法和步驟作任意之更動與潤飾。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．半導體晶圓

25、30．．．相鄰LED晶粒之間的空間

100．．．基材

101、102、103．．．半導體晶粒

110．．．基材之上表層

125、130．．．溝槽或蝕刻圖案

155．．．基材之背表面

180．．．UV研磨背膠

200．．．藍寶石盤

第1～5圖為一系列剖面圖，用以說明本發明之一實施例的流程。

第6圖為一剖面圖，用以說明本發明一較佳實施例。

第7圖為一剖面圖，用以說明本發明另一較佳實施例。

10．．．半導體晶圓

100．．．基材

101、102、103．．．半導體晶粒

110．．．基材之上表層

180．．．UV研磨背膠

200．．．藍寶石盤

Claims (4)

1. 一種分離晶圓基材上表層之複數個半導體元件晶粒方法，包括下列步驟：形成一微影圖案於該上表層，曝露一介於欲分離之相鄰晶粒間的區域；於該晶圓基材中的該上表層蝕刻該曝露區域至一深度，使其大體上低於該晶圓基材上表層，其中該蝕刻係一異向電漿蝕刻製程；藉由UV研磨背膠固定該晶圓基材上表層到一晶圓研磨載具上，因此曝露該晶圓基材之背表面；以及照射一雷射光束到該蝕刻圖案，用以切穿該晶圓基材和分離該些晶粒。
2. 如申請專利範圍第1項所述之分離晶圓基材上表層之複數個半導體元件晶粒方法，其中該晶圓基材擇自於以下所構成之群族：砷化鎵(GaAs)、砷磷化鎵(GaAsP)、磷化銦(InP)、磷化鎵(GaP)、砷鋁化鎵(GaAlAs)、磷銦化鎵(InGaP)、氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、於藍寶石(sappire)上之氮化鎵(GaN)/氮化銦鎵(InGaN)、矽(Si)、鍺(Ge)、矽化鍺(SiGe)、印刷電路板(PCB)，以及上述之組合。
3. 如申請專利範圍第1項所述之分離晶圓基材上表層之複數個半導體元件晶粒方法，其中該半導體元件擇自於以下所構成之群族：發光二極體(LED)、主動元件、被動元件、積體電路、無線通訊射頻積體電路(radio frequency IC)、微波微線條 元件(microwave microstrip)、光電元件、微機電系統(MEMS)，以及上述之組合。
4. 如申請專利範圍第1項所述之分離晶圓基材上表層之複數個半導體元件晶粒方法，其中該蝕刻圖案於晶圓中延伸至一深度，大體上深於埋設有LED元件之上表層。