切割（Dicing）工艺无论在晶圆后道，还是在封装后段都是关键技术之一。在晶圆后道是将DIE从Wafer上切割下来，在封装后段则是指将贴晶打线塑封后多个芯片连接在一起的框架或载体切割成单个成品。当然晶圆后道的切割工艺更为复杂。
在先进封装领域，以切割难度最大的一种产品为例，其晶圆厚度<75um，而且布有"via-middle" 3DI/TSV通孔层。切割是在wafer减薄和背面处理后进行切分。这使得业界常用的一种先切割后减薄工艺无法采用，再加上背面对齐标记、TSV或其它特征的存在给切割过程进一步增加了挑战。此外，在整个wafer结构中使用力学性能较差的低k和超低k介质也可能会出现其它问题，例如：1）器件层分层；2）正面和/或背面过度崩角（DIE chipping）；3）DIE边缘侧壁开裂或DIE Chipping，4）与裂纹扩展相关的长期可靠性问题，5）取DIE过程中DIE 容易断裂。切割质量影响因素较多：切割设备，刀片，Dicing Tape（切割时晶圆附着的膜），切割参数等。
先聊聊切割中最关键的耗材刀片（Blade）。刀片厚度的选择决定于晶粒间距和路缘宽度（kerf width），刀刃厚度（blade exposure）是指可用于切割部分，较厚的刀刃可以延长叶片寿命，而较短刀刃可以在较高的转速下姿态保持更稳定。刀片网格（Blade mesh）是指组成刀片所用金刚石的相对尺寸，较小的blade mesh代表所用金刚石尺寸更小。较大的钻石有更多的切割力，但可能会加剧DIE chipping，而较小的金刚石可以使切割后的边缘更光滑。但是，如果所选的网格太细，刀片可能无法将晶圆切开。当然刀片也不全是由金刚石组成，大家可以图1所示，金刚石的占比大约只占25%左右。
图1，ZH05-SD2000刀片边缘显微镜图：金刚石在表面分布
图2，ZH05-SD3500刀片边缘显微镜图：金刚石在表面分布
晶圆切割当前主流仍采用Disco开发的匿痕切割（Stealth Dicing， SD）法，该法的特点是使用高功率激光来破坏硅基的晶格，然后用切刀进行切割，最后再通过膨胀（拉伸）Dicing tape 使得晶粒分开。该方法可以最大程度的较少DIE chipping发生的可能性。可以简单理解为在物理刀片切割前，先由激光进行预切割，在切割路径上预先破坏晶圆。从而减少物理刀片切割时产生的DIE chipping。 激光通常会通过聚焦，聚集在需要切割的路径上，而激光的波长决定了激光聚焦后斑点的大小。激光的波长又由激光的类型决定。较厚的晶片可能需要在不同的深度进行多次的激光预切割。眼科手术中常用的飞秒激光，也被应用于该领域。
图3，DIE chipping 崩角；a) 由晶圆上方开始出现的裂纹；b)头发丝裂纹
根据wafer晶圆布线不同，切割形式有多种多样。如图4和图5所示。还有一种完全由激光切割的方法，但是由于激光强度太大，很容易在切割边缘产生如图6所示的缺陷：（1）金属熔化产生的高低不平的边缘和（2）硅熔化产生的的不规则体。
图4，Step1: 晶圆制备时自带隔离区，Step2：匿痕切割，Step3：扩膜将晶粒分开
图5，激光通切示意图
图6，激光通切产生的缺陷
在介于"激光通切"和"激光+刀片切割"之间还有一种叫做Laser Scribing (Grooving)的方法。该方法示意图如图7所示，先进行激光开槽，然后在两道激光中间用刀片进行切割。当然还有更复杂的切割方法如图8所示，将多种切割方法混合进行切割。当然万变不离其宗，最终的目的都是为了减少DIE edge的chipping和分层等缺陷。
图7，Laser Scribing (Grooving) 示意图
图8，混合切割法
跳出激光和切刀的束缚，还有一种等离子切割法（Plasma Dicing）。该方法借鉴了晶圆生产工艺中干刻蚀的工艺，使用深度活性离子蚀刻（deep reactive ion etch，DRIE）。这种技术在切割过程中不会对晶片产生机械应力，不会产生碎片，不会产生正反面chipping，也不会在DIE的侧壁产生应力，从而大大的提高了良率。
图 松下公司的等离子切割样品
图 等离子切割示意图
当然各种切割工艺都不是完美的，需要根据产品的特性进行选择。就拿等离子切割为例，其虽然有前文描述的种种优势，但是切割效率低，设备昂贵，工艺复杂（特别是掩膜，去膜步骤），总成本高等明显的缺点。
表1，不同厂家切割机性能对比
最后，我们再简单了解一下主流切割装备的选择及厂商选择。切割机与其它半导体设备所要考虑的参数没有太大区别，需要考虑定位精度，切割精度，工作范围，最大行程，移动分辨率，重复精度，最大旋转角度，刀片转速，额定扭矩和清洗方式等。我们对比了国内外三家晶圆切割机，可以看到在技术指标上，除了Disco在Z轴的移动分辨率可以做到0.00005mm一个参数比较突出外，其它公布参数本身没有太大差异。但是参数归参数，加工过程中设备的可控性及稳定性等都会极大的影响最终产品良率。最后，不得不说目前切割机技术最强还属Disco。国内的和研和光力科技也都是强有力的跟随者，特别是在传统封装中，国产设备基本完全可以满足。
作者：Sem Sol & Mr Shu
参考文献：
Review of Wafer Dicing Techniques for Via-Middle Process 3DI/TSV Ultrathin Silicon Device Wafers Andy Hooper, Jeff Ehorn, Mike Brand, and Cassie Bassett
