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激光在GaAs晶圆厂表现不俗

2008-10-22 11:38
魏丁小陆
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作者:Michael Hatcher

 


    尽管还存在不少问题,美国领先的GaAs晶圆厂已经开始享受使用激光划片系统更换以前的划线-折断设备所带来的好处了。而那些还没有更换使用激光划片工艺的公司能从TriQuint半导体公司的经验中受益。


    化合物半导体制造商倾向于在他们引进新工艺和新技术的时候保持低调。不久前在化合物半导体制造技术国际会议(CS Mantech)上,一些技术细节得到了披露,但此时这项工艺可能已经使用了至少一年以上。

 

    今年在芝加哥北郊Wheeling举办的Mantech会议上,TriQuint表示他们已经使用激光划片切割GaAs RFIC晶片有相当长时间了。这在它自身而言并不出人意外,因为在过去几年里,这家俄勒冈州公司及其竞争者都在努力实现这项技术以提高晶片的产量。更令人惊奇的事情,可能是TriQuint在实现激光划片的过程中所遇到的问题。

 

    Travis Abshere为Mantech会议撰写了一篇名为《激光划片的经验总结》的论文。尽管事实证明采用Advanced Laser Separation International (ALSI)公司提供的激光系统非常成功,但工艺的研发和改进过程显然不是一帆风顺的。

 

    改用激光划片的主要动机是提高晶片的产量。TriQuint团队估计,使用激光切割比传统的金刚石工艺能提高5倍的产量,这将为投资带来极具吸引力的回报。激光切割不仅加工速度快,还尽可能地减小了芯片的尺寸、有效地增加每块晶片乃至整个晶圆厂的产量。Abshere表示通过采用激光划片设备,能将晶片上相邻器件的间隔从50祄减小到25祄,这样就能从每批次的加工中得到“额外的”晶片。


    在评价该工艺用于实际生产的效果之前,Abshere及其同事提出了他们认为最有可能出现的问题:例如破坏芯片间区域的部分电介质材料,改变了芯片切口的形貌,可能导致芯片开裂等等。

 

    成品率下降

    当TriQuint引进激光划片后成品率降低了。这不令人意外,原因很显然,基于GaAs的功率放大器芯片由于引线键合造成了短路失效。最后证实TriQuint的一个转包组装厂(SCA)采用了一种工艺,使得用于芯片间互连的引线下垂并与芯片锯齿形切口边缘暴露的金属短接。Abshere解释说,“使用激光划片的芯片,键合的引线可能下垂并与锯齿形切口边缘的金属接触,从而造成了短路”。

 

    通常这些下垂的引线并不会造成任何问题,因为保护芯片免于划伤的SiN涂层同样会保护金属的切口。但是激光处理工艺会破坏芯片间区域的SiN保护层,而且破坏会一直延伸到金属切口保护层,甚至深入芯片本身。为了避免出现这样的状况,TriQuint有选择性地除去了芯片上的SiN层。然而该工艺导致的金属暴露一直延伸到了金属切口的中心,最终与下垂的金属引线相短接。

 

    ALSI的DCA 802自动激光划片系统事实上已影响了GaAs晶片切割市场。该系统采用的技术最早是由Philips开发的,并与ASML光刻系统具有部分相同的设计。

 

    为了解决这个问题,TriQuint对工艺进行了两项重要的改进。首先,它要求转包组装厂解决引线下垂的问题;其次,要保证SiN涂层覆盖了整个金属切口,另外还要向芯片间区域延伸几个微米。

 

    另一个技术问题是激光切割的缝宽比金刚石切割刀的要窄。更窄的切口意味着需要更小心地处理经过划片工艺后的晶片,以确保上面的芯片不会因为互相摩擦、碰撞而被破坏。一般套环(Hoop ring)能把晶片贴膜绷紧撑开,保证芯片之间的距离。而金刚石切割刀较宽的割缝就不会出现上述问题。

 

    TriQuint所有的三家转包组装厂曾经都有过使用套环的经验,所以工艺改进能进行下去。唯一的问题就是他们在GaAs晶片上都没有使用套环的经验。于是当绷紧的晶片运达时,晶片的套环与他们使用的刀架并不合适,而且他们也不能将晶片边缘的芯片都分拣出来。

 

    经验之二

    Abshere说:“我们从中学到的经验是尽快将加工好的晶片交给转包组装厂,但他们都没有6英寸那么小的套环”。解决方案很简单:TiQuint自己更换更大的刀架和套环,但这会增加工艺成本,还拖延了时间。

 

    第三个问题是芯片的开裂,TriQuint在更换使用激光划片工艺之初就已被列为主要的风险之一。引入新的工艺以后,他们开始注意到激光划片的芯片发生了开裂和高失效率。然而,这个问题还是与TriQuint的团队之前预料的情形不太一样。

 

    TriQuint最初的担忧主要是激光形成的切口的形状会开裂。所以在咨询ALSI和其他导入了激光划片工艺的GaAs制造商之后,TriQuint引入了一种腐蚀-清洗的工艺步骤用来强化激光加工后芯片的边缘。

 

    但是事情没完全向计划的方向发展。尽管腐蚀清洗对GaAs晶片的顶部有用,但它并没有强化边缘。因此,芯片开裂是不可避免的结果,而且TriQuint不得不停止所有的激光划片工艺直到将这个问题解决。

    一个具有30祄 划线间距、100祄厚的GaAs晶片(左图),以及在切割并张紧后的同一块晶片显示出割缝为17祄(右图)。TriQuint早期使用者的经验应该对还没有改用GaAs晶片激光划片系统的公司有所裨益。RFMD是另一个早期的使用者,它被认为已经采购了ALSI的设备用于GaAs厂的量产。

 

    Abshere承认,“我们起初认为腐蚀清洗是一个很好的机会,为了避免芯片出现脆弱的边缘,与其做大幅的变革,不如使用腐蚀清洗工艺,这样也许能避免使用保护层涂覆工艺。与ALSI合作进行了芯片强度的测试后,该团队断定之前遇到的开裂问题很大程度上是由于正在使用的腐蚀清洗设备,并且晶片应该在套圈张紧之后再进行腐蚀,以保证良好的清洗效果。通过采购自动化程度更高的设备以及套圈,这样在各个芯片间能有更多的空间容纳腐蚀溶液。如此处理过的芯片具有更高强度的边缘,甚至比金刚石刀切割的还要高。

 

    TriQuint远不是激光划片的唯一使用者。最大的GaAs射频器件(RFIC)制造商RFMD可能是尝试使用该技术的先行者,据业内人士估计它可能大约有8台激光划片机。

 


    还有另一家领先的制造商,自2007年夏季开始在它的晶圆厂采用ALSI的设备,并进行了广泛的试验。与TriQuint类似,这家制造商对此非常满意,并计划为将来的产能扩大购买更多的设备。该公司某匿名人士说,“我们几乎在划片工艺上全面采用了激光工艺,实际上已经淘汰了切割-折断设备”。

 

    第二家公司似乎并没有芯片开裂的问题,很明显,虽然采用激光工艺的时间比其竞争对手要晚,但它从TriQuint早期使用者的经验中受益不少。

 

    这家未知名公司的晶片产量提高了五倍,这意味着需要外包出去加工的晶片数量大幅减少。他们说,“激光划切的速度更快,而且所得成品率也和金刚石切割的不相上下”。对于一般具有平均芯片数量的典型6英寸晶片来说,该公司的两台ALSI设备每周能分别加工600片左右的晶片。据称“那比金刚石切割最大的产量多得多”。现实的数据与ALSI提供的相当吻合,设备加工一块典型的6英寸晶片需要10分钟左右,相当于在晶圆厂内每周(24小时制)加工1000块以上的晶片。

 

    ALSI的设备似乎要成为GaAs晶圆厂激光划片设备的首选。一家荷兰公司的商务主管向本刊表示,他们已经在其美国和亚洲RFIC制造厂内全都部署了该设备。

 


    该技术最初是由Philips开发的,它的发源已成为一种优势。用户也对ALSI设备及其工艺方式留下了深刻的印象,他们并不是简单地将传统的划片设备的金刚石刀换作大功率激光器,而是从零开始对整个激光划片系统进行了研究和优化。

 

    Hendriks解释道:“激光处理工艺由许多功率相对较小的独立激光光束来完成,这样可以将针对晶片的热效应和破坏减至最小,并且提高了总体生产效率。”

 

    最后,Abshere相信虽然遇到了不少预料之外的问题,但一年之内TriQuint就能在这项投资(激光划片设备)上获得回报。其他GaAs晶圆厂管理者能从TriQuint的经验中吸取教训,这样投资回报的周期就会变得更短些。只要有能力解决任何可能出现的问题,这个商业案例是相当有吸引力的。

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