引言

伴隨半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,半導(dǎo)體表面鈍化方面的工藝要求越來(lái)越苛刻,在GPP工藝流程中,二次相PG制程工藝是一道很關(guān)鍵的工序,PG外觀的包覆狀況對(duì)電性的穩(wěn)定及良率的提升起到很重要的作用,良好的PG玻璃包覆狀況可提高產(chǎn)品電性能。PG玻璃外觀一直都是品質(zhì)管控的重點(diǎn)檢查項(xiàng)目。

由圖1可以看出,玻璃覆蓋不良缺失一直存在且占比居高不下,不僅會(huì)造成材料重工產(chǎn)品良率損失,也會(huì)帶來(lái)原物料的浪費(fèi)及人員成本的增加。

1玻璃鈍化工藝?yán)碚?

1.1芯片玻璃鈍化工藝?yán)碚摻榻B

PG玻璃鈍化工藝保護(hù)芯片就是用熔凝后的玻璃來(lái)保護(hù)P一N結(jié),裸露的P一N結(jié)需在經(jīng)過(guò)清洗后清潔的狀態(tài)下進(jìn)行保護(hù),經(jīng)過(guò)玻璃鈍化后可以提升芯片的反向擊穿電壓,常用于高壓大功率硅整流芯片。熔融玻璃鈍化的工藝有很多優(yōu)點(diǎn),比如反向耐壓提高,玻璃層厚度可以熔融到數(shù)百微米,還有結(jié)構(gòu)更致密、熱穩(wěn)定性提高和化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定性提升,機(jī)械強(qiáng)度變好。雖然此工藝有著很多優(yōu)點(diǎn),但如果制造過(guò)程不合理或制程控制不當(dāng),生產(chǎn)的晶片還是會(huì)出現(xiàn)合格率降低的情況,更嚴(yán)重的是芯片的穩(wěn)定性和可靠性會(huì)變差,早期失效現(xiàn)象就會(huì)比較突出。因此,PG玻璃鈍化成為各家公司重點(diǎn)研究及期望改善的工藝項(xiàng)目之一。玻璃鈍化是一個(gè)比較難掌控的工藝,玻璃氣孔的產(chǎn)生容易受到人員、物料、環(huán)境、設(shè)備、制程參數(shù)等多方面的影響。

1.2芯片玻璃鈍化常見(jiàn)缺陷問(wèn)題

一般根據(jù)失效晶片的顯微放大圖,以玻璃和硅的外觀可分為有明顯的缺陷(diecrack)和無(wú)明顯的缺陷兩大類。

(1)明顯的缺陷一玻璃裂紋:是玻璃或硅本身有缺陷,可以明顯看到芯片已經(jīng)缺損或斷裂,晶片承受機(jī)械應(yīng)力的能力差,體現(xiàn)在后續(xù)的測(cè)試、包裝、運(yùn)輸和封裝流程中容易出現(xiàn)機(jī)械損傷。此類缺陷用肉眼或借助顯微鏡就可以看出,不做詳細(xì)研究(圖2)。

圖2芯片和玻璃上出現(xiàn)明顯裂紋

(2)無(wú)明顯缺陷一玻璃氣孔:是指在玻璃與硅的界面沒(méi)有完全融凝而產(chǎn)生的間隙性缺陷,產(chǎn)生的原因有很多種,其中最主要的是玻璃鈍化層未能充分覆蓋溝道臺(tái)面造成氣孔。氣孔大小不同時(shí)會(huì)造成不同的間隙缺陷,氣孔在后續(xù)玻璃高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中會(huì)發(fā)生爆裂,從而造成失效。造成氣孔的主要原因是玻璃和硅片間不能充分潤(rùn)濕,從而給氣孔的形成創(chuàng)造了條件。

由圖3可以看出,已有部分硅晶出現(xiàn)外漏,會(huì)增加后續(xù)產(chǎn)品失效風(fēng)險(xiǎn),故此失效材料必須經(jīng)過(guò)重工才可以流入下一道工序。

圖3玻璃氣孔

由圖4可以看出,在PG上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)類似氣泡的孔洞,從而造成玻璃沒(méi)有完全包覆良好,后續(xù)測(cè)試dice電性時(shí)會(huì)成為放電及漏電的集中點(diǎn),影響芯片的電性穩(wěn)定性。

2精確滴液裝置開(kāi)發(fā)

2.1手動(dòng)涂膠設(shè)備簡(jiǎn)介

控制方式:通過(guò)時(shí)間計(jì)時(shí)器(timer)控制時(shí)間,通過(guò)調(diào)節(jié)電阻器(VR)控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速,分段控制(圖5)。

缺點(diǎn):由于電路控制精度和采用機(jī)械電阻器調(diào)整方式來(lái)控制設(shè)備,控制不精準(zhǔn),重復(fù)性很差。

工位工作區(qū)域如圖6所示。

圖6旋轉(zhuǎn)工作盤區(qū)域

吸盤吸附晶片是在真空作用下完成的,手動(dòng)吸盤是無(wú)中心定位機(jī)構(gòu),每片的放置位置依作業(yè)員的主觀感覺(jué)來(lái)判斷是否正確。

缺點(diǎn):沒(méi)有晶片中心對(duì)位裝置,手動(dòng)放置容易造成偏心,進(jìn)而導(dǎo)致晶片涂膠邊緣玻璃膠厚的差異。變異和隨意性很難控制。

操作流程介紹:

第一步:玻璃膠涂覆前的預(yù)浸潤(rùn)(圖7)。目的是增加玻璃膠和硅片的浸潤(rùn)性,上玻璃膠前的預(yù)處理,很大程度上決定了玻璃涂覆時(shí)氣孔產(chǎn)生比例的高低。

圖7玻璃涂覆前預(yù)浸潤(rùn)

缺點(diǎn):(1)對(duì)于人員操作要求比較高,涂覆時(shí)二甲苯的量需要控制,多了會(huì)造成玻璃膠的稀釋,導(dǎo)致部分芯片玻璃不足,少了會(huì)造成氣孔的產(chǎn)生。

(2)由于是人員操作,主要受制于人員素質(zhì)的差異性,容易造成片間品質(zhì)的差異及不良片的發(fā)生,且涂覆過(guò)程中由于使用毛刷筆,會(huì)有部分微粒的污染,隨著毛刷毛的損耗,也會(huì)增加涂覆效果的差異變異。

第二步:玻璃膠涂覆(圖8)。

缺點(diǎn):晶片增大時(shí)操作難度增加,受制于作業(yè)人員的差異,每個(gè)人的滴膠量、每片的滴膠量都會(huì)存在差異,從而造成片與片之間的差異,也會(huì)造成玻璃膠的浪費(fèi),利用率下降。

通過(guò)以上分析可知使用手動(dòng)涂膠設(shè)備的諸多缺點(diǎn),其造成玻璃鈍化工藝流程中的不良品率很難控制和改善,只有使用新型的全自動(dòng)涂膠設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn),才能有效克服不良和不可控因素,改善玻璃鈍化工藝。

2.2全自動(dòng)涂膠設(shè)備簡(jiǎn)介

控制方式(PG玻璃鈍化):編程控制器控制整個(gè)機(jī)臺(tái),可以數(shù)字化編程(圖9),完成時(shí)間(timer)和轉(zhuǎn)速的控制(伺服系統(tǒng))。

圖9操作控制面板

優(yōu)點(diǎn):能精準(zhǔn)控制時(shí)間和速度,重復(fù)一致性很好。

工位工作區(qū)域:如圖l0所示,工位區(qū)域可以完成晶片自動(dòng)傳輸,從進(jìn)料的晶舟到出料的晶舟全程自動(dòng)傳輸、自動(dòng)涂覆,所有參數(shù)都可通過(guò)固定程式設(shè)定,操作簡(jiǎn)單方便,降低了作業(yè)員出錯(cuò)概率,設(shè)備有故障報(bào)警、停機(jī)報(bào)警提示。

圖10作業(yè)流程圖

優(yōu)點(diǎn):能夠把大部分的人員操作用自動(dòng)機(jī)械替代,實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的涂覆操作,大大提升了生產(chǎn)產(chǎn)品的效率。

操作流程介紹:整個(gè)玻璃膠涂覆過(guò)程全程由編制的程序控制完成,無(wú)需作業(yè)員參與。

小結(jié):通過(guò)實(shí)施設(shè)備自動(dòng)化,消除了片與片之間的差異,穩(wěn)定了產(chǎn)品品質(zhì),保持了產(chǎn)品一致性。

2.3精確滴液裝置開(kāi)發(fā)

雖然在PG工藝流程中升級(jí)使用了全自動(dòng)涂膠設(shè)備,產(chǎn)品玻璃覆蓋不良率已經(jīng)得到了很大的改善,但由于公司工藝情況及實(shí)際應(yīng)用,很多自動(dòng)設(shè)備廠商沒(méi)有生產(chǎn)過(guò)類似的預(yù)浸潤(rùn)滴液系統(tǒng),只提供了購(gòu)買此類機(jī)臺(tái)客戶的使用方法——通過(guò)增加滴膠量和改變滴膠方式來(lái)彌補(bǔ)玻璃氣孔的缺陷,這樣給我們公司帶來(lái)的問(wèn)題就是原物料的浪費(fèi)及產(chǎn)能PPH的下降(表1)。

為了降低原物料的消耗和提升PPH,我們對(duì)如何實(shí)現(xiàn)手動(dòng)涂覆二甲苯的升級(jí)進(jìn)行了跟蹤研究,開(kāi)發(fā)了自動(dòng)滴液裝置,取代人工涂覆方式應(yīng)用到自動(dòng)機(jī)臺(tái)上,并實(shí)現(xiàn)滴液精確控制功能,以減少原物料的使用,爭(zhēng)取進(jìn)一步降低PPM甚至徹底解決問(wèn)題。

開(kāi)發(fā)過(guò)程如下:

(1)初步設(shè)計(jì)圖如圖11所示。

功能實(shí)現(xiàn)原理:通過(guò)設(shè)計(jì)圖可以看出,主要是通過(guò)N2壓力將液體壓出管路,通過(guò)電信號(hào)控制閥開(kāi)關(guān)并滴在旋轉(zhuǎn)的晶片上,從而實(shí)現(xiàn)晶片的預(yù)浸潤(rùn)過(guò)程。雖然使用了精密調(diào)節(jié)閥,但是在實(shí)際驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)現(xiàn)滴液量精確控制無(wú)法實(shí)現(xiàn),滴液量不受控制且擺臂移動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)液體下滴的現(xiàn)象。

(2)為進(jìn)一步控制有效滴液量,提出借鑒PR膠泵精密控制閥(滴液閥+回吸閥),并與sVG設(shè)備精密流量調(diào)節(jié)針閥組合在一起,開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)成一套組合閥體,并通過(guò)管路由前端1/4管徑轉(zhuǎn)換到終端1/8管徑等一系列措施,實(shí)現(xiàn)了滴液量的精確控制,滴液量精度達(dá)到了0.05mL/滴,成功應(yīng)用于自動(dòng)設(shè)備上,并實(shí)現(xiàn)程序上的匹配。精確流量調(diào)節(jié)組合閥原理圖如圖12所示。

圖12精確流量調(diào)節(jié)組合閥原理圖

圖中,6、9、10是精密流量調(diào)節(jié)針閥,主要用于調(diào)節(jié)液體進(jìn)出的流量大小,可以有效緩沖前端壓力。11為滴液開(kāi)關(guān)閥,通過(guò)旋鈕調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。12、13是回吸閥,在滴液開(kāi)關(guān)閥完成滴液后開(kāi)啟,可以通過(guò)調(diào)整壓力大小回吸管道內(nèi)殘留的液體,有效防止多余液體滴在晶片表面。

自動(dòng)滴液裝置實(shí)際使用如圖13所示。

圖13自動(dòng)滴液裝置實(shí)際使用圖

2.4結(jié)果和討論

經(jīng)初步安裝測(cè)試,玻璃燒結(jié)后外觀符合制程品質(zhì)要求,繼續(xù)跟蹤該裝置使用后原物料成本。投資回報(bào)統(tǒng)計(jì)如表2、表3所示。

該裝置對(duì)我們公司改善和穩(wěn)定玻璃鈍化工藝,提升玻璃工藝品質(zhì)起到了良好的作用。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)半年多不斷的實(shí)驗(yàn)總結(jié)、改進(jìn),加上廠商的配合改進(jìn),自動(dòng)化滴液裝置項(xiàng)目終于得以順利實(shí)施,工藝流程的改善幾乎隔斷了二甲苯與人接觸的風(fēng)險(xiǎn),大大減少了化學(xué)品對(duì)人的傷害,而且增加了產(chǎn)品晶片的玻璃涂覆均勻性和產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性,很大程度上改善了PG外觀缺陷,提升了產(chǎn)品品質(zhì)及工藝穩(wěn)定性。