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)管控的重點檢查項目。

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,不僅會造成材料重工產(chǎn)品良率損失,也會帶來原物料的浪費及人員成本的增加。

1玻璃鈍化工藝理論

1.1芯片玻璃鈍化工藝理論介紹

PG玻璃鈍化工藝保護芯片就是用熔凝后的玻璃來保護P一N結(jié),裸露的P一N結(jié)需在經(jīng)過清洗后清潔的狀態(tài)下進行保護,經(jīng)過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,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)定性提高和化學反應(yīng)穩(wěn)定性提升,機械強度變好。雖然此工藝有著很多優(yōu)點,但如果制造過程不合理或制程控制不當,生產(chǎn)的晶片還是會出現(xiàn)合格率降低的情況,更嚴重的是芯片的穩(wěn)定性和可靠性會變差,早期失效現(xiàn)象就會比較突出。因此,PG玻璃鈍化成為各家公司重點研究及期望改善的工藝項目之一。玻璃鈍化是一個比較難掌控的工藝,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芯片玻璃鈍化常見缺陷問題

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,晶片承受機械應(yīng)力的能力差,體現(xiàn)在后續(xù)的測試、包裝、運輸和封裝流程中容易出現(xiàn)機械損傷。此類缺陷用肉眼或借助顯微鏡就可以看出,不做詳細研究(圖2)。

圖2芯片和玻璃上出現(xiàn)明顯裂紋

(2)無明顯缺陷一玻璃氣孔:是指在玻璃與硅的界面沒有完全融凝而產(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面造成氣孔。氣孔大小不同時會造成不同的間隙缺陷,氣孔在后續(xù)玻璃高溫燒結(jié)過程中會發(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,會增加后續(xù)產(chǎn)品失效風險,故此失效材料必須經(jīng)過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上會出現(xiàn)一個類似氣泡的孔洞,從而造成玻璃沒有完全包覆良好,后續(xù)測試dice電性時會成為放電及漏電的集中點,影響芯片的電性穩(wěn)定性。

2精確滴液裝置開發(fā)

2.1手動涂膠設(shè)備簡介

控制方式:通過時間計時器(timer)控制時間,通過調(diào)節(jié)電阻器(VR)控制馬達轉(zhuǎn)速,分段控制(圖5)。

缺點:由于電路控制精度和采用機械電阻器調(diào)整方式來控制設(shè)備,控制不精準,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,手動吸盤是無中心定位機構(gòu),每片的放置位置依作業(yè)員的主觀感覺來判斷是否正確。

缺點:沒有晶片中心對位裝置,手動放置容易造成偏心,進而導(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(圖7)。目的是增加玻璃膠和硅片的浸潤性,上玻璃膠前的預(yù)處理,很大程度上決定了玻璃涂覆時氣孔產(chǎn)生比例的高低。

圖7玻璃涂覆前預(yù)浸潤

缺點:(1)對于人員操作要求比較高,涂覆時二甲苯的量需要控制,多了會造成玻璃膠的稀釋,導(dǎo)致部分芯片玻璃不足,少了會造成氣孔的產(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,且涂覆過程中由于使用毛刷筆,會有部分微粒的污染,隨著毛刷毛的損耗,也會增加涂覆效果的差異變異。

第二步:玻璃膠涂覆(圖8)。

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

通過以上分析可知使用手動涂膠設(shè)備的諸多缺點,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涂膠設(shè)備進行生產(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全自動涂膠設(shè)備簡介

控制方式(PG玻璃鈍化):編程控制器控制整個機臺,可以數(shù)字化編程(圖9),完成時間(timer)和轉(zhuǎn)速的控制(伺服系統(tǒng))。

圖9操作控制面板

優(yōu)點:能精準控制時間和速度,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傳輸,從進料的晶舟到出料的晶舟全程自動傳輸、自動涂覆,所有參數(shù)都可通過固定程式設(shè)定,操作簡單方便,降低了作業(yè)員出錯概率,設(shè)備有故障報警、停機報警提示。

圖10作業(yè)流程圖

優(yōu)點:能夠把大部分的人員操作用自動機械替代,實現(xiàn)全自動化的涂覆操作,大大提升了生產(chǎn)產(chǎn)品的效率。

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

小結(jié):通過實施設(shè)備自動化,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精確滴液裝置開發(fā)

雖然在PG工藝流程中升級使用了全自動涂膠設(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際應(yīng)用,很多自動設(shè)備廠商沒有生產(chǎn)過類似的預(yù)浸潤滴液系統(tǒng),只提供了購買此類機臺客戶的使用方法——通過增加滴膠量和改變滴膠方式來彌補玻璃氣孔的缺陷,這樣給我們公司帶來的問題就是原物料的浪費及產(chǎn)能PPH的下降(表1)。

為了降低原物料的消耗和提升PPH,我們對如何實現(xiàn)手動涂覆二甲苯的升級進行了跟蹤研究,開發(fā)了自動滴液裝置,取代人工涂覆方式應(yīng)用到自動機臺上,并實現(xiàn)滴液精確控制功能,以減少原物料的使用,爭取進一步降低PPM甚至徹底解決問題。

開發(fā)過程如下:

(1)初步設(shè)計圖如圖11所示。

功能實現(xiàn)原理:通過設(shè)計圖可以看出,主要是通過N2壓力將液體壓出管路,通過電信號控制閥開關(guān)并滴在旋轉(zhuǎn)的晶片上,從而實現(xiàn)晶片的預(yù)浸潤過程。雖然使用了精密調(diào)節(jié)閥,但是在實際驗證過程中發(fā)現(xiàn)滴液量精確控制無法實現(xiàn),滴液量不受控制且擺臂移動過程中會出現(xiàn)液體下滴的現(xiàn)象。

(2)為進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,開發(fā)設(shè)計成一套組合閥體,并通過管路由前端1/4管徑轉(zhuǎn)換到終端1/8管徑等一系列措施,實現(xiàn)了滴液量的精確控制,滴液量精度達到了0.05mL/滴,成功應(yīng)用于自動設(shè)備上,并實現(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)液體進出的流量大小,可以有效緩沖前端壓力。11為滴液開關(guān)閥,通過旋鈕調(diào)節(jié)閥開度。12、13是回吸閥,在滴液開關(guān)閥完成滴液后開啟,可以通過調(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。

自動滴液裝置實際使用如圖13所示。

圖13自動滴液裝置實際使用圖

2.4結(jié)果和討論

經(jīng)初步安裝測試,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。投資回報統(tǒng)計如表2、表3所示。

該裝置對我們公司改善和穩(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

通過半年多不斷的實驗總結(jié)、改進,加上廠商的配合改進,自動化滴液裝置項目終于得以順利實施,工藝流程的改善幾乎隔斷了二甲苯與人接觸的風險,大大減少了化學品對人的傷害,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。