一種MEMS晶圓切割清洗及釋放方法與流程
2023-05-04 20:12:56
本發明設計一種MEMS晶圓切割清洗及釋放方法，屬於微機電系統微細加工和晶圓切割方法。
背景技術：
微機電系統(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)是一種基於微電子技術和微加工技術的一種高科技領域。MEMS技術可將機械構件、驅動部件、電控系統、數字處理系統等集成為一個整體的微型單元。MEMS器件具有微小、智能、可執行、可集成、工藝兼容性好、成本低等諸多優點。MEMS技術的發展開闢了一個全新的技術領域和產業，利用MEMS技術製作的微傳感器、微執行器、微型構件、微機械光學器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事，物聯網等領域中都有著十分廣闊的應用前景。
在MEMS器件的製造工藝中，很多複雜的三維或支撐結構都利用犧牲層釋放工藝。即在形成微機械結構空腔或者可活動微結構過程中，先在介質薄膜上沉積結構材料，再用光刻和蝕刻工藝製備所需的各種特殊結構，然後製備支撐層結構(空腔或微結構件)。由於被去掉結構材料只起分離層作用，故稱其為犧牲層(Sacrificial Layer)，常用的犧牲層材料主要有氧化矽、多晶矽、聚醯亞胺(Polyimide)等。利用犧牲層可製造出多種活動的微結構，如微型橋、懸臂梁、移動部件和質量塊等，所以MEMS器件製作完成後，MEMS結構釋放是MEMS器件製造工藝中關鍵的一道工序。
MEMS晶圓需要在完成前道各種製造工序後進行切割，把晶圓切割成單個的晶片，然後進行封裝測試。結構釋放可以選擇在切割之前進行，也可以選擇在切割之後進行。由於晶圓中的晶片具有MEMS結構，所以在切割清洗釋放的先後順序上三者存在矛盾，如果處理不好會導致MEMS晶片損壞或全報廢。
處理MEMS切割清洗和結構釋放之間的矛盾，現有解決技術方案主要有：
1)先對晶圓進行結構釋放，然後進行雷射切割，不需要溼法清洗；利用隱形雷射切割，設備昂貴且工藝複雜，晶圓需要先進行減薄處理，切割完後還需要用裂片機裂片和擴膜，且切割道不能有圖形，尤其是帶金屬圖形，會反射雷射能量。切割道要求僅是矽材質，含有氮化矽或二氧化矽也會影響光的吸收。隱形雷射切割對晶圓切割道的布局有特殊要求，把切割道的圖形單獨設計後會佔用晶片面積，減少了晶圓上的有效晶片數目。
2)先對晶圓進行結構釋放，對晶圓的MEMS結構進行打孔貼膜保護，再進行背面切割；由於對晶圓的MEMS結構進行貼膜保護，需要增加工序且工序複雜，背面切割問題是成本高，作業效率低，良率不穩定，不適合MEMS佔比高的晶片
3)先對晶圓正面進行塗膠保護，然後進行光刻，利用等離子體切割進行切割，然後再進行釋放；需要進行光刻，釋放前還需要進行減薄，光刻設備，減薄設備及等離子體切割設備都非常昂貴。
對比文件中國專利CN 103068318 A公開了一種MEMS矽晶圓圓片切割和結構釋放方法，顯著問題是沒有實現晶圓級作業，對於矽晶圓片需要兩次貼膜和手動裂片，利用真空吸筆拾取單個晶片，再放置到託盤中去膠，而一個矽晶圓片中包含成千上萬個晶片，單個拾取效率較低；且該對比文件沒有公開晶圓的清洗方法，現有技術中晶圓的清洗都是將晶片取下，放到託盤中放到溶液中進行清洗，晶片之間容易觸碰，進而損壞晶片；另外，該對比文件中兩次切割在同一位置，且切割位置嚴格對齊，但是切割完一次後，再次從頭切割，需要兩次對位，且兩次對位切割位置不可能完全重合，生產效率低。
技術實現要素：
本發明針對上述現有技術中存在的不足，提供一種切割效率高、清洗方便且釋放簡單的MEMS晶圓切割清洗及釋放方法。
本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種MEMS晶圓切割清洗及釋放方法，包括以下步驟：
步驟1：貼UV膜，將晶圓正面朝下放置在貼膜機吸盤正中央，所述吸盤為中間懸空的真空吸盤，UV膜外周固定在不鏽鋼框架上，從貼膜機捲筒中拉出UV膜，貼在不鏽鋼框架和晶圓背面上；
步驟2：切割，採用臺階切割，兩步切割連續完成，沿切割方向上依次設有對齊的後切刀片和前切刀片，即前切刀片和後切刀片在切割方向對齊或者中心對齊；切割時，前切刀片先接觸晶圓，後切刀片後接觸晶圓；兩個切刀片連續切割，前切刀切割的厚度為晶圓總厚度的20％～60％；後切刀片將晶圓劃透，且不劃透所述UV膜，例如晶圓後675um，UV膜厚度100um，總共厚度就是775um了，那麼划進去725um，就保證能將晶圓劃透，也不會把膜劃破；切割的進刀速度3～30mm/s，前後切刀片的厚度為30～60μm，兩次切割後，晶圓全劃透，切割成單個晶片；
步驟3：清洗和甩幹晶圓；
步驟4：照射，使用UV照射機，對晶圓背面的UV膜進行照射30～100s，調節UV燈管能量120～360mJ/cm2之間，可將UV的粘性降到以前的1～10％；
步驟5：利用擴膜機對晶圓進行擴膜處理，使所有晶片向四周均勻擴開；
步驟6：利用晶片拾取設備，將晶片從UV膜取下放入專門MEMS釋放石英託盤中；
步驟7：把託盤放在去膠機的Chamber中，進行結構釋放。
本發明中MEMS晶圓切割清洗及釋放方法的有益效果是：
(1)步驟1中利用懸空的真空吸盤固定晶圓，只有晶圓邊緣不完整的晶片和吸盤接觸，中間完整晶片不會有接觸，保證晶片不會碰觸，不會有劃傷，也能避免沾汙；
(2)步驟2中採用臺階切割，兩步切割連續完成，一次切割就能將晶圓切割成若干個晶片，不需要重新對位，切割位置完全重合，切割效率高、質量好；
(3)步驟4中通過控制UV照射機的照射能量和照射時間，將UV膜的粘性降到以前的1～10％，粘性更低，效果更好；
(4)將對晶圓的擴膜處理提到晶圓結構釋放之前，是因為釋放前晶片結構是可以碰觸的，拾取晶片會非常簡單，釋放後有些結構是懸空了，拾取晶片只能吸取晶片邊緣，拾取困難，所以提到晶圓結構釋放之前對晶圓進行擴膜處理更加容易；
(5)步驟6和步驟7中利用拾取設備拾取晶片，將晶片放入專用託盤中，託盤帶有與晶片大小一致的格子卡槽，然後進行MEMS晶圓的結構釋放，大大提高了釋放效率及重複性。
進一步，還包括步驟8：封裝測試，利用晶片拾取設備，將晶片從MEMS釋放石英託盤中取下放入晶片儲存盒中，進行測試。
進一步，步驟3中，清洗和甩幹晶圓時，將固定晶圓的不鏽鋼框架整體放在可旋轉的陶瓷密孔吸盤上，所述陶瓷密孔吸盤可以固定不鏽鋼框架的四周，所述陶瓷密孔吸盤上方設有噴液系統，所述噴液系統包含若干個可左右擺動噴灑溶液的噴頭，所述若干個左右擺動的噴頭噴灑溶液清洗所述晶圓，清洗完之後，陶瓷密孔吸盤高速旋轉，將廢液甩出，甩幹晶圓；
採用上一步技術方案的有益效果：步驟3中帶不鏽鋼框架和UV膜的晶圓進行清洗，陶瓷密孔吸盤表面非常平整，噴頭可左右擺動噴灑液體，陶瓷密孔盤旋轉保證晶圓清洗無死角，對晶圓全方位進行清洗，晶圓清洗完後，陶瓷密孔吸盤高速旋轉利用離心力將晶圓甩幹，屬於幹進幹出，實現了晶圓級的清洗，清洗效率高。
進一步，步驟1中的貼UV膜時，從貼膜機後捲筒中拉出UV膜，長度超出所述不鏽鋼框架2～10cm。
進一步，所述UV膜的厚度為80～120mm。
進一步，步驟5中得到擴散的晶片，每個晶片之間的間距大於120μm。
進一步，所述前切刀片的厚度大於所述後切刀片的厚度。
進一步，所述後切刀片的刀刃在高度方向上，高於所述UV膜的下表面，且低於所述晶圓的背面。
採用上述進一步技術方案的有益效果是：無論多麼均勻的UV膜，厚度都會有偏差，刀刃高於所述UV膜的下表面，且低於所述晶圓的背面，即後切刀片在切割晶圓時，刀刃切割到UV膜，但不劃透UV膜，這樣才能保證晶圓全劃透。
本發明還涉及一種MEMS晶圓切割清洗及釋放方法中使用的託盤，包括託盤本體，所述託盤本體上設有圓形凹槽，所述圓形凹槽的直徑與晶圓的直徑一致，所述圓形凹槽被分隔成若干個和晶片尺寸一致的方格槽。
進一步，所述圓形凹槽的深度為1～3mm。
本發明中MEMS晶圓切割清洗及釋放方法中使用的託盤的有益效果是:去膠機的Chamber都是按照圓形設計的，方形託盤雖然可以放多些晶片，但是均勻性差，本發明採用圓形託盤，均勻性較好，且不需要旋轉託盤，釋放工藝一步到位。
附圖說明
圖1為本發明中貼帶有不鏽鋼框架UV膜之後的晶圓示意圖；
圖2為本發明中陶瓷密孔吸盤固定不鏽鋼框架示意圖；
圖3為本發明中使用噴液裝置清洗晶圓狀態示意圖；
圖4擴膜後的晶圓示意圖；
圖5託盤結構示意圖；
圖6晶圓放置在託盤中的結構示意圖；
在附圖中，各標號所表示的部件名稱列表如下：1、晶圓，2、UV膜，3、不鏽鋼框架，4、陶瓷密孔吸盤，5、噴液系統，6、擴膜繃環，7、託盤，7-1、託盤本體，7-2、圓形凹槽，7-3、方格槽。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本發明，並非用於限定本發明的範圍。
如圖1-圖4所示，一種MEMS晶圓切割清洗及釋放方法，包括以下步驟：
步驟1：貼UV膜2，將晶圓1正面朝下放置在貼膜機吸盤正中央，所述吸盤為中間懸空的真空吸盤；從貼膜機後捲筒中拉出UV膜，長度超出所述不鏽鋼框架3的外周2～10cm，如果局部有皺，還需要進一步拉緊，直到四周均勻、平整後，用滾輪輕攆使膜平整緊貼晶圓1背面及不鏽鋼框架3上；將超出不鏽鋼框架3的UV膜2切割掉，所述UV膜的厚度為80～120mm，如圖1所示。
步驟2：切割，採用臺階切割，兩步切割連續完成，沿切割方向上依次設有對齊的後切刀片和前切刀片，切割時，前切刀片先接觸晶圓1，後切刀片後接觸晶圓1；設置兩切刀片的高度，前切刀片切割的厚度為晶圓1總厚度的20％～60％，後切刀片將晶圓1劃透，且不劃透所述UV膜，例如晶圓後675um，UV膜厚度100um，總共厚度就是775um了，那麼划進去725um，就保證能將晶圓劃透，也不會把膜劃破；設置切割的進刀速度3～30mm/s，低速切割，所述前切刀片的厚度大於所述後切刀片的厚度；設置晶圓的pitch值(即晶片在X方向和Y方向的大小)及其它的切割參數，對晶圓1進行對位操作，對Ch1，進行θ軸方向調整，左右移動工作檯並調整切割基準線，確認參數後，進行Ch2的切割道和步進確認，確認參數後，開始劃片；所述前後切刀片的為厚度為30～60μm，兩次切割後，晶圓1全劃透，分隔成單個晶片；
步驟3：清洗和甩幹，將固定晶圓1的不鏽鋼框架3整體放在可旋轉的陶瓷密孔吸盤4上，用陶瓷密孔吸盤4固定不鏽鋼框架3的四周，陶瓷密孔吸盤3上方設有噴液系統5，所述噴液系統5包含若干個可左右擺動噴灑溶液的噴頭，所述若干個左右擺動的噴頭噴灑溶液清洗所述晶圓1，清洗完之後，陶瓷密孔吸盤4高速旋轉，將廢液甩出，甩幹晶圓，如圖3所示；
步驟4：照射，使用UV照射機，對晶圓1背面的UV膜2進行照射30～100s，可將UV膜的粘性降到以前的1～10％；
步驟5：利用擴膜機對晶圓1進行擴膜處理，使所有晶片向四周均勻擴開，每個晶片之間的間距大於120μm，擴膜後，把擴膜繃環6外多餘的UV膜2切割掉，如圖4所示；
步驟6：利用晶片拾取設備，將晶片從UV膜2上取下放入專門MEMS釋放石英託盤7中；
步驟7：把託盤7放在去膠機設備中，進行結構釋放。
步驟8：封裝測試，利用晶片拾取設備，將晶片從MEMS釋放石英託盤7中取下放入晶片儲存盒中，進行封裝測試。
本發明還涉及一種MEMS晶圓切割清洗及釋放方法中使用的託盤，包括託盤本體7-1，所述託盤本體7-1上設有圓形凹槽7-2，所述圓形凹槽7-2的直徑與晶圓1的直徑一致，所述圓形凹槽7-2被分隔成若干個和晶片尺寸一致的方格槽7-3，所述圓形凹槽7-2的深度為1～3mm。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。