全自动晶圆划切设备之可靠性分析

张 伟，王宏智，闫启亮

(北京中电科电子装备有限公司，北京 101601)

全自动晶圆划片机是集光机电计算机于一体的复杂设备，划片工序是将集成电路整片晶圆通过划切分割成单个芯粒的工艺过程，是集成电路制造过程中整片晶圆操作的最后一道工序，承载了包括晶圆减薄以及材料制备、光刻等几百个前道工序的材料和制造成本，一旦出现问题，整个投入就会前功尽弃。同时，划片工艺又是一种无法恢复的不可逆过程,一旦出现问题整片晶圆就可能全部报废。因此,材料和制造成本的积累以及工艺的不可重复性决定了划片工艺成为封装、甚至整个集成电路制造过程中最关键和最危险的工艺环节，使得其对设备晶圆划片机的可靠性要求达到了极致，不仅要从晶圆上片、对准、划切、清洗甩干到下片的完全自动化，而且整个过程几乎不容出现任何失误，其可靠性要求达到了工业化设备的最高层级，业内只要提到划片机首先关心的问题就是其可靠性如何。因此,可靠性对全自动划片机来说具有极其特殊的意义，是其进入生产线的决定性因素，极高等级的可靠性是划片机进入生产线的首要条件。在此动机之下，目的就是在建立一个测试标准、程序或其它的依据，提供一个失效标准以做参考：首先假设系统下的子系统及其子系统下的元件皆为各自独立的个体，开始运作在同一时间内，计算出故障的几率，求出整体系统的可靠性，最终从结果中判断及分析。对于眼前系统可能故障的事件作预先的防护，进而提升其可靠的程度，延长系统寿命，解决不可靠的成分因素，最终提高全自动晶圆划切设备的可靠性，这是分析全自动划切设备可靠性的主要目的。

1 全自动晶圆划切设备各部分介绍

网际网络之兴起与无线通讯之普及，再加上个人电脑及消费性电子产品的持续需求，半导体产业循环已从1998年开始复原。半导体产能提高的两大推动力为：半导体技术上的进步，制造生产力的提升，在技术上，由于线宽的不断缩小，使得电晶体的产能每2年增加1倍，在制造生产力的提升上，由于更多的制造工厂、较多的矽晶圆使用、更高的可使用率及可靠性、更高的生产速率及良率等促成因素，使得电晶体的产能每3年有5倍的提升。

就目前的产业来说，为提升产能已从200mm晶圆渐渐进入到300 mm晶圆发展，对于全自动晶圆划切设备本身可以分为上料模组、物料传输模组、划切工作台模组和清洗模组，其主要实现功能如图1所示。

上料模组：用于晶圆的自动上料；物料传输模组：用于晶圆在设备中各个环节的传输；划切工作台模组：用于晶圆的划切过程；

清洗模组：用于清洗和甩干划切结束后的晶圆。

图1 全自动划片流程

2 可靠性的定义和特性

一般来说，可靠性的定义为一个系统在已知运行条件下，且于一个特定时间内操作正常的几率，以此定义就相对可知故障几率，可了解到系统何时无法正常操作，同样对于该条件的处理，我们必须明确系统所受的负担及系统操作所在的条件环境，可靠性最重要的变数就是时间，因为故障率是可靠性最常见的现象。

3 全自动划切设备可靠性分析

全自动划切设备系统的整体到细节的可靠性模组分析是针对全自动晶圆划切设备的整体部分从上部的整体功能一直往下延伸到下部的子系统功能，如此可以确认所有的故障模式随后定义出每一个故障模式的故障率，然后评估整体的故障率，为了求出全自动划切设备的故障率必须先求出分派在系统下子系统的故障率，其步骤为：

(1)建立系统的方框图。首先分析整体系统的最上层系统，对整体的系统进行分隔，分隔出这些整体系统的子系统，或者更向下分出子系统。最下层系统的故障有其潜在的故障模式，一个故障模式是由物理过程或是由发生的产生率所定义，这些故障模式的获得是由分析最下层系统的功能并分析其可能潜在故障的模式，然后画出所有设备的方框图，其所用的图形区域与子系统的相似，如图2所示。

（2）建立系统的故障模型。图3给出了全自动晶圆划片机可靠性模型框图。整机系统采用单一的串联模型，系统中每个子系统的失效都会导致系统失效。

（3）对系统的可靠性进行分配。按照全自动划片机设计阶段可靠性模型框图进行可靠性指标的分配。串联系统中各部分MTBF值的指标分配公

图2 依序式系统整体到细节方框图

图3 全自动划片机可靠性模型

从计算结果来看，每个单元Mi的可靠性分配指标有大小差异，最大的为5.6 kh，最小的为840 h。通过每个单元Mi的分配指标计算出整机的MMTBF为176 h，能够满足项目指标MMTBF大于168 h的要求，可靠性分配是合理的。根据以上的方式进一步分解到元件一级就可以来作为选择各个元器件的标准指标。

表1 全自动晶圆划片机各单元可靠性指标分配

4 结 论

对于全自动晶圆划切设备的系统而言，该方法虽然只能提供一个近似参考结果，但是增进深一层的分析效率，利用整体到细节方框图的分析，及系统模型图等图形的表示，来展现系统内元件或子系统之间的关系，是一种可靠性的分析方法。由于是配合着图形，可以清楚地了解到整体系统下子系统之间相互配合的关系，来求得元件或子系统间的内部连结部分,可以用来直接求出全自动晶圆划切设备的可靠性，分析可靠性的同时可以初步确定出各个元件的评判指标。

[1]韩郑生等译，半导体制造技术[M].北京：电子工业出版社，2009年；

[2]邵家骏，刘劲松，赵选民等，健壮设计手册[M].北京：国防工业出版社，2002年；

[3]中国电子学会生产技术学分会丛书编委会，微电子封装技术[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2003：76-77.

[4]赵东元，可靠性工程与应用[M].北京：国防工业出版社，2009；