微機電晶片切割系統
精密地操作處理
Ramon J. Albalak, Ph.D., ADT
微機電系統(MEMS)乃由許多的微小化之智慧型機械系統所構成；例如，精密加速器、流量感測器、運轉反應器及射頻(RF)元件等。積體電路製造商利用已為大家所能接受的製作方式來生產微機電系統所需的元件與結構，而多樣化的微機電系統需要在以矽晶片為主的基材上作選擇性的蝕刻製程或作局部非矽材的鍍膜之程序來形成相關系統的零組件，使它可以形成3D立體且具機能性的結構，而最終的元件通常具有微小化及非常易脆的結構特性；例如，懸臂樑、橋樑或架橋結構、轉軸、齒輪、薄膜與需要特別處理及控制的其它敏感特性之元件。
由於在機構上的基本差異，使得微機電系統的晶片切割機相較於典型積體電路或其它微電子元件用途之晶片切割機更具挑戰性，此乃因微機電系統之切片將同時遭遇到包括：薄膜元件、高深寬比之表面結構及(或)壓力感測等元件之切割，這些於微機電系統中之零組件在於進行晶片切割或接續的清潔步驟時，對於水的衝擊是相當敏感地。為了抑制液體持續的流動對系統所造成的衝擊，特定元件則需要一些機械裝置來進行保護。此外，微機電系統之晶片切割通常必須移除易造成干擾的汙染物，因為這些微小的碎片或顆粒的存在，可能會阻礙或甚至完全造成機械破壞與停止運轉。特殊類型的微機電系統(例如：靜電致動器)亦特別敏感於靜電放電(ESD)現象，且可能因發生的靜電放電而造成微結構的毀損而失效。
現今的晶片切割方法
目前已有數種微機電晶片切割方法可克服因脆弱性、污染物與靜電放電等現象所產生之敏感性問題。其中一種方法是添加外蓋於微機電系統上，特別是於易脆的微小機械部分與惡劣的切割環境之間建立一個物理性的阻障層，此動作可避免因微小碎片之汙染物生成而影響微機電系統的運作，並可於切割期間使冷卻水能順暢地流動與降低清潔步驟中水沖洗對微結構造成的衝擊。藉由消除敏感性元件和環境間的直接接觸，亦可減少靜電放電所造成的危險，而有許多種的材料(例如矽材及玻璃)皆可作為外蓋之材質，它們可利用封帽方式進行數種的密封方法，在晶片切割後其外蓋仍屬於微機電系統固定的一部份。另一種方式的差異在於進行實際的晶片切割期間，覆蓋於微機電系統設備上所使用的臨時保護犧牲層，在切割後再將其移除或沖走。大部分的情況下，此高分子薄膜之保護層可利用乾式或濕式製程技術將其移除；然而，這些方法皆需要額外的製造步驟及程序，以放置固定式的外蓋或進行保護膜形成及移除步驟，這些動作皆會增加製造的總成本。
創新應用技術
更新世代的晶片切割程序持續地發展亦衍生出一系列革新的方式，此專業化的設備可克服高敏感性的微機電系統所產生的困難與障礙。此創新技術是應用於晶片切割設備及製程上作改善，而並非以修改微機電設備系統來解決問題。
在晶片作切割的過程中，冷卻區塊之幾何應用乃是決定冷卻水對基板所造成的衝擊大小的主要因素之一。目前市場已開發出專門使用於微機電系統設備的先進冷卻區塊，包括：可為特定應用需求之顧客作模型量身訂作。例如圖一所示即為末端接有噴嘴式之冷卻區塊之系統。
冷卻系統的另一改良方法在於切割過程中將基板完全浸入於冷卻槽中，於冰水浴中進行晶片切割，這樣可減少樣品其敏感及易脆特性造成的損害。實質上，此方法亦可將冷卻劑對於晶片切割程序中所造成的衝擊降到最低。
晶片切割期間，除了冷卻水因流動及噴霧所造成的衝擊外，敏感性微機電系統的微結構亦必須忍受後續清潔過程中所產生的物理性傷害，此清潔步驟通常與晶片切割機同時於系統中進行。然而，更先進類型的全自動晶片切割機具有「霧化」噴嘴式結構，使清潔或沖洗的水流以更微小的水滴形式，而不是以連續流動的狀態來進行，由於清潔特性已經被霧化形式來加以改善，因此，微機電系統因污染物及碎片粒子所造成的損害情形之可能性可大為降低。
亦可利用靜電釋放現象吸引微小粒子使之降低存在並可抑制碎片的產生，因為靜電吸引的庫侖作用力和粒子相吸能力直接正比於電場，促使靜電電荷及所產生的電場來增加粒子沉澱。選擇微機電系統之晶片切割機時，必須確認其所有零件(例如基本的結構及任何將處理與清潔相結合的系統)是否皆適應於SEMI E78-1102的靜電相容性標準。
微機電系統中常可發現因靜電放電現象而失控並導致系統局部的燒焦，亦使得敏感性的電子元件產生故障。於微機電系統晶片切割過程中，不同系統間的框架軸承在於各階段的轉換期間，有許多因素皆會增加機器內部靜電的累積，由於高純度的去離子水中無溶解之離子，故大部分的晶片切割處理時會使用去離子水作為冷卻劑。然而，離子的缺乏不僅降低了水的導電性，並會促使已切割的基板無靜電傳導的現象發生。靜電放電現象與去離子水的高阻力有關，其解決方式可增加再離子化器件裝置，利用通入的二氧化碳(CO2)來增加其導電性，而CO2會轉變成無害的重碳酸鹽離子，但必須通入充足的氣體量才可達到預期之導電性。
欲作為微機電系統晶片之切割機必須搭配機器內部所有運作之離子化元件。如圖二a表示，切割機及清潔機之間的區域，有介於兩者間的固定離子化組件。而圖二b所示為第二個移動式組件連接在材料處理系統(MHS)。此兩種組件的結合，可使靜電放電現象完全地降減至SEMI E78-1102可接受的靜電相容性標準範圍。
先進的全自動化晶片切割機裝配有許多專用於微機電晶片切割系統所需附加的功能，例如：內建式的切割器可精確地測量待切割的基板高度。此特色稱之為「特定高度」，特別適用於事先未知基板的正確高度時，且僅執行部份切割時的狀況，例如：由未確定厚度的膠黏劑層所組成的特定高度基板。
有些微機電元件之靈敏度常常和其規定嚴苛的切割品質有直接的關係，它必須要有完全契合的刀片及凸緣組件。近年來，切割機的軟體及硬體設備之發展已傾向開發搭配即時性振動感應器，此元件的搭配可於切片期間作振動程度的即時檢查，並當振動程度高於預設定的基準值時即顯示警告訊號；此外，此系統還可在晶片切割之前平衡刀片和凸緣間動態狀態。
有些晶片切割機能執行獨特類型的切割動作，一般稱為削切或投切式的機型。於此操作過程中，刀片並非從邊端至另一邊端切斷基板，而由某點距邊端的位置切入，途經預設定的距離後即上升脫離基板。切割可能是部分或穿越基板厚度。一般部分切割的概念示意圖如圖四所示。例如：可使用削切或投切方式在晶片上切割出長方形之區域。
當進行微機電晶片切割(特別是執行部份切割)時，維持切割刀片的方形邊緣是十分重要的。在於切片期間，刀片的鈍化常會導致彎曲的邊緣，最極端的情況則是邊緣形狀呈現半圓形。特殊的切割機裝備選項有線上研磨調理系統，以維持刀片的邊緣形狀。而研磨調理的選項，乃完全組合於切割機之套裝軟體中，且為所有的調理製程參數可預先設定，如刀片的調理頻率。研磨調理系統可使用為新刀片調理，亦可定期清潔刀片的堆積，除去逐漸累積負載及刀片形狀調整。
結論
微機電晶片切割作業常伴隨著許多緣自於設備本身高敏感性之機械壓力、污染物及靜電放電現象所產生的挑戰。然而，許多創新的製程在解決上述議題時，而發展出極具創新的設備，這些挑戰的克服將無須以密封蓋及外加保護層的形式來保護微機電系統元件。
作者
Ramon J. Albalak博士任職於Advanced Dicing Technologies的先進技術中心並擔任其工程部之經理。公司地址為Advanced Dicing Technologies, Advanced Technology Center, Haifa, Israel 31905；電話：972/4-8545222；電子郵件信箱：ralbalak@adt-co.com。
圖一：用於特殊規格之微機電系統晶片切割機的非標準化冷卻區塊之示意圖。
圖二：晶片切割機之離子化器件。(a)切割機和清潔機之間的固定組件；(b)可移動式之訊號處理系統組件。