胡澤先

河北半導(dǎo)體所 河北石家莊 050051

半導(dǎo)體晶圓的切割品質(zhì)直接影響到半導(dǎo)體器件整體的封裝質(zhì)量及最終產(chǎn)品的可靠性。砂輪劃片經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，工藝技術(shù)非常成熟穩(wěn)定，在劃片領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但隨著半導(dǎo)體半導(dǎo)體器件輕薄短小的發(fā)展趨勢(shì)，晶圓的機(jī)械性能降低，砂輪劃片面臨嚴(yán)峻地挑戰(zhàn)，易碎片、背崩和分層等不良現(xiàn)象增加，降低芯片的機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)致成品率降低，其發(fā)展遇到了無(wú)法解決的瓶頸。如Low-k 介質(zhì)層的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遇到機(jī)械應(yīng)力時(shí)容易碎裂或出現(xiàn)分層破裂現(xiàn)象；SiC 極為堅(jiān)硬，采用機(jī)械切割方式，刀片磨損量是切割硅時(shí)的100-500 倍，整體良品率也不高。這些挑戰(zhàn)對(duì)于傳統(tǒng)主流的旋轉(zhuǎn)砂輪式切割技術(shù)來(lái)說(shuō)都存在巨大的困難或者超出了其理論的工藝極限。

1 激光切割

激光切割作為一種新式的晶圓切割方式，于近幾年得到了快速發(fā)展。激光切割通常是將高能激光束照射在晶圓表面，使材料表面或內(nèi)部發(fā)生高溫汽化或者升華現(xiàn)象，從而達(dá)到切割的目的。與機(jī)械切割相比，激光切割具有顯著的優(yōu)勢(shì)，尤其是切割速率得到很大的提高，但伴隨出現(xiàn)了其它一些問(wèn)題：加工過(guò)程中激光的熱效應(yīng)及粉塵等異物對(duì)芯片產(chǎn)生的不良影響。目前，實(shí)際應(yīng)用中的激光切割工藝主要有激光燒蝕切割、微水刀激光切割等。

1.1 激光燒蝕切割

激光燒蝕切割是將激光直接聚焦于晶圓切割道的表面，通過(guò)激光的高能量使材料蒸發(fā)、升華，以達(dá)到去除和切割的目的。但是這種工藝在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大的熱量，并導(dǎo)致對(duì)芯片本身的熱損傷，甚至?xí)a(chǎn)生熱崩邊，被剝離物的沉積等至今難以有效解決的問(wèn)題。圖1 為激光燒蝕切割工藝對(duì)芯片造成的損傷：正面熱損傷及背面熱崩邊。為了避免污染，切割之前可以在晶圓表面涂覆一層水溶性保護(hù)膜，這樣一來(lái)，切割時(shí)產(chǎn)生的粉塵或其他異物會(huì)掉落在保護(hù)膜上，而不會(huì)粘附在晶粒上，切割后再利用純水沖洗干凈，這種方法可以大幅度減少異物粘附，增強(qiáng)器件可靠性，但這一方案通常不被采用，因?yàn)楦郊拥囊恍┎襟E會(huì)帶來(lái)額外的費(fèi)用，同時(shí)其始終無(wú)法解決激光燒蝕切割的熱損傷問(wèn)題。

激光燒蝕切割因熱影響區(qū)過(guò)大，無(wú)法進(jìn)行精微切割，大大限制了其應(yīng)用領(lǐng)域，僅能應(yīng)用于一些低階芯片，如太陽(yáng)能芯片等，在集成電路的加工處理中，始終無(wú)法被認(rèn)可。

1.2 微水刀激光切割

為解決傳統(tǒng)激光切割的熱效應(yīng)問(wèn)題，瑞士Synova 公司研制出很有創(chuàng)意的微水刀激光切割技術(shù)，又稱水射流導(dǎo)引激光切割，其切割原理如圖2 所示[1]：高能激光束經(jīng)過(guò)光學(xué)聚焦透鏡及水腔頂部的透明石英窗口，接著穿過(guò)壓力水腔里的薄水層，最后聚焦于水腔底部的噴嘴微孔中心。由于考慮到流體力學(xué)設(shè)計(jì)，經(jīng)噴嘴微孔形成的水柱像光纖一樣又直又圓。聚焦于噴嘴微孔中心的激光由水柱的輸入斷面導(dǎo)入微水柱，利用微水柱與空氣界面全反射的原理，在微水柱導(dǎo)引下激光一直沿水柱行進(jìn)，形成一個(gè)可變的流動(dòng)性光波導(dǎo)，當(dāng)其到達(dá)被加工晶圓表面時(shí)，通過(guò)激光的照射燒蝕、微水柱射流的沖擊作用完成切割加工。切割過(guò)程中，微水柱能夠?qū)埩舻臒崃考皶r(shí)冷卻，使得整個(gè)切割過(guò)程中，切口以外的區(qū)域加熱程度非常低[2]，克服了傳統(tǒng)激光切割的熱效應(yīng)問(wèn)題。

2 微水刀激光切割的技術(shù)特點(diǎn)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

微水刀激光切割巧妙地結(jié)合了水射流技術(shù)和激光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)的關(guān)鍵是水射流的產(chǎn)生及激光的選用。

穩(wěn)定的微水柱是實(shí)施微水刀激光切割加工的關(guān)鍵因素之一[3]，工藝加工中常用的噴嘴微孔直徑DD 為20-150μm。形成穩(wěn)定的微水柱，首先水腔內(nèi)必須具有穩(wěn)定的壓力；其次，水腔中的液體流場(chǎng)必須是以噴嘴微孔為中心的中心對(duì)稱分布；最后，經(jīng)噴嘴形成的微水柱需要在一定距離范圍內(nèi)維持穩(wěn)定而不破碎，這樣才能形成穩(wěn)定的微水柱。這個(gè)距離稱為微水刀激光切割的有效工作距離，其值通常為噴嘴微孔直徑的1000 倍左右。由于噴嘴附近的水射流存在縮流現(xiàn)象，通常微水柱的直徑大約是噴嘴微孔直徑的85%。實(shí)際切割加工中，為了保證切痕寬度，往往選用較小直徑的噴嘴（20μm-50μm）。

2.2 激光波段的選擇

激光的選用需要綜合考慮傳輸過(guò)程中水對(duì)激光的吸收及切割晶圓對(duì)激光的吸收。

由于純水對(duì)不同激光的吸收率不同，因此對(duì)激光的類型需要進(jìn)行選擇。圖3 為各波段光在純水中的吸收率，由圖可以看出，在窗口區(qū)域純水對(duì)激光的吸收率較小，因此適用于微水刀激光切割加工的激光類型一般為：波長(zhǎng)為1064nm 釔鋁石榴石（Nd：YAG）紅外激光，波長(zhǎng)為532nm 綠光激光（雙倍頻Nd：YAG）和波長(zhǎng)為355nm 紫外線激光（三倍頻Nd：YAG）。

被切割晶圓需要吸收激光能量才能對(duì)其進(jìn)行加工，圖4 為砷化鎵對(duì)激光的吸收率，從圖中可以看出GaAs 對(duì)波長(zhǎng)1000nm 的光吸收率較高，而對(duì)波長(zhǎng)小于1000nm 的光基本無(wú)吸收。綜合考慮，微水刀激光切割GaAs 晶圓通常采用1064nm 釔鋁石榴石（Nd：YAG）紅外激光。圖5 為厚度為100μmGaAs 晶圓采用微水刀激光切割后的正面及斷面形貌，從圖中可以看出，切割道寬度僅為25μm，且無(wú)崩邊及粘污，無(wú)毛邊。

3 微水刀激光切割的優(yōu)缺點(diǎn)

微水刀激光切割實(shí)現(xiàn)了水射流技術(shù)和激光技術(shù)的完美結(jié)合，與傳統(tǒng)切割工藝相比，其具有很多顯著的特點(diǎn)：①無(wú)熱影響區(qū)。大幅度地減少了切割區(qū)域的熱滲透效果（在GaAs 試驗(yàn)過(guò)程中切割的最高溫度不會(huì)超過(guò)160℃），不會(huì)產(chǎn)生任何熱應(yīng)力；②切割品質(zhì)好。微水刀激光切割工藝無(wú)任何機(jī)械振動(dòng)，使得切割后晶圓基本無(wú)崩邊、毛刺及微裂紋；切割過(guò)層中在晶圓表面形成一薄層水膜，極大地減少了顆粒物在晶圓表面的附著，確保了晶圓的高度潔凈。③切割速率快。采用微水刀激光切割工藝，切割速率高達(dá)250mm/ s 以上，比傳統(tǒng)砂輪切割快5 倍-10 倍；④晶圓利用率高。切割道寬度最窄可到25μm，有效地提高了晶圓利用率。

微水刀激光切割的缺點(diǎn)是會(huì)燒壞卡盤(pán)，加工過(guò)程中必須使用一種不會(huì)被激光切穿、卻能讓水流穿過(guò)的“激光膠帶”用于貼片。這種膠帶成本比較高昂，而且種類比較少，同時(shí)其工藝設(shè)備較為復(fù)雜，切割斷面也不夠光滑。但作為一種極具創(chuàng)新性的劃片工藝，對(duì)于高速發(fā)展的集成電路封裝業(yè)來(lái)說(shuō)，仍然是解決GaAs、SiC、Low-k介質(zhì)層和超薄晶圓劃片問(wèn)題的一種可靠選擇。