林明睿

福州大學(xué)梅努斯國際工程學(xué)院，福建莆田，350000

0 引言

近年來，隨著光電產(chǎn)業(yè)和微電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，宇航、航空、機(jī)械、輕工、化工等各個行業(yè)整體也向著集成化、小型化方向發(fā)展，集成電路的集成度要求越來越高，功能越來越復(fù)雜，相應(yīng)地要求集成電路封裝密度變大，體積越來越小。作為集成電路芯片制造中的一道關(guān)鍵工序，晶圓切割的質(zhì)量效果直接影響芯片的性能，根據(jù)摩爾定律所述，半導(dǎo)體晶圓的厚度減小使得晶圓的脆性增加，在切割過程中更加容易破裂，加之現(xiàn)集成電路芯片制造過程中常需加入的低k材料與襯底的附著度低，傳統(tǒng)的金剛石切割晶圓技術(shù)難以滿足高質(zhì)量生產(chǎn)需求。激光切割晶圓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，本文從提高晶圓切割質(zhì)量、提高晶圓切割速度、解決晶圓切割過程中出現(xiàn)的熱影響區(qū)大等問題出發(fā)，著重介紹一些新型激光切割工藝的基本原理及優(yōu)缺點(diǎn)，探索新技術(shù)和工藝[1]。

1 傳統(tǒng)金剛石切割技術(shù)

傳統(tǒng)金剛石切割晶圓技術(shù)作為一種最先應(yīng)用于集成電路制造工藝的接觸式刀片切割技術(shù)，先在晶圓的背面貼上一層藍(lán)膜，防止切割過程中晶粒脫落，然后將薄型金剛石鋸片夾在主軸上，通過主軸高速轉(zhuǎn)動，以此進(jìn)行切割。同時利用冷卻液或者去離子水來冷卻金剛石刀片，減小切割過程中的熱損傷，同時除去切割過程中產(chǎn)生的粉塵和雜質(zhì)。

但近年來隨著光電產(chǎn)業(yè)和微電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，高集成度、高性能的半導(dǎo)體晶圓需求逐漸增大，為了提高效能，在現(xiàn)如今的晶圓制造過程中常常采用一種具有多層金屬和易碎物質(zhì)的低介電常數(shù)材料（low-k），這種低k材料難以用普通的金剛石刀輪進(jìn)行切割，原因是低k材料與硅襯底的附著力較低，金剛石刀輪直接作用會導(dǎo)致low-k材料的飛濺，以及金剛石接觸式切割方式不可避免地會導(dǎo)致如崩缺、裂紋、鈍化、金屬層掀起等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響切割質(zhì)量。而且，金剛石切割技術(shù)還存在著諸如切割線寬過大（50μm～100μm）、單位面積產(chǎn)量低、刀片易磨損、冷卻液需求大、成本較高、造成環(huán)境污染等問題。激光切割晶圓技術(shù)作為一種無接觸式切割技術(shù)可以較好地解決這些問題。

2 傳統(tǒng)激光劃片切割技術(shù)

傳統(tǒng)激光劃片切割技術(shù)采用非接觸式半劃工藝，將高能量激光束通過專門的光學(xué)系統(tǒng)，形成高能量密度的納米級小光斑，聚焦在晶圓表面，使被照射區(qū)域發(fā)生熔化、氣化，從而達(dá)到去除材料、實(shí)現(xiàn)劃片的過程。并且，在激光劃片切割過程中，根據(jù)材料自身特性不同，一般在材料的表面切割出晶圓厚度1/4～1/3的深度，然后通過裂片工藝把晶圓分裂形成晶粒，圖1為激光劃片切割和裂片工藝的示意圖[1]。

圖1 激光切割過程示意圖

半導(dǎo)體晶圓的激光切割主要考慮切割速度和切割質(zhì)量，具體包括切割速度、材料濺射重凝、熱影響區(qū)、裂紋和晶粒強(qiáng)度等。激光切割中激光波長、脈寬、功率和重復(fù)頻率等參數(shù)的選取將在很大程度上影響晶圓切割的切割速度和切割質(zhì)量。據(jù)研究數(shù)據(jù)表明，選擇波長短、脈寬低、功率小、重復(fù)頻率加工方式，加工速度快，得到的晶圓具備更好的質(zhì)量和更大的3點(diǎn)強(qiáng)度，加工熱影響區(qū)較小。

起初，用于晶圓激光切割的激光器多采用Nd:YAG固體激光器（DPSS），其波長較長，大光斑的長時間作用將會對晶圓造成較大的熱影響，從而導(dǎo)致晶粒的強(qiáng)度和性能降低；選取二倍頻（532nm）研究功率、掃描速度和頻率、重復(fù)頻率和深度、深寬比之間的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，采用中等功率和小重復(fù)頻率多次掃描會得到更好的切割質(zhì)量，高功率加工將會產(chǎn)生裂紋崩邊等現(xiàn)象，如圖3所示，重復(fù)頻率越高，光斑的重疊率越高，切割速度變慢；激光器的脈沖寬度從微秒級到飛秒級，傳統(tǒng)DPSS激光器一般使用納秒脈寬，在加工過程中存在熱效應(yīng)；可以采用窄脈寬的手段來減小熱應(yīng)力影響，在短脈沖極窄脈寬和極高峰值的作用下，材料在極短時間內(nèi)被去除，熱影響區(qū)很小，大大改善了激光切割后晶粒的質(zhì)量[2]。

相比金剛石切割技術(shù)，雖然傳統(tǒng)激光切割技術(shù)擁有速度快、非接觸式切割不存在刀具損耗、晶圓利用率高等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在由于激光切割存在熱效應(yīng)，熱影響區(qū)過大從而使晶圓有效使用面積減小、激光切割產(chǎn)生的微裂縫會影響芯片性能、激光聚焦光斑存在焦深無法精確控制劃片深度等問題，與傳統(tǒng)激光劃片切割技術(shù)相比，激光隱形切割技術(shù)在這些方面可以達(dá)到更好的工藝效果，下文將對激光隱形切割技術(shù)做出詳細(xì)介紹。

3 激光隱形切割技術(shù)

傳統(tǒng)激光切割技術(shù)基于材料吸收以致燒蝕的機(jī)理，將激光聚焦在晶圓表面，由于熔化所致的熱效應(yīng)會導(dǎo)致晶圓區(qū)切縫寬度變大產(chǎn)生微裂縫，若微裂縫未能得到有效控制將會影響到芯片的性能，日本Hamamatsu Photonics公司發(fā)明了一種激光隱形切割技術(shù)能夠很好地解決上述問題。

激光隱形切割技術(shù)原理為，傳統(tǒng)DPSS激光器發(fā)射出激光束，激光通過聚焦透鏡透過晶圓表面聚焦在晶圓的內(nèi)部，在內(nèi)部形成高位錯密度層（SD層），SD層方向上產(chǎn)生的微裂縫促進(jìn)晶圓切割，然后通過擴(kuò)晶技術(shù)將裂縫引至晶圓表面及底面，得到晶粒[3]。如圖2、圖3所示。

圖2 激光隱形切割技術(shù)原理圖

圖3 激光隱形切割技術(shù)流程圖

在隱形激光切割過程中，與傳統(tǒng)激光切割技術(shù)不同，激光對晶圓背面聚焦掃描，有效避免了從正面掃描而造成正面熱損傷的問題，晶圓材料的厚度不同，所需的總掃描次數(shù)也不同，研究表明，每次掃描灼燒深度大概在25μm～45μm。

激光波長、激光功率、激光頻率、速度、光斑重疊率、焦點(diǎn)位置等工藝參數(shù)選擇都會影響隱形激光切割的加工效果。因?yàn)閷τ陔[形激光切割技術(shù)，激光通過聚焦透鏡透過晶圓表面聚焦在晶圓的內(nèi)部，所以激光的波長一定要大于1000nm，不然激光在晶圓材料表面過高的吸收率會導(dǎo)致激光無法在內(nèi)部聚焦，一般使用的波長為1064nm和1342nm。激光功率決定了激光通過聚焦透鏡后的最大功率，如果激光過低，激光聚焦之后達(dá)不到閾值，如果激光功率過高，那么在晶圓材料表面的功率密度過高，達(dá)不到隱形切割的效果，實(shí)驗(yàn)表明，激光的透過效率大約為90%，設(shè)置切割速度為300nm/s，頻率為80kHz，可以得到既可以形成SD層又不會破壞晶圓表面的功率為0.2W～1.8W。激光頻率決定單脈沖的能量，速度和激光的光斑重疊率相關(guān)，光斑重疊率越大，切割的直線度越好，在內(nèi)部形成的高位錯密度層（SD層）也較寬，截面光滑度比較好。焦點(diǎn)位置也是一個重要的影響因素，焦點(diǎn)的位置影響著激光在內(nèi)部形成SD層的深度（切割深度）[4]。

與傳統(tǒng)激光切割技術(shù)相比，隱形激光切割技術(shù)有效地解決了切割損傷和大微裂縫的問題，被稱作零切割線寬（圖4），大大提高了單位面積的產(chǎn)量，具有更加快速、產(chǎn)品質(zhì)量更高等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于隱形激光切割采用背面聚焦的方式，激光聚焦存在更大的難度，控制難度大成為其不可忽視的不足。

圖4 傳統(tǒng)切割方式和隱形激光切割線寬比較

4 微水導(dǎo)激光切割技術(shù)

傳統(tǒng)金剛石切割、傳統(tǒng)激光切割和隱形激光切割都是熱切割范疇，不可避免存在熱效應(yīng)，熱影響區(qū)較大、熱變形嚴(yán)重，為了減小熱影響區(qū)，基于水射流技術(shù)，瑞士Synova SA公司研發(fā)了一種微水導(dǎo)激光切割技術(shù)，作為一種冷切割工藝，微水導(dǎo)切割技術(shù)具備無熱效應(yīng)、無污染、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，微水導(dǎo)激光切割技術(shù)的工作原理圖如圖5所示。

圖5 微水導(dǎo)激光切割技術(shù)工作原理圖

微水導(dǎo)激光切割技術(shù)將高壓水經(jīng)過耦合裝置從高壓轉(zhuǎn)化為低壓（30×105Pa～500×105Pa），產(chǎn)生一束約為發(fā)絲大?。?1μm～85μm）的微細(xì)水射流束，把激光聚焦在噴嘴的出口位置，激光在水和空氣的接觸面發(fā)生反射，水柱作為波導(dǎo)將激光通過全反射的方式在水中傳播，使其作用在晶圓材料的表面，通過激光束的照射燒蝕完成對晶圓的切割[5]。與此同時，在切割的時候，儀器會在晶圓表面產(chǎn)生一層薄薄的水層，熱量會立刻被水流冷卻，因此，微水導(dǎo)激光切割技術(shù)幾乎沒有熱效應(yīng)，熱影響區(qū)很小，而且水流還可以帶走切割產(chǎn)生的殘?jiān)瑴p少污染。

同樣地，脈寬、供水的水泵壓力、加工距離、單位脈沖能量等工藝參數(shù)選擇都會影響微水導(dǎo)激光切割的加工效果。脈寬將對切割的寬度和深度造成影響，切割的寬度和深度和脈寬大小呈正相關(guān)關(guān)系，在相同時間內(nèi)，如果脈寬增加，則熱作用時長增加，相應(yīng)的冷卻時間減少。然而，當(dāng)脈寬超過一定值后，由于熱作用時間太長導(dǎo)致熱損傷過大，反而降低加工質(zhì)量和效率，所以，在切割過程中選取合適的脈寬是很重要的[6]。

供水的水泵壓力會影響水射流的流速，當(dāng)壓力增大，水流流速增大，一方面可以增加晶圓冷卻時間，從而進(jìn)一步減小熱效應(yīng)對晶圓切割的影響，另一方面也有助于進(jìn)一步清除熔渣、毛刺等雜質(zhì)。但是，當(dāng)水泵壓力超過一定值后會使水流發(fā)散而影響耦合效應(yīng)和激光切割質(zhì)量。

加工距離同樣對切割效果有影響，加工距離太短，會使晶圓表面產(chǎn)生積水，當(dāng)激光透過積水層時會造成能量損失，加工距離太長，水流發(fā)散會使冷卻效果減低進(jìn)而增加熱效應(yīng)，不利于晶圓切割。單位脈沖能量也是一項(xiàng)很重要的參數(shù)，增大單位脈沖能量可以提高加工速度、加工寬度和深度。但如果脈沖能量過高，會增大熱影響區(qū)和熱損耗。

然而，微水導(dǎo)激光切割技術(shù)耦合難度較大，為了提高激光利用效率，不但要保證激光束最大限度地進(jìn)入噴嘴口，還需盡可能地實(shí)現(xiàn)全反射，對工藝的精度要求較高。由于水對不同波長的激光吸收程度不同，因此，激光波長也受到了限制。

5 整形激光多焦點(diǎn)切割技術(shù)

整形激光切割技術(shù)基于光波衍射，利用衍射光學(xué)元件將激光沿焦深方向調(diào)整為多個焦點(diǎn)，從而提高加工深度。用單個焦點(diǎn)掃描SD層時需要多次調(diào)整焦深來實(shí)現(xiàn)不同深度的多次掃描，如果采用多焦點(diǎn)切割技術(shù)，多個焦點(diǎn)可以同時工作，提高切割效率，而且單焦點(diǎn)多次切割會增加粗糙度，多焦點(diǎn)切割相比而言切割質(zhì)量更好。研究表明，采用整形技術(shù)將激光光斑整形為橢圓形，不僅可以提高切割速度，而且可以得到更加平滑的側(cè)壁表面[7]。

6 結(jié)語

本文介紹了傳統(tǒng)金剛石切割技術(shù)和激光切割技術(shù)，著重介紹了新型激光切割技術(shù)：激光隱形切割技術(shù)、微水導(dǎo)激光切割技術(shù)和整形激光多焦點(diǎn)切割技術(shù)，激光切割技術(shù)正處在蓬勃發(fā)展階段，各種新型切割技術(shù)不斷涌現(xiàn)，這些新型切割技術(shù)在一定程度上提高了晶圓切割工藝的效率和質(zhì)量，但也不可否認(rèn)仍存在或多或少的不足之處，伴隨全球半導(dǎo)體市場需求升級，作為半導(dǎo)體晶圓制造的重要環(huán)節(jié)，晶圓激光切割前景廣闊。