硼硅酸鹽玻璃晶片激光標識的制作技術

李 悅

(北京大學微電子研究院微米/納米加工技術國家重點試驗室,北京 100871)

硼硅酸鹽玻璃晶片激光標識的制作技術

李 悅

(北京大學微電子研究院微米/納米加工技術國家重點試驗室,北京 100871)

晶片標識碼的手寫方式存在不美觀、字體邊緣玻璃蹦渣及劃痕深等缺點。某些MEMS工藝玻璃-Si鍵合片需KOH腐蝕。采用手寫,KOH通過玻璃片標碼部位侵入晶片正面而腐蝕器件結構。因此,采用波長10640 nm CO2激光器針對玻璃晶片進行激光標識制作的打標工藝。研究中分別改變激光平均輸出功率、脈沖頻率及掃描速度,借助目視、金相顯微鏡及動態三維光學輪廓儀來觀察標識碼的清晰度、是否產生裂紋及字體凸起程度,了解它們與上述參數間相互對應關系。重點解決清晰度與凸起高度的矛盾,從而得到清晰、無裂紋且凸起高度滿足后續半導體納米級加工工藝要求的激光標碼技術。結果表明：脈沖頻率對清晰度、裂紋產生及凸起高度無顯著影響；平均功率與清晰度及凸起程度呈正比例關系,與裂紋產生無相關性；掃描速度與清晰度、裂紋產生的可能性及凸起高度呈反比關系。采用40%平均功率,20 kHz頻率,150 mm/s 掃描速度及單線字體(JCZ Single Line)進行標刻時,標識碼在目視及鏡檢下清晰可視,無微細裂紋,輪廓儀測量結果顯示字跡凸起高度為185 nm。應用上述條件標碼的玻璃片與Si鍵合并在KOH中腐蝕5 h后無KOH進入晶片正面的現象發生。

CO2激光器；激光打標；清晰度；凸起高度；平均功率；脈沖頻率；掃描速度；玻璃晶片

1 引 言

激光是20世紀60年代發展起來的一門新興科學,它具有高亮度、高方向性、高單色性及高相干性的特點。激光束經透鏡聚焦以后能在焦點處產生數千乃至上萬攝氏度的高溫,因此使其可能對幾乎所有材料進行加工[1]。激光打標是利用激光的熱效應燒蝕掉物體表面材料從而留下永久標記的技術,與傳統的電化學、機械等標記方法相比具有無污染、高速度、高質量、靈活性大、不接觸工件等優點。目前激光打標已經在很多領域取代傳統的打標方式而成為常規的加工方式[2]。

晶片加工過程中,在其特定位置上制造標識碼將大大提高其加工歷史的可追溯性。半導體微電子行業大量采用的Si晶片,根據行業標準,購入時本身已具有標碼?？蒲袉挝徊捎玫男〕叽绮ＡЬ?因某些原因無法實現自帶標碼,解決方法是采用人工借助劃片筆的書寫方式。其弊端包括：書寫不規范且因人而異、字體無法控制很小而不能反映更多信息、無法產生美觀效果、書寫力度無法精確控制而產生玻璃蹦渣并造成較深劃痕。另外一種情況是：某些MEMS工藝需要將分別形成一定結構的Si-玻璃鍵合片在KOH中進行長達數小時的腐蝕以減薄Si。若在工藝的開始階段針對玻璃晶片進行手工標碼,其弊端將影響晶片邊緣的鍵合效果。在隨后KOH腐蝕工藝中,腐蝕液體將從2個鍵合晶片邊緣的標碼處進入Si及玻璃晶片正面,破壞正面已形成結構并最終造成晶片報廢。目前針對流程中包含鍵合及KOH腐蝕工藝的晶片,采取的方法是在鍵合工藝之后,用人工方式在玻璃片的背面手工標碼,此種情況給工藝管理造成不便,也是一種無奈之舉。針對上述情況,本單位購入激光打標設備,開發出玻璃晶片激光標識技術并取得良好效果。

2 打標技術與工藝研究

2.1 激光打標技術與激光打標機

激光打標技術是一種新標記工藝。近年來,隨著激光器可靠性及實用性的提高,加上計算機技術的迅速發展和光學器件的改進,促進了激光打標技術的發展。激光打標是利用高能量密度的激光束對目標作用,使目標表面發生物理或化學變化,從而獲得可見圖案的標計方式。高能量的激光束聚焦在材料表面,使材料迅速氣化,形成凹坑。隨著激光束在材料表面有規律地移動,同時控制激光的開斷,激光束也就在材料表面加工成一個指定的圖案[3]。

激光打標機是綜合激光、光學、精密機械、電子和計算機等技術于一體的機電一體化設備。它主要由激光器、光學系統和控制器組成,其中控制器為核心部件。在激光打標方式中,現在常用的有掩模方式和掃描方式[2]。本研究采用北京鐳杰明激光科技發展有限公司所生產的LJM-FB-20-10型激光打標機。該設備分別配有德國IPG光纖激光器及美國Synrad CO2激光器、高速掃描振鏡系統、聚焦鏡、工作臺、電源控制系統及工控機。其工作原理采用掃描方式：待標刻信息輸入計算機,后者按事先設計好的程序控制激光器及掃描振鏡,其結果使得經過特殊光學系統變化的高能量激光點在被加工表面上掃描運動從而形成標記。為了能夠在玻璃材料上制作激光標碼,必須要保證盡量多的能量被玻璃材料所吸收,盡量少的能量穿透玻璃材料。針對石英材料透射波長處于0.14～4.5 μm[4]的特性,研究中采用波長10640 nm的CO2激光器。激光器型號：美國Synrad 48-1,技術參數：發射波長：10640 nm；額定平均輸出功率：10 W； 脈沖重復頻率：1～25 kHz； 脈沖寬度：40 μs；脈沖峰值功率：<30 W。高速振鏡系統:美國 Cambridge。

2.2 打標工藝

研究中采用德國Planoptik公司生產的直徑100 mm、厚度0.5 mm的Borofloat33型硼硅酸鹽玻璃晶片,分別采用目視、Olympus BX51M 金相顯微鏡及Bruker動態三維光學輪廓儀等觀察測量手段來了解標識清晰度、微觀形態、微細裂紋及凸起高度。實驗中每次改變某一工藝參數而維持其他參數不變,以此來觀察工藝結果與變化的工藝參數間對應關系。不同工藝參數選取范圍分別為：平均輸出功率：20%～100% W(n%表示額定平均輸出功率的比例)；脈沖頻率：1～20 kHz；掃描速度：50～400 mm/s；標刻字體形式：單線、雙線及填充。表1～表3分別為不同脈沖頻率、相同掃描速度及相同字體下平均功率與工藝結果的對應關系。需要說明的是：當采用較小的平均功率如20% 時,標識碼會出現在目視情況下可見而顯微鏡下不可見的現象。這主要是由于目視的觀察范圍及角度大,另外原因是玻璃材料透明的特性。

表1 1 kHz頻率,90mm/s掃描速度下平均功率對工藝結果的影響

表2 5 kHz頻率,90 mm/s掃描速度下平均功率對工藝結果的影響

表3 20 kHz頻率,90 mm/s掃描速度下平均功率對工藝結果的影響

表4為50%平均功率、20 kHz脈沖頻率、不同字體形式下掃面速度與工藝結果的對應關系。

表5為40%平均功率、20 kHz脈沖頻率、不同字體形式下掃面速度與工藝結果的對應關系。

表6為基于所有實驗結果而得到的參數與結果間對應關系的總結。

表4 50%平均功率,20 kHz頻率下掃描速度對工藝結果的影響

表5 40%平均功率,20 kHz頻率下掃描速度對工藝結果的影響

表6 工藝參數與工藝結果的對應關系

2.3 Si-玻璃晶片陽極鍵合工藝

鍵合工藝分別采用4 in、n型、(100)面、厚度520 μm和電阻率2～4 Ω·cm的單面拋光單晶Si晶片和上述Borofloat 33型硼硅酸鹽玻璃晶片作為襯底材料。Si及玻璃片在工藝開始的第一步分別采用光纖、CO2激光器及優化的工藝條件進行標識碼制造。針對玻璃片,依據研究結果采用平均功率40%、頻率20 kHz及掃描速度分別為90、150、200 mm/s 的三種工藝條件。打標后兩種晶片分別按設計流程進行各自的半導體加工工藝而形成不同結構。具有一定結構的Si片及玻璃片在一定真空、電壓、壓力及溫度下進行正面邊緣(5mm)的陽極鍵合工藝,隨后進行長達5 h的KOH腐蝕工藝。腐蝕后的鏡檢顯示鍵合效果非常理想,三種工藝條件下無任何KOH鉆蝕現象發生,激光標識的制作工藝完全適用于陽極鍵合及KOH腐蝕工藝。圖1為采用150 mm/s掃描速度、KOH腐蝕后的玻璃片標識碼顯微鏡照片。照片提示字體清晰美觀,無任何微細裂紋發生,Si的鍵合面非常完整,沒有任何腐蝕。注：顯微鏡鏡頭面對玻璃片背面,字體“8”位于玻璃片正面(玻璃鍵合面),與其相接觸的灰色背景為Si片正面(Si鍵合面)。

圖1 KOH腐蝕后顯微鏡照片(5倍)

作為參考,圖2為兩種晶片邊緣鍵合效果不理想,腐蝕工藝中KOH液體從邊緣進入晶片正面從而腐蝕器件結構的顯微鏡照片。

圖2 KOH腐蝕后顯微鏡照片(5倍)

3 分析及討論

本研究中可控的主要工藝參數為激光平均輸出功率、脈沖重復頻率和掃描速度。

3.1 平均輸出功率及脈沖重復頻率

激光打標的效果主要取決于激光束作用在工件材料上的功率密度及作用時間[2]。本研究中光斑的大小為固定值,功率密度由功率大小決定。

研究結果表明：隨功率增加,標識字體逐漸清晰,其原因是：隨功率增加,功率密度增高,玻璃材料受熱融化程度增大,其結果造成受熱融化的玻璃材料體積增大并主要表現為字體凸起高度逐漸變大從而造成清晰度升高。值得注意的是當所采用的平均功率較小時,標識雖然在目視條件下尚可,但在顯微鏡下因凸起高度變小及材料透明從而變得模糊。由此可見,為保證鏡檢的目的及效果,不論采用多大的脈沖頻率進行打標,平均輸出功率不宜采用太低,其下限值應保證標識碼在目視及鏡檢的條件下都有較好的清晰度。

研究結果同時表明：脈沖頻率的變化對于工藝結果無顯著影響,這主要是因為玻璃材料的低熔點(<600 ℃)特性所造成的。當玻璃材料接受足夠的激光能量而受熱融化時,其膨脹效果掩蓋了頻率變化所起的作用。另外一個可能的原因是來自于CO2激光器的較高脈寬。

3.2 掃描速度

掃描速度決定了激光能量在待加工材料上停留的快慢。掃描速度慢,意味著待加工材料接受激光能量大,玻璃材料融化程度高,字體凸起高,清晰度高。掃描速度快,意味著待加工材料接受激光的能量小,其所造成的工藝結果則相反。由于玻璃材料的脆性及其不良導熱性,當其單位時間內所接受的激光能量過大時,因熱應力的影響,在標記周圍將產生微細裂紋。研究發現：當掃描速度低于某個數值時,無論采用何種標刻字體及平均功率進行標刻,其結果都會在字體四周產生微細裂紋。反之,當掃描速度等于或高于某個數值時,均不會發生裂紋現象。掃描速度成為微細裂紋是否出現的關鍵因素,在此研究中,是否出現微細裂紋的臨界速度為90 mm/s。隨速度的進一步增加,熱融化程度降低,字體高度降低,清晰度變差。當采用40%平均輸出功率、20 kHz脈沖頻率及150 mm/s掃描速度進行標刻時,在清晰度得到滿足的條件下所獲得的標識字體高度僅為185 nm,此高度滿足后續的納米級工藝加工的需要。另外需要說明的是：掃描速度的變化對激光光斑重疊度的影響因為玻璃材料的不良導熱性而融化的特點而無法觀察到。

4 結 論

借助CO2激光器對玻璃晶片進行激光標識制作技術的研究,明確了工藝參數與工藝結果的對應關系,針對硼硅酸鹽玻璃材料,平均輸出功率及掃描速度均對標識工藝結果產生影響,脈沖頻率的作用則表現不明顯。數據顯示當采用40%平均功率,20 kHz 脈沖頻率及90～150 mm/s 掃描速度進行激光標識的制作時,所得標碼外形美觀、清晰可辨、無微細裂紋且字體凸起高度滿足后續納米級半導體加工工藝要求。

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[3] YANG Hongxing,LIU Xiaowei,CHEN Yanan,et al.Application of laser technology in semiconductor industry[J].Equipment For Electronic Poducts Manufacturing,2010,39(2)：10-13.(in Chinese) 楊洪星,劉曉偉,陳亞楠,等.激光技術在半導體行業中的應用[J].電子工業專用設備,2010,39(2)：10-13.

[4] YU Huaizhi.Infrared optical materials[M].Beijing:National Defense Industry Press,2007:52.(in Chinese) 余懷之.紅外光學材料[M].北京：國防工業出版社,2007：52.

Laser mark technology for borosilicate glass wafer

LI Yue

(National Key Laboratory of Nano/Micro Fabrication Technology,Institute of Microelectronics,Peking University,Beijing 100871,China)

Wafer mark is very important on both process management side and wafer history track. Glass wafer used for R&D lab does not have mark before process. Some labs make mark by using diamond material manually,and this will have disadvantages such as crack and excess mark depth,which affect the following process step. The glass wafer was marked by using 10640 nm CO2laser. During the work,the effect of laser average power,pulse frequency and scan speed on mark definition was studied,and crack and mark height were observed by eye inspection,metalloscope and 3D optical profiler. The results show that the effect of pulse frequency on mark definition,crack and mark height is not obvious;the average power is proportional to mark definition and mark height,and is irrelevant to crack;scan speed is inversely proportional to make definition,crack and mark height. Under the condition of 40% average laser power,20 kHz pulse frequency and 150 mm/s scan speed,there are clear definition,non-crack and 185 nm in height glass wafer mark. The overall result shows that the proposed method is robust.

CO2laser;laser mark;definition;mark height;average power;pulse frequency；scan speed;glass wafer

1001-5078(2015)01-0017-05

李 悅(1964-),男,大學本科,高級工程師,主要研究方向為納米工藝技術及納米工藝加工設備。E-mail：liyue@ime. pku.edu.cn

2014-05-15;

2014-06-05

TN305.2

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.01.004