半導體晶圓激光切割工藝研究

林明睿

福州大學梅努斯國際工程學院，福建莆田，350000

0 引言

近年來，隨著光電產業和微電子產業的迅猛發展，宇航、航空、機械、輕工、化工等各個行業整體也向著集成化、小型化方向發展，集成電路的集成度要求越來越高，功能越來越復雜，相應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鍵工序，晶圓切割的質量效果直接影響芯片的性能，根據摩爾定律所述，半導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，傳統的金剛石切割晶圓技術難以滿足高質量生產需求。激光切割晶圓技術應運而生，本文從提高晶圓切割質量、提高晶圓切割速度、解決晶圓切割過程中出現的熱影響區大等問題出發，著重介紹一些新型激光切割工藝的基本原理及優缺點，探索新技術和工藝[1]。

1 傳統金剛石切割技術

傳統金剛石切割晶圓技術作為一種最先應用于集成電路制造工藝的接觸式刀片切割技術，先在晶圓的背面貼上一層藍膜，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，通過主軸高速轉動，以此進行切割。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生的粉塵和雜質。

但近年來隨著光電產業和微電子產業的迅猛發展，高集成度、高性能的半導體晶圓需求逐漸增大，為了提高效能，在現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的低介電常數材料（low-k），這種低k材料難以用普通的金剛石刀輪進行切割，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致如崩缺、裂紋、鈍化、金屬層掀起等現象，嚴重影響切割質量。而且，金剛石切割技術還存在著諸如切割線寬過大（50μm～100μm）、單位面積產量低、刀片易磨損、冷卻液需求大、成本較高、造成環境污染等問題。激光切割晶圓技術作為一種無接觸式切割技術可以較好地解決這些問題。

2 傳統激光劃片切割技術

傳統激光劃片切割技術采用非接觸式半劃工藝，將高能量激光束通過專門的光學系統，形成高能量密度的納米級小光斑，聚焦在晶圓表面，使被照射區域發生熔化、氣化，從而達到去除材料、實現劃片的過程。并且，在激光劃片切割過程中，根據材料自身特性不同，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

半導體晶圓的激光切割主要考慮切割速度和切割質量，具體包括切割速度、材料濺射重凝、熱影響區、裂紋和晶粒強度等。激光切割中激光波長、脈寬、功率和重復頻率等參數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量。據研究數據表明，選擇波長短、脈寬低、功率小、重復頻率加工方式，加工速度快，得到的晶圓具備更好的質量和更大的3點強度，加工熱影響區較小。

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，從而導致晶粒的強度和性能降低；選取二倍頻（532nm）研究功率、掃描速度和頻率、重復頻率和深度、深寬比之間的關系可以發現，采用中等功率和小重復頻率多次掃描會得到更好的切割質量，高功率加工將會產生裂紋崩邊等現象，如圖3所示，重復頻率越高，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DPSS激光器一般使用納秒脈寬，在加工過程中存在熱效應；可以采用窄脈寬的手段來減小熱應力影響，在短脈沖極窄脈寬和極高峰值的作用下，材料在極短時間內被去除，熱影響區很小，大大改善了激光切割后晶粒的質量[2]。

相比金剛石切割技術，雖然傳統激光切割技術擁有速度快、非接觸式切割不存在刀具損耗、晶圓利用率高等優點，但仍存在由于激光切割存在熱效應，熱影響區過大從而使晶圓有效使用面積減小、激光切割產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，與傳統激光劃片切割技術相比，激光隱形切割技術在這些方面可以達到更好的工藝效果，下文將對激光隱形切割技術做出詳細介紹。

3 激光隱形切割技術

傳統激光切割技術基于材料吸收以致燒蝕的機理，將激光聚焦在晶圓表面，由于熔化所致的熱效應會導致晶圓區切縫寬度變大產生微裂縫，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公司發明了一種激光隱形切割技術能夠很好地解決上述問題。

激光隱形切割技術原理為，傳統DPSS激光器發射出激光束，激光通過聚焦透鏡透過晶圓表面聚焦在晶圓的內部，在內部形成高位錯密度層（SD層），SD層方向上產生的微裂縫促進晶圓切割，然后通過擴晶技術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 激光隱形切割技術原理圖

圖3 激光隱形切割技術流程圖

在隱形激光切割過程中，與傳統激光切割技術不同，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、焦點位置等工藝參數選擇都會影響隱形激光切割的加工效果。因為對于隱形激光切割技術，激光通過聚焦透鏡透過晶圓表面聚焦在晶圓的內部，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致激光無法在內部聚焦，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，達不到隱形切割的效果，實驗表明，激光的透過效率大約為90%，設置切割速度為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，光斑重疊率越大，切割的直線度越好，在內部形成的高位錯密度層（SD層）也較寬，截面光滑度比較好。焦點位置也是一個重要的影響因素，焦點的位置影響著激光在內部形成SD層的深度（切割深度）[4]。

與傳統激光切割技術相比，隱形激光切割技術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量，具有更加快速、產品質量更高等優點。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 傳統切割方式和隱形激光切割線寬比較

4 微水導激光切割技術

傳統金剛石切割、傳統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，熱影響區較大、熱變形嚴重，為了減小熱影響區，基于水射流技術，瑞士Synova SA公司研發了一種微水導激光切割技術，作為一種冷切割工藝，微水導切割技術具備無熱效應、無污染、使用成本低等優點，微水導激光切割技術的工作原理圖如圖5所示。

圖5 微水導激光切割技術工作原理圖

微水導激光切割技術將高壓水經過耦合裝置從高壓轉化為低壓（30×105Pa～500×105Pa），產生一束約為發絲大小（21μm～85μm）的微細水射流束，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生反射，水柱作為波導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生一層薄薄的水層，熱量會立刻被水流冷卻，因此，微水導激光切割技術幾乎沒有熱效應，熱影響區很小，而且水流還可以帶走切割產生的殘渣，減少污染。

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選擇都會影響微水導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關系，在相同時間內，如果脈寬增加，則熱作用時長增加，相應的冷卻時間減少。然而，當脈寬超過一定值后，由于熱作用時間太長導致熱損傷過大，反而降低加工質量和效率，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，從而進一步減小熱效應對晶圓切割的影響，另一方面也有助于進一步清除熔渣、毛刺等雜質。但是，當水泵壓力超過一定值后會使水流發散而影響耦合效應和激光切割質量。

加工距離同樣對切割效果有影響，加工距離太短，會使晶圓表面產生積水，當激光透過積水層時會造成能量損失，加工距離太長，水流發散會使冷卻效果減低進而增加熱效應，不利于晶圓切割。單位脈沖能量也是一項很重要的參數，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，會增大熱影響區和熱損耗。

然而，微水導激光切割技術耦合難度較大，為了提高激光利用效率，不但要保證激光束最大限度地進入噴嘴口，還需盡可能地實現全反射，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 整形激光多焦點切割技術

整形激光切割技術基于光波衍射，利用衍射光學元件將激光沿焦深方向調整為多個焦點，從而提高加工深度。用單個焦點掃描SD層時需要多次調整焦深來實現不同深度的多次掃描，如果采用多焦點切割技術，多個焦點可以同時工作，提高切割效率，而且單焦點多次切割會增加粗糙度，多焦點切割相比而言切割質量更好。研究表明，采用整形技術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壁表面[7]。

6 結語

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