紫外激光在半導體芯片切割中優(yōu)勢的研究

王 磊

(河北半導體研究所，河北石家莊050051)

激光技術、半導體技術、原子能、計算機是20世紀四項重大發(fā)明，四十多年來，隨著小型電子產(chǎn)品和微電子器件需求量的日益增長，激光加工技術得到了迅速的發(fā)展，尤其最近十年來在紫外激光技術方面所取得的重要進步，使得激光技術和半導體技術結(jié)合得更加緊密，也極大地推動了半導體技術的發(fā)展，紫外激光在半導體芯片加工領域的應用主要包括：芯片切割、晶元鉆微孔、晶元打標、激光調(diào)整薄膜電阻、激光測量、激光刻蝕、深紫外光投影光刻等方面，而在這些應用中，為了適應不斷發(fā)展的大規(guī)?；a(chǎn)，從產(chǎn)量和成本角度來看，傳統(tǒng)的管芯分離技術也不再實用，紫外激光切割技術將成為具有巨大潛力的應用，他將成了這類應用的關鍵技術，本文著重論述紫外激光對半導體芯片切割的影響。

1 紫外激光切割技術概況

激光按波長可分為中紅外光激光、紅外激光、綠激光、紫外激光(見圖1)。

圖1 激光波長譜線

圖1激光波長譜線波長激光還有一個分類是按波長分中紅外光、紅外光、綠光、紫外光等激光還有一個分類是按波長分中紅外光、紅外光、綠光、紫外光等。

激光廣泛應用的基礎在于它的特性。由于激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性四大特性，因此就給激光加工帶來一些其它加工方法所不具備的特性，它可在一個狹小的方向內(nèi)有集中的高能量，因此利用聚焦后的激光束可以對各種材料進行切割。

1.1 為何要選用紫外激光

大部分半導體材料對紫外波段的光線都有很好吸收,以單晶硅在不同波段的吸收為例(見圖2)。

圖2 單晶硅在不同波段的吸收

1.2 紫外激光切割原理

當采用紫外波段的激光加工半導體材料時，被加工材料通過自由電子所吸收的激光能量充分作用在材料分子的化學鍵上(見圖3 a)，由于紫外光聚焦光斑細，光子能量相對較高，可將材料化學鍵打斷(見圖3 b)。生成物所占據(jù)的空間體積迅速膨脹，最終以體爆炸形式迸射分離母體并帶走過剩的能量,熱區(qū)影響小(見圖3 c)。在此加工過程，由于沒有熱量產(chǎn)生，所以紫外激光的加工過程，又稱之為“冷加工”，切割完成后通過相應的裂片工藝使每個芯片分開。由于這種特別波長和頻率的激光作用到待加工材料上的能量只有幾瓦甚至是毫瓦級，在外貌和內(nèi)部都沒有熔融質(zhì)料，正面和背面用眼睛也幾乎看不到刀痕和崩邊，這為芯片生產(chǎn)商縮小切割道寬度，增加單位面積芯片數(shù)量以降低成本提供了較大的空間。由于短波長的紫外激光幾乎沒有熱損傷，所以質(zhì)料不需要冷卻，整個切割過程都是在完全干燥的環(huán)境中進行。而熔融的質(zhì)料也被汽化，所以質(zhì)料外貌完全沒有沾污，這也很好地解決了半導體晶圓片怕沾污的問題。

圖3 紫外激光切割原理示意圖

2 紫外激光切割技術在半導體行業(yè)應用的優(yōu)勢

2.1 傳統(tǒng)的切割方法

在過去的二三十年里，砂輪切割是切割工藝的主流技術。在這種切割方式下，金剛石刀片以每分鐘3萬轉(zhuǎn)到4萬轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速切割晶圓的切割劃道部分，其表面突起鋒利的高硬度金剛石顆粒對切割部進行鏟挖，同時載著晶圓的工作臺以一定的速度沿刀片與晶圓接觸點的切線方向呈直線運動，而切割晶圓產(chǎn)生的硅屑被去離子水沖走。近幾年隨著器件集成度的增加,芯片尺寸、切割道寬等相應地不斷縮小。晶圓及芯片的厚度越來越薄，但由于半導體材料的脆性，傳統(tǒng)切割方式會對晶圓的正面和背面產(chǎn)生機械應力，而高速的水流也會給晶圓帶來形變壓力，結(jié)果在芯片的晶體內(nèi)部產(chǎn)生應力損傷,容易產(chǎn)生崩邊現(xiàn)象，同時產(chǎn)生碎屑污染，降低芯片的機械強度，初始的芯片邊緣裂隙在后續(xù)的封裝工藝中或在產(chǎn)品的使用中會進一步擴散，從而可能引起芯片斷裂，導致電性能失效。

2.2 紅外激光切割方法

紅外激光切割技術主要是通過待加工的材料吸收激光之后(見圖4a)，利用聚焦到被加工部位的熱量來熔化材料(見圖4b)，使材料及表面的涂層被融解并蒸發(fā)(見圖4c)，在被加工的材料產(chǎn)生一定深度(可調(diào))的橫斷面，在此過程中會形成大的熱效應區(qū)域(見圖4d)，紅外波段的激光一般能量較大，適合大功率切割的需要，但一些物質(zhì)對該波段吸收不明顯，存在局限性，此外，由于激光波長長，熱效應明顯，劃縫有一定傾斜角，存在有部分熔融現(xiàn)象。

圖4 紅外激光切割原理

2.3 先進的紫外激光切割技術

用紫外激光對晶圓進行精密切割是晶圓尤其是易碎的化合物半導體晶圓切割的替代工藝。

紫外激光能對所有第III-V主族材料包括第IV主族材料如硅(Si)和鍺(Ge)的晶圓以及砷化鎵(GaAs)晶圓進行工藝處理。無論是薄的還是厚的晶圓片，由于紫外光的波長在0.4μm以下,并且聚焦點可小到亞微米數(shù)量級,使得紫外激光在芯片劃切時,紫外激光工藝的切口 (在切割時材料損失的部分)比其他技術的更窄，切口寬度均小于3μm，并且切口更緊密、切口邊緣更平直、更精細和更光滑，芯片的機械強度也要高出很多。由于紫外激光具有良好的聚焦性能和冷處理的特性,使得紫外激光可以加工極其微小的部件；不僅如此，可以被用來加工紅外和可見光激光器加工不了的材料。從而使紫外激光有更高的靈活性和更廣的應用場合。

2.3.1 紫外激光切割帶來切割速度上的變革

傳統(tǒng)的機械切割切割速度由于受到電機，機械傳動等的限制，一般速度在5～20mm/s之間,加工時根據(jù)材料以及進給深度等參數(shù)進行選擇，而紫外激光切割由于光學特性決定，其切割速度必將得到極大的提高，其切割速度與切割材料厚度的關系(見表1)。

表1 紫外激光切割速度與切割材料厚度的關系

通過對比我們知道，紫外激光切割工藝的切割速度遠遠大于傳統(tǒng)切割技術的速度，尤其在薄芯片切割時紫外激光切割速度更是傳統(tǒng)切割速度的10倍以上，例如100μm厚的砷化鎵(GaAs)晶片，利用紫外激光切割，切割速度可達到150mm/s以上。如用傳統(tǒng)機械切割速度一般為15mm/s。

2.3.2 單位面積的晶圓創(chuàng)造了更大的產(chǎn)能

在市場需求驅(qū)動下，裸片尺寸越來越小，成本不斷降低。切割槽寬度從100μm降到30μm左右，如何在晶圓上分裂出更多數(shù)量的裸片，給芯片切割工藝帶來新的挑戰(zhàn)。30μm的尺寸超出了傳統(tǒng)砂輪切割工藝允許的極限。而采用紫外激光切割工藝后，則完美地解決了這一問題，不僅切割槽寬度進一步降低到15～20μm。用于阻止表面裂紋發(fā)生的區(qū)域也可以省掉。這樣整個晶圓因此而節(jié)省了很大的面積。尤其砷化鎵(GaAs)晶圓這種成本較高的材料，其意義就更加明顯。

2.3.3 紫外激光帶來更高的成品率

傳統(tǒng)的切割工藝不僅速度低，能造成裸片邊緣的破碎，有時還可能因此而毀掉裸片。而越來越狹窄的切割槽要求，要求鋸片有非常薄的厚度，而這又使得鋸片很容易磨損，帶來成本上的增加。隨著紫外激光技術的不斷進步和創(chuàng)新，短波長紫外激光具有極大的工藝靈活性，具有極好的光束質(zhì)量和極高的重復率，可以調(diào)整脈沖形狀、重復率、色譜、光束質(zhì)量等等。諧波生成技術使更短波長的激光能夠用于處理各種不同的材料，并具有精細工藝所要求的最小光束直徑，激光的光束直徑約為1μm。對在355 nm和266 nm波長處激光所進行的開發(fā)，使它們特別適合于晶圓切割應用。因為此種切割方法是在非接觸、完全干燥的環(huán)境中進行，完全沒有熔融質(zhì)料，沒有污染源，沒有機械損傷，不僅提高了半導體芯片切割的產(chǎn)能，同時對芯片性能影響極小，容許晶圓的形變和彎曲，其切割速度遠高于傳統(tǒng)機械切割方法，其切口質(zhì)量也優(yōu)于紅外激光切割工藝，帶來成品率的提高。

3 實驗與分析

為了對比傳統(tǒng)的砂輪切割和紫外激光切割對半導體芯片的切割效果，我們通過100 mm(4英寸)的砷化鎵（GaAs）晶片，單個晶片尺寸為2 mm×3mm×80μm，預留劃道寬度70μm，分別在兩種機器上做了工藝實驗見表2。

表2 傳統(tǒng)的砂輪切割和紫外激光切割比較

圖5 傳統(tǒng)的砂輪切割芯片效果

圖6 紫外激光切割芯片效果

通過分析以上的切割效果我們發(fā)現(xiàn)，紫外激光切割技術具有如下優(yōu)點：

(1)紫外激光切割具有高的切割質(zhì)量、高的切割速度，切割完成后芯片背面無崩邊現(xiàn)象，切口窄，切口邊緣整齊；

(2)激光加工過程中無“刀具”磨損，不接觸晶片，無“切削力”作用于工件，因此無機械變形；

(3)激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非激光照射部位沒有或影響極小,其熱影響的區(qū)?。?/p>

(4)激光束易于導向、聚焦、實現(xiàn)方向變換，易與數(shù)控系統(tǒng)配合，可對復雜工件進行靈活加工。

4 結(jié)束語

由于紫外激光切割技術在半導體芯片切割中的優(yōu)勢，國外已經(jīng)廣泛采用這項工藝技術，特別是在一些高端的芯片 (如薄芯片、GaAs晶圓)和量產(chǎn)的芯片(如藍光LED制造)方面。目前來看紫外激光技術還有很大的待開發(fā)潛能，它將在單位晶圓裸片數(shù)量和縮短投資回收期方面有進一步的發(fā)展，它將為半導體芯片切割開拓出一片嶄新的前景。

[1]俞君，曾智江，朱三根，龔海梅.紫外激光在微細加工技術中的優(yōu)勢研究[J].紅外,2008,29(6):9-12.

[2]唐元冀.激光切割在工業(yè)上應用的現(xiàn)狀[J].激光與光電子學進展,2002,39(1):53-56.

[3]VON TRAPPF.晶圓劃片:膠著境地[J].半導體科技,2007,6:32233.

[4]PERROTTET D,DURRANT P,RICHERZHAGEN B.Water2 jet2guided laser technology:a damage2free dicing solution[J].IEEE Trans on Advanced Packaging,2006,29(6):12214.

[5]廖凱.“魔法”激光劃片-MAHOH[J].中國集成電路,2006,88(9):40-42.

[6]范亞飛.MEMS劃片技術的現(xiàn)狀與技術革新[J].半導體技術，2008,33(4):296-299.