隱形劃片技術(shù)及其在MEMS制造中的應(yīng)用

劉成群，程壹濤

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊050051)

集成電路制造過程中，晶圓劃片是一項(xiàng)非常重要的工藝，它是采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)刀片或激光，沿集成電路設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留的切割道運(yùn)動(dòng)，將晶圓分離成一個(gè)個(gè)具有獨(dú)立電氣性能的芯片的過程。傳統(tǒng)劃片工藝多采用機(jī)械式旋轉(zhuǎn)刀片切割方式，電路集成密度高的晶圓、高速低功耗芯片晶圓、有特殊結(jié)構(gòu)芯片的晶圓多采用激光劃片。

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）即微電子機(jī)械系統(tǒng)，是指在幾毫米乃至更小晶圓面積內(nèi)，構(gòu)造復(fù)雜的機(jī)械、電路結(jié)構(gòu)，通過半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)不同能量形式間轉(zhuǎn)換的一種電子機(jī)械器件。MEMS芯片內(nèi)一般包含微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器和控制電路，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換形式的不同，一般分為傳感器和執(zhí)行器兩類。MEMS與一般集成電路的不同在于，集成電路是電信號(hào)的傳輸、轉(zhuǎn)換及處理，而MEMS是電信號(hào)和其他形式能量（以機(jī)械能為典型）之間的轉(zhuǎn)換和處理，所以在MEMS制造中往往需要利用半導(dǎo)體工藝在晶圓內(nèi)制作懸梁、薄膜、空腔、密封洞、針尖、微彈簧等復(fù)雜的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，這些微機(jī)械結(jié)構(gòu)容易因機(jī)械接觸而損壞、因暴露而沾污。因此，MEMS晶圓能承受的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)小于普通集成電路晶圓，這對(duì)MEMS晶圓劃片工藝提出了更高的要求。

1 普通劃片工藝及其缺陷

1.1 旋轉(zhuǎn)刀片機(jī)械切割方式

傳統(tǒng)的晶圓劃片采用旋轉(zhuǎn)刀片機(jī)械切割方式，通過高速旋轉(zhuǎn)的金剛石刀片劃切晶圓完成材料的去除，實(shí)現(xiàn)由晶圓到芯片的分割。硅基MEMS晶片的主材料是單晶硅，硅材料脆性較強(qiáng)，因刀片切割方式帶來的崩角、分層和剝離等缺陷會(huì)更加突出。此外，旋轉(zhuǎn)刀片機(jī)械式切割是接觸式劃片作業(yè)，這種劃片方式存在以下弊端：

（1）刀具劃切在晶體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力損傷，其產(chǎn)生的晶圓崩邊和裂紋極易延伸到芯片內(nèi)，影響芯片內(nèi)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。刀具劃片對(duì)厚度100μm以下的晶片極易導(dǎo)致碎片。

（2）接觸式切割過程中，刀片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力、扭力以及振動(dòng)，會(huì)對(duì)MEMS芯片中機(jī)械微結(jié)構(gòu)造成不可逆的破壞。

（3）刀具的劃切線寬度較大，能夠達(dá)到的最細(xì)劃切線寬也在25～35μm。

（4）效率較低。刀具劃片進(jìn)給速度一般在40～80 mm/s,劃片速度較慢，且切割不同材料的晶圓片需要更換不同的刀具。刀片有磨損，運(yùn)行中需要使用純水進(jìn)行冷卻和沖洗，有后期成本和運(yùn)行成本，更換刀片也存在時(shí)間成本。

（5）刀具劃片過程中，用以刀片冷卻和晶圓沖洗的純水產(chǎn)生的沖擊力，會(huì)對(duì)MEMS晶圓內(nèi)的結(jié)構(gòu)體造成應(yīng)力負(fù)荷。切割的碎屑會(huì)造成的晶片沾污。采用保護(hù)膜保護(hù)晶片則會(huì)增加保護(hù)膜涂布和去除的成本和費(fèi)用。

綜上，旋轉(zhuǎn)刀片機(jī)械切割方式不適用于MEMS晶圓劃片。

1.2 激光表面切割方式

激光表面切割方式采用紅外納秒激光器或者紫外激光器，利用具有一定能量的激光束聚焦照射在晶圓表面,被照射點(diǎn)的晶圓材料吸收激光能量，發(fā)熱、局部熔蝕、氣化蒸發(fā),達(dá)到劃片的目的。激光表面切割劃片是非接觸加工，不對(duì)晶片產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力作用，晶片損傷較小、損率低，切割線細(xì)、切割效率高。此種“熱燒蝕”方式缺陷是：

（1）同刀片切割晶片一樣，激光表面切割方式有切割痕跡，切割線邊緣有碎屑剝落；

（2）在切割線外圍存在較大熱影響區(qū)域(Heat affected zone，HAZ)損傷，極易導(dǎo)致表面分層、微裂紋問題，影響切割后器件性能及可靠性；

（3）激光表面切割時(shí)，燒灼、熔融的晶圓材料產(chǎn)生的殘余物會(huì)污染晶面，部分晶圓材料如GaAs等熱分解會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，處理繁瑣；

（4）部分晶圓材料對(duì)該波長范圍的激光吸收作用有限，應(yīng)用范圍受限。

綜上所述，對(duì)于生產(chǎn)MEMS器件這樣要求嚴(yán)苛的晶圓，對(duì)于采用復(fù)合材料的高速低功耗器件的晶圓，激光燒蝕切割方式也不能滿足應(yīng)用需求。

2 隱形切割技術(shù)

2.1 激光隱形切割技術(shù)的原理

隱形切割技術(shù)是將半透明波長的激光束聚集在晶圓內(nèi)部，形成一個(gè)分割用的起點(diǎn)（改質(zhì)層：以下稱之為SD層），再對(duì)晶圓施以外力將其分割成小芯片的切割技術(shù)[1]。激光隱形劃片包含激光加工和分割加工兩個(gè)工藝過程。前者在晶圓內(nèi)部形成分割用起點(diǎn)（SD層），后者將晶圓片狀化分割，形成一個(gè)個(gè)單片，如圖1所示。

圖1 激光隱形切割的基本原理

2.2 激光波長的選擇

隱形切割應(yīng)根據(jù)晶圓材料特性選擇激光波長，使激光能夠透射過晶圓表層，在晶圓內(nèi)部形成焦點(diǎn)（即所謂的半透明波長）。首要條件是激光光子能量小于硅材料的吸收帶隙，在光學(xué)上呈透明特性[2]。對(duì)于硅基MEMS晶圓來講，盡管晶片厚度、雜質(zhì)成分及其濃度等因素對(duì)光譜吸收率有影響，單晶硅材料主要吸收波長1 000 nm以內(nèi)包括近紫外波長的光，而對(duì)近紅外的波長較長的光通過率較好。室溫下，忽略晶片上下表面的反射效應(yīng)，單晶硅光譜透過特性見圖2。因此，切割單晶硅材料作基片的MEMS結(jié)構(gòu)晶片時(shí)，通常選擇波長為1 080 nm的紅外激光，以便激光透過晶圓表面，在聚焦透鏡等光學(xué)機(jī)構(gòu)的作用下，在晶圓上下表面之間的中間層可選擇的聚焦。同時(shí)，盡可能地減少入射表面和激光焦點(diǎn)之間的材料層對(duì)激光的吸收作用。

圖2 單晶硅光譜透過特性

2.3 激光器的選擇

激光隱形切割設(shè)備均選擇超短脈沖超快激光器。除上述對(duì)激光波長的要求外，隱形切割技術(shù)要求使用極短脈沖寬度、高峰值功率和高脈沖重復(fù)頻率的激光器。例如WL200Plus使用基于SESAM、克爾透鏡等鎖模技術(shù)的脈沖寬度在400 fs量級(jí)的激光器，多數(shù)設(shè)備采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，高精密實(shí)時(shí)焦距校正系統(tǒng)（DRA）。

2.4 激光作用機(jī)理

隱形切割采用重復(fù)頻率很高的超短脈沖激光束，脈沖寬度時(shí)間小于1×10-12s，可以被高度壓縮到衍射閾值水平，這種激光束對(duì)材料光學(xué)特性為半透明，通過物鏡機(jī)構(gòu)選擇聚焦到晶圓上下表面之間的中間層。在聚焦透鏡等光學(xué)機(jī)構(gòu)的作用下，這種在時(shí)間上高度壓縮的超短脈沖激光束在焦點(diǎn)附近的空間上高度聚焦壓縮，形成極高的功率密度[3]。焦點(diǎn)區(qū)域的晶圓材料吸收激光的高峰值功率，發(fā)生多光子吸收效應(yīng)，將電子從材料中激發(fā)，形成自由電子，隨后由于庫倫斥力而產(chǎn)生微爆，直接破壞材料結(jié)合的分子鍵或原子鍵，產(chǎn)生非線性吸收效應(yīng)。單晶硅結(jié)構(gòu)收縮，晶狀改變，生成一層多晶結(jié)構(gòu)的改質(zhì)層。同時(shí)，非線性吸收效應(yīng)引起局部點(diǎn)出現(xiàn)極高的收縮，激光焦點(diǎn)上下兩側(cè)的單晶結(jié)構(gòu)因非線性吸收應(yīng)力而產(chǎn)生裂痕，形成向晶片正反兩個(gè)表面延伸的“龜裂”，這種龜裂現(xiàn)象是促使晶片分割的重要因素。通常將上述的改質(zhì)層及其周邊材料的龜裂區(qū)稱之為SD層。然后通過后續(xù)的裂片工藝，晶圓芯片將沿著SD層分離。

圖3是用顯微鏡觀察隱形切割后的硅片樣品的切割斷面圖。由圖3（a）可以看到，沿100μm厚樣品的厚度方向，在晶圓中間層形成的一個(gè)幾微米寬、40μm厚的改質(zhì)層(SD層)。從圖3（b）可以觀察到一條垂直的裂紋，從SD層的頂端和底端向芯片的前后表面延伸。芯片如何分離很大程度上取決于這條垂直裂紋向芯片的前后表面擴(kuò)展的程度。

圖3 隱形切割硅片樣品分割前的斷面圖

為了定性確定SD層的狀態(tài)，對(duì)隱形切割后的一塊100μm厚的硅片進(jìn)行分割和切片。用透射電子顯微鏡(TEM)觀察SD層的結(jié)晶狀態(tài)，如圖4所示。結(jié)果證實(shí)，SD層結(jié)晶態(tài)狀態(tài)發(fā)生了變化，由原來的單晶結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏任诲e(cuò)多晶硅，變化范圍為幾微米。

圖4 隱形切割硅片樣品分割后的斷面圖

2.5 隱形切割SD層應(yīng)力分析

利用垂直于激光掃描方向切割和切片的100μm厚硅片樣品，在晶片未分離狀態(tài)下，采用拉曼光譜學(xué)法分析了SD層及其周邊的應(yīng)力分布。

采用拉曼光譜學(xué)分析方法，分析SD層周圍40μm×40μm的范圍，獲得的應(yīng)力分布的圖像數(shù)據(jù)，如圖5所示。在這個(gè)圖像上，壓縮應(yīng)力用正值表示，拉伸應(yīng)力用負(fù)值表示，晶圓層內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力越大，顏色越深?？梢钥吹?，在激光束焦點(diǎn)附近的SD層產(chǎn)生了非常強(qiáng)大的壓縮應(yīng)力，在SD層的頂部和底部則有非常強(qiáng)大的拉伸應(yīng)力。SD層的局部多晶化所伴隨的體積膨脹是產(chǎn)生這種強(qiáng)大壓縮應(yīng)力的原因。隱形劃片形成的SD層的形成具有極高的長徑比，非常強(qiáng)大的拉伸應(yīng)力集中在SD層的頂部和底部。中心區(qū)壓縮應(yīng)力是高密度位錯(cuò)多晶化的結(jié)果，是龜裂的源頭，上下側(cè)強(qiáng)大的拉伸應(yīng)力，則導(dǎo)致龜裂的形成并向前后表面發(fā)展、擴(kuò)大。

圖5 拉曼光譜應(yīng)力分布分析

3 MEMS器件晶圓的隱形切割

隱形切割方法熱效應(yīng)小、無應(yīng)力損傷、無切屑，幾乎無材料損耗，劃切完成后不用清洗，實(shí)現(xiàn)了完全干式切割，劃切效率高，切道窄，非常適合硅基MEMS器件晶片劃切。

3.1 劃片參數(shù)選擇

切割硅基MEMS器件晶圓時(shí)，激光功率選擇要適中。功率過高會(huì)造成SD層寬，SD層兩側(cè)熱效應(yīng)區(qū)域過大，形成大幅蛇行龜裂。功率過低，SD層變窄，龜裂裂紋向晶片正反表面延伸時(shí)受阻，龜裂紋不能達(dá)到晶圓表面。這兩種情況都會(huì)造成裂片時(shí)晶片不能按照期望的劃切線解裂的情形，導(dǎo)致廢片。當(dāng)切割較厚的圓片時(shí)，需要向深層方向多次照射掃描，形成多個(gè)SD層，使SD層上下相結(jié)合，最終形成最適合分割的SD層，這是非常重要的。某型激光隱形劃片機(jī)，采用波長1 080 nm的激光，脈沖寬度0.2 ps。根據(jù)我們切割Si晶圓MEMS器件的經(jīng)驗(yàn)，工作臺(tái)進(jìn)給速度345 mm/s,激光平均功率在1.5 W時(shí)，SD層厚度約為80μm。一般而言，500μm的硅片需要激光切割的次數(shù)約為6次。

根據(jù)晶圓材料解理特性和厚度不同，SD層大致可以做成三種形態(tài)，如圖6所示。再通過組合排列這三種不同的形態(tài)，便可找出最適當(dāng)?shù)募庸し椒āＲ罁?jù)晶片厚度、芯片形狀、有無介質(zhì)層、有無金屬膜等可以分類出各種不同狀態(tài)、種類不同的工件，針對(duì)不同的工件，有各自最適合的劃切參數(shù)，將其系統(tǒng)化做成數(shù)據(jù)庫，再根據(jù)設(shè)備的不同加以靈活應(yīng)用。

圖6 SD層的三種形態(tài)

3.2 膠膜擴(kuò)張分割芯片

晶片被固定在膠膜上，切割完成后，通過向外側(cè)方向拉伸承載膜，對(duì)晶圓內(nèi)部的龜裂產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。在這種拉伸應(yīng)力下，晶圓內(nèi)部的龜裂向正反兩面延伸，使晶圓片狀化成芯片，如圖7所示。形成SD層時(shí)，令膠膜粘貼面形成半切割（HC）或反面半切割(BHC)的狀態(tài)，較有利于提升芯片的分割性。在此狀態(tài)下使膠膜向晶圓的外側(cè)方向擴(kuò)展，半切割（HC）或反面半切割(BHC)面被拉向外側(cè)方向，拉伸應(yīng)力能集中傳遞到晶圓且集中于裂紋的前端。因?yàn)閼?yīng)力的集中，使得龜裂在一瞬間就能伸展至晶圓表面，將晶圓分割成獨(dú)立的晶片。膠膜擴(kuò)張分割芯片是一種集中應(yīng)力于龜裂前端的工藝，分割芯片時(shí)，芯片與芯片之間無任何干涉和影響，不會(huì)出現(xiàn)芯片邊緣崩缺，也不會(huì)破壞器件中心的薄膜結(jié)構(gòu)，適合MEMS芯片的晶圓分割。

圖7 擴(kuò)膜時(shí)龜裂延伸原理

3.3 應(yīng)用激光隱形切割硅基MEMS晶圓時(shí)的注意事項(xiàng)

（1）對(duì)切割的材料存在一定的要求。如激光隱形切割ML200 plus要求所劃硅片為高阻硅片，同時(shí)需滿足[樣品厚度（cm）/電阻率（Ω·cm）]＜4.3。硅片樣品表面粗糙度對(duì)激光隱形切割的質(zhì)量有明顯的影響，一般而言，樣品表面粗糙度越小，劃片效果越好。

隱形切割的原理是激光聚焦到晶圓內(nèi)部，激光穿過晶片表面時(shí)會(huì)發(fā)生折射。樣品表面粗糙度較大時(shí)，激光在樣品表面發(fā)生折射與慢反射，激光能量無法聚焦到樣品內(nèi)部同一個(gè)位置，對(duì)激光切割的SD層的形成有顯著影響，切割后的SD層質(zhì)量較差，擴(kuò)片后容易造成芯片粘接狀況。表面粗糙度較小的Si片形成的SD層較為規(guī)則，擴(kuò)片容易，芯片斷面質(zhì)量也好。粗糙度Ra＜0.07μm與Ra＞0.07μm硅片切割后的切割效果對(duì)比如圖8所示。

圖8 粗糙度Ra＞0.07μm與Ra＜0.07μm硅片切割后的切割效果

（2）晶圓切割道上不能有激光不能透過的遮光膜。隱形切割通常是激光從器件表面射入晶圓內(nèi)部進(jìn)行加工（表面射入方式），如果激光入射的晶圓表面有遮光膜，從表面導(dǎo)入激光會(huì)難以實(shí)現(xiàn)。硅基MEMS晶圓表面有SiO2膜不會(huì)影響激光射入，如果是SiN材料則會(huì)對(duì)SD層的形成有影響。另外，因?yàn)殡[形切割激光束在晶圓內(nèi)部聚焦，激光在晶圓表面會(huì)有一個(gè)入射角度，因此，必須根據(jù)要切割晶圓的厚度確保激光射入所需的非遮光區(qū)寬度。

（3）采用背面射入方式隱形切割MEMS晶圓。在這種情況下，一定要特別重視晶圓內(nèi)MEMS器件構(gòu)造的保護(hù)，將含有構(gòu)造脆弱的功能器件的一面吸附在工作臺(tái)吸盤上之前，要在吸盤和晶圓之間墊一層多孔式緩沖性能高的彈性襯墊，然后將晶圓兩側(cè)固定在吸盤上。也可以先墊一層多孔式緩沖性能高的彈性襯墊，然后在晶圓背面使用對(duì)激光波長透光性高的隱形切割專用膠膜將晶圓固定，隔著這層膠膜進(jìn)行隱形劃切，加工完成后將膠膜和粘在膠膜上的晶圓從吸盤上取下來直接進(jìn)行擴(kuò)膜，實(shí)現(xiàn)芯片分離，如圖9所示。

圖9 背面入射隱形切割及裂片

（4）當(dāng)前技術(shù)條件下，隱形切割晶圓厚度范圍一般在100～700μm，無法進(jìn)行更大厚度的硅片的切割工藝。采用激光背面射入方式隱形切割的晶圓，背面研磨拋光粗糙度應(yīng)優(yōu)于#2000。

4 激光隱形切割技術(shù)的發(fā)展

切割較厚的晶圓時(shí)，由于需要穿透晶圓材料，激光在聚焦點(diǎn)上會(huì)發(fā)生相位差，不能保持理想的聚光狀態(tài)，因而不能形成良好的改質(zhì)層，導(dǎo)致龜裂的伸展量不足，需要多次掃描才能完成切割。針對(duì)隱形切割大厚度晶圓時(shí)難以完成且效率低這一問題，具有激光相差補(bǔ)償和多點(diǎn)聚焦、多點(diǎn)加工技術(shù)的隱形切割裝置已經(jīng)出現(xiàn)。例如濱松公司的LBA系統(tǒng)（激光束調(diào)整系統(tǒng)，Laser Beam Adjuster）可以通過相差補(bǔ)償技術(shù)對(duì)激光束進(jìn)行控制，使其在任意深度上達(dá)到理想的聚光狀態(tài)，即使切割較厚的晶圓時(shí)，也能形成良好的改質(zhì)層，從而減少掃描次數(shù)[4]。LBA系統(tǒng)還利用多點(diǎn)聚焦技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)加工。憑借相差補(bǔ)償、多點(diǎn)同時(shí)加工技術(shù)一次掃描可以實(shí)現(xiàn)以往7次掃描才能完成的加工工序，效率大大提高。另外LBA不僅可以實(shí)現(xiàn)激光束更好聚焦和多點(diǎn)聚焦，還可以通過光束成形技術(shù)改變改質(zhì)層長度，形成超長改質(zhì)層，提高切割效率的同時(shí)，也拓寬了對(duì)晶圓材料的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)加工Si晶圓的同時(shí)，也可以加工SiC、GaAs、GaN等材料的晶圓，實(shí)現(xiàn)高速低功耗器件化合物晶圓的高品質(zhì)切割。利用LBA相位補(bǔ)償、光束成形技術(shù)，可以先用激光表面射入方式在晶圓內(nèi)生成改質(zhì)層，再進(jìn)行晶圓背面研磨加工（BG），將超長SD層的改質(zhì)層全部研磨，只剩下一側(cè)的龜裂層厚度的晶片，從而得到超薄芯片（20μm左右）。

5 結(jié)束語

激光隱形切割方法劃片質(zhì)量好，劃切效率高，可以實(shí)現(xiàn)不規(guī)則形狀的芯片切割，提高了晶圓出片率。這些優(yōu)勢(shì)使激光隱形切割成為晶圓劃片技術(shù)的主流，更成為MEMS器件芯片制造必不可少的技術(shù)。MEMS器件構(gòu)造的進(jìn)一步小型化、復(fù)雜化和材料的多樣化，對(duì)MEMS晶圓的劃片提出了更高要求，隨著激光技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，特別是激光相差補(bǔ)償、多點(diǎn)聚焦、激光束成形技術(shù)的進(jìn)一步實(shí)用化，激光隱形切割會(huì)速度更快、效率更高，切割質(zhì)量更好，應(yīng)用范圍也會(huì)更廣。