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潍坊市易阳真空炉业有限公司
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脉冲激光技术在半导体晶圆领域中的应用

自上世纪六十年代第一台激光器设备问世以来,关于激光及其在各个领域的应用的研究得到了迅猛的发展,近20年来,激光制造技术已渗透入到诸多高科技领域和产业,其中激光技术在半导体领域的应用是最为广泛和活跃的领域之一。

近年来光电产业的快速发展,高集成度和高性能的半导体晶圆需求不断增长,硅、碳化硅、蓝宝石、玻璃以及磷化铟等材料被广泛应用于半导体晶圆的衬底材料。

随着晶圆集成度大幅提高,晶圆趋向于轻薄化,传统的很多加工方式已经不再适用,于是在部分工序引入了激光技术。

在诸多激光技术中脉冲激光特别是超短脉冲激光在精密加工领域应用又尤为广泛,超短脉冲激光是指激光单个脉冲宽度达到甚至小于10-12秒(即皮秒)这个量级的激光。

由于激光脉冲时间宽度极短,在某个频率(即一定脉冲个数)下需要释放设定的激光功率,单个脉冲的激光功率就是固定的,将单个脉冲的能量在极短的时间释放出去,造成瞬时功率极高(兆瓦及以上),瞬间改变材料性质,平均功率很低对材料加工区域热影响很小的加工效果即激光冷加工。

超短脉冲激光加工具有诸多独特的优势:

1. 非接触式加工:激光的加工只有激光光束与加工件发生接触,没有刀削力作用于切割件,避免对加工材料表面造成损伤。

2. 加工精度高,热影响小:脉冲激光可以做到瞬时功率极高、能量密度极高而平均功率很低,可瞬间完成加工且热影响区域极小,确保高精密加工,小热影响区域。

3. 加工效率高,经济效益好:激光加工效率往往是机械加工效果的数倍且没有耗材无污染。

  1.半导体晶圆的激光切割

1.1 激光隐形切割

激光隐形切割是一种全新的激光切割工艺,具有切割速度快、切割不产生粉尘、无切割基材耗损、所需切割道小、完全干制程等诸多优势。

激光隐形切割最早起源于激光内雕,其原理是将短脉冲激光光束透过材料表面聚焦在材料中间,由于短脉冲激光瞬时能量极高,在材料中间形成小的变质点。

将激光在聚焦在物质内部应用到切割领域,由日本的光学知名企业滨松光学率先发明了隐形切割(steal dicing),多年来滨松一直持有这项技术的多项专利。

几年前德龙激光通过核心技术团队技术攻关,成功研发出了区别于滨松光学的隐形切割技术,并申请了自己的专利,并将该技术应用于蓝宝石、玻璃、硅、SiC等多种材料的切割。

隐切切割主要原理是将短脉冲激光光束透过材料表面聚焦在材料中间,在材料中间形成改质层,然后通过外部施加压力使芯片分开。中间形成的改质层如图1所示:

图1 300μm厚晶圆截面图

目前激光隐形切割技术广泛应用于LED芯片、MEMS芯片、FRID芯片、SIM芯片、存储芯片等诸多晶圆的切割,如图2以硅衬底MEMS晶圆为例,可以看到隐形切割的芯片几乎没有崩边,芯片没有机械损伤。

图2 MEMS晶圆激光切割效果图

隐形切割也有它的局限性,由于隐形切割需要将特定波长的激光聚焦于物质的内部,所切割的物质必须对特定波长的激光具有较大的透射率,另外需要切割道内光滑防止对照射的激光形成漫反射。

目前隐形切割能够切割Si、SiC、GaAS、LiTaO3、蓝宝石、玻璃等材料。

1.2 激光表面烧蚀切割

表面烧蚀切割是较为普遍的激光切割工艺,其原理是将激光聚焦于所需材料的表面,聚焦的地方吸收激光能量后形成去除性的融化和蒸发,在切割表面形成一定深度的“V”型口,然后通过外部施加压力使芯片分开,在半导体行业中由于其加工精度要求高,对表面效果要求也高,多采用短脉冲激光或超短脉冲激光。短脉冲激光器切割完后的“V”型槽效果如图3所示:

图3 短脉冲激光表面切割形成的“V”型口

激光表面切割具有更强的通用性,使用短脉冲激光进行表面切割能够很好的将热影响控制在很小的区域内。

目前该激光切割技术广泛应用于GPP工艺的晶圆、四元LED晶圆等晶圆的切割。如图4以四元LED芯片为例,我们可以看到激光表面切割能够有较好的切割面。

图4 激光表面切割截面以及切割效果图

对比隐形切割技术,激光表面切割的工艺窗口更宽,但是它也有不足的地方:

1. 切割效率往往低于隐形切割;

2. 部分晶圆切割前需要涂覆保护液,切割完后需要清洗保护液;

3. 晶圆越厚需要切割越深,表面的开口就越大,热影响区也就越大。

  2. 半导体晶圆激光开槽

随着芯片集成度的不断提高,线宽越来越小,RC时延、串扰噪声和功耗等成为严重的问题。在这样的背景下LOW-K层被引入到了集成电路领域,当工艺线宽小于65nm时,必须使用LOW-K层以克服上诉问题。

由于半导体工艺线宽不断减小,台积电已在研发建设9nm工艺线,低电介质绝缘薄膜的使用日益增多,low-k晶圆激光开槽设备逐步进入了很多晶圆封装厂以满足先进封装的需求。

目前我司的激光开槽设备采用业内目前最新的“π”型分光加工方式,能够做到切割深度和宽度可调,以确保较优的开槽效果。

首先激光在需开槽区域两侧划两条线,再利用激光在两条线中间开一个“U”型的槽,通过开槽将传统刀轮难以处理的LOW-K层去除,然后刀轮从开槽区域切割或利用激光切割将芯片切割开。

激光加工前需要涂覆保护液,开槽后需要将保护液出去,故加工过程中能够很好的保护芯片其他区域。如图5所示,为LOW-K晶圆开槽的表面效果图和3D显微镜图片。

图5 LOW-K晶圆开槽的表面效果图和3D显微镜图片

除了LOW-K晶圆,该工艺还可以应用于其他刀轮难以切割的物质去除,比如薄金属层、SiO2层、有机层等。另外我司设备开槽宽度及深度在一定范围内可调,确保了设备在处理不同材料的通用性。

  3. 激光打标在半导体领域的应用

激光打标凭借其打标精度高、不易擦除、打标速度快等明显优势首先走入了各行各业,在半导体行业中自然也离不开打标,然而半导体行业中的打标又有其特殊的需求,晶圆级打标便是其中一种。

晶圆级打标主要应用于WL-CSP(WaferLevel-Chip Scale Package)晶圆的在晶圆背面每个die的衬底上打标,确保了每一颗芯片的可追溯性,打标完成后再切割成单个芯片。

因为晶圆到了打标这道工序的时候晶圆的流片已经完成,晶圆已十分宝贵,所以对打标设备提出了更高的要求。

主要体现在:

(1)晶圆趋于轻薄化打标需要做到针对不同材料的打标深度控制的且打标字体清晰;

(2)晶圆的尺寸越做越小对于定位精度和字体大小提出了更高的要求;

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