MEMS晶圓切割方法—雷射隱形切割

2020-11-25 騰訊網

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)即微電子機械系統,一般由微機械結構、微傳感器、微執行器和控制電路組成,MEMS是通過半導體工藝實現不同能量形式之間的轉換的一種晶片。根據能量轉換形式的不同,一般分為傳感器和執行器兩類,傳感器即感測到外界信號並將其轉換成所需的信號(一般是電信號)進行處理,應用有:慣性傳感器、矽麥克風等;執行器即將控制信號(一般是電信號)轉化為其他形式的能量(一般是機械能)輸出,應用有:光學系統、RF MEMS等。

MEMS的製造主要採用Si材料,它與IC的不同在於,IC是電信號的傳輸、轉換及處理,而MEMS是電信號和其他形式能量間的轉換(以機械能為典型),所以在MEMS製造中往往需要利用半導體工藝在Si上製作懸梁、薄膜、空腔、密封洞、針尖、微彈簧等複雜的機械結構,這些微機械結構容易因機械接觸而損壞、因暴露而沾汙,能承受的機械強度遠遠小於IC晶片。基於這樣的特點,MEMS晶圓的劃片方法不同於典型IC的劃片。典型IC砂輪劃片是通過砂輪刀片高速旋轉來完成材料的去除,從而實現晶片切割。由於刀片的高速旋轉,往往需要使用純水進行冷卻和衝洗,那麼刀片高速旋轉產生的壓力和扭力,純水的衝洗產生的衝擊力以及切割下來的Si屑造成的汙染都容易對MEMS晶片中機械微結構造成不可逆的破壞。所以典型IC的砂輪劃片不適用MEMS晶圓的劃片。

圖1 雷射隱形切割在玻璃中的應用切割示意圖

雷射隱形切割作為雷射切割晶圓的一種方案,很好的避免了砂輪劃片存在的問題。如圖1所示,雷射隱形切割是通過將脈衝雷射的單個脈衝通過光學整形,讓其透過材料表面在材料內部聚焦,在焦點區域能量密度較高,形成多光子吸收非線性吸收效應,使得材料改性形成裂紋。每一個雷射脈衝等距作用,形成等距的損傷即可在材料內部形成一個改質層。在改質層位置材料的分子鍵被破壞,材料的連接變的脆弱而易於分開。切割完成後通過拉伸承載膜的方式,將產品充分分開,並使得晶片與晶片之間產生間隙。這樣的加工方式避免了機械的直接接觸和純水的衝洗造成的破壞。目前雷射隱形切割技術可應用於藍寶石/玻璃/矽以及多種化合物半導體晶圓。

圖2 矽材料透射光譜的特性

矽材料透射光譜的特性,見圖2,矽材料對紅外透過率很高,所以矽的隱形切割設備,通過選用短脈衝紅外雷射器,將雷射脈衝聚焦到矽襯底內部,實現隱形切割。雷射隱形切割是非接觸式切割,解決了砂輪切割引入外力衝擊對產品破壞的問題。不過一般設備的雷射隱形切割形成的改質層區域會使材料變得酥脆,還是會形成少量細小矽碎屑掉落,雖然碎屑數量遠少於砂輪切割,如前文所述,MEMS晶圓因為無法通過清洗的方法去除細小矽碎屑,故這些碎屑將對晶片造成破壞,影響良率。德龍雷射生產的矽晶圓雷射切割設備,見圖3,選用自製的紅外雷射器和自主開發的雷射加工系統,實現矽晶圓的隱形切割,該設備能夠很好的控制隱形切割後碎屑的產生,從而滿足高品質MEMS晶圓切割的要求,保證切割良率。德龍雷射的矽晶圓雷射切割設備自推向市場後,得到了國內多家量產客戶的認可和好評,設備在多個MEMS製造廠內批量切割諸如矽麥克風/電熱堆/陀螺儀等MEMS產品。實物切割效果圖見圖4。

圖3 德龍矽晶圓雷射切割設備外觀圖

圖4 MEMS產品切割效果圖

來源:德龍雷射

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