採用線狀聚焦光斑的雷射高速矽晶圓分粒

2020-11-25 OFweek維科網

　　雷射技術應用於矽晶圓切割分粒已有數年歷史，而且這個應用還在不斷地增長。隨著矽晶圓的厚度不斷減小以及雷射器性能的提高，雷射晶元分粒的優勢凸顯出來，人們也很自然的會問一個問題：什麼雷射最適合晶元分粒技術？

　　答案並不簡單。對於不同的脈衝雷射器而言，即使具有相同平均功率和重複頻率，晶元分粒的速度與質量也會有非常大的差異，原因在於除平均功率和重複頻率之外，其他的雷射參數比如脈衝寬度和雷射波長等對於工藝的影響非常顯著。比如，較長脈衝寬度與雷射波長會提高切割的速度，但是也會造成過度的材料熔化與開裂，相對而言短脈衝寬度（皮秒、飛秒）、短波長（紫外、深紫外）雷射器會帶來最小的加工熱影響區（HAZ）；最佳的加工質量與更高的單個晶粒的強度，但是這種選擇的成本較高，且產能並不高。

　　基於上述因素考慮，實際半導體工業中納秒級的355nm調Q雷射器是晶元刻劃、分粒應用的最佳選擇。


 
圖1. 融化深度（藍色、左側刻度）、能量密度（紅色、右側刻度）與切割速度的關係

　　當今，商用雷射器的功率級別不斷提高，這在納秒級窄脈寬355nm紫外雷射器上也同樣如此，在這種趨勢下，關鍵問題在於如何將雷射器功率與脈衝能量的提高儘可能充分而高效的利用到晶元刻劃工藝中。在光譜-物理工業雷射應用試驗室，我們通過實驗驗證了線狀聚焦光斑在晶元分粒高效率方面的優勢，證實了採用短脈衝、短波長的雷射刻劃工藝不但可以得到最佳的切割質量，還能達到較高的切割速度，如下表。


 
表1. 晶圓厚度對應的切割速度

　　超短脈衝寬度帶來的低雷射融化閾值與優化的線狀聚焦光斑，充分發揮了短脈衝、短波長帶來的高切割質量，與工業級加工速度的優勢。


 
圖2. Pulseo雷射器經過扁長形光束聚焦後作用在矽晶圓表面上的單脈衝熔化點

　　雷射加工矽晶圓分粒方面有著眾多的文獻，研究了從長脈寬到短脈寬、雷射波長與加工質量與速度的關係。最近在薄矽晶圓採用納秒脈衝的355nm調Q雷射器分粒與傳統的金剛石鋸片分粒在速度的比較方面也有文獻發表。對照這些文獻中提及的結果，光譜-物理Pulseo 355nm20W雷射器採用線狀優化聚焦光斑技術得到的數據有著非常顯著的提高——使加工速度從100mm/s的量級提高到m/s的量級。


 
圖3. 不同工藝下切割速度與晶元厚度的關係

　　不僅實在切割速度方面，線聚焦光斑加工技術結合光譜-物理Pulseo雷射器的短脈寬與短波長在加工過程中獲得的非常小的熱影響區域（HAZ），是獲得高質量晶元分粒的至關重要的因素。扁長的線聚焦光斑作用在材料表面脈衝重疊率更高，切縫處受雷射脈衝作用更加平均，切割效果非常整齊、平滑，切割側壁精度更高。線狀聚焦光斑的Pulseo 355 雷射器在400mm/s的切割速度獲得的樣品，97μm的切割深度處光學輪廓儀測試表明側壁粗糙度可達RMS<0.5μm，Ra<0.4μm。


 
圖4. 採用優化的線狀光斑聚焦後的Pulseo 355雷射器得到的晶元切割粗糙度

Spectra-Physics Pulseo 雷射器產品：

　　Pulseo 355-20雷射器是Spectra-Physics功率最高的調Q紫外雷射器。大於200μJ的雷射脈衝每秒鐘可重複10萬次，從而保證了高產能；小於23nm的脈衝持續時間，使得高品質加工成為現實—這得力於本產品超高的峰值功率。

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