晶圓雷射切割技術的研究進展

作者：李海鷗1，韋春榮1，王曉峰2，張紫辰2，潘嶺峰2，李琦1，陳永和1

1. 桂林電子科技大學 廣西精密導航技術與應用重點實驗室

2. 中國科學院 微電子研究所 微電子設備技術研究室

隨著微電子產業的發展，傳統的電子封裝技術已不能滿足要求，有很多問題需要解決，如集成電路 ( IC) 的封裝，要提供晶片與系統其他位置的輸入 /輸出 ( I /O) 接口，這種封裝技術設計複雜、成本高，同時限制了 IC 的性能和可靠性。為了解決這些問題，外形封裝在電子封裝技術領域中漸漸嶄露頭角。外形封裝的第一步就是晶圓切割，晶圓切割工藝的效果直接影響晶片的性能和效益。

此外，根據摩爾定律要求，單個晶片尺寸越來越小，晶圓厚度越來越薄，晶圓更加容易斷裂; 為了降低耦合及串擾，目前在 IC 晶片製作中需要加入低 k 材料，但低 k 材料與矽襯底的附著力較低，使用傳統切割方法時容易出現薄膜脫離和破碎等現象，進一步增加了晶圓切割的複雜度和難度。雷射具有一致性好、能量集中、自動化程度高和便於實現大規模生產等特點，使其在微加工領域具有不可替代的作用。在晶圓切割領域，雷射切割成為目前發展的熱點之一。

目前市場上可使用的幾種雷射切割技術是工作在紫外波長的納秒雷射全切割、工作在紅外波長的隱形切割以及工作在紅外波長的微水導納秒雷射全切割。為了解決晶圓切割過程中存在的剝離、分層和速度慢等問題，相關技術人員開發了一系列改進技術，本文主要從改善晶圓的切割質量和提高晶圓的切割速度出發，詳細介紹了半導體晶圓切割領域刀片切割技術和雷射切割技術的發展現狀，為以後晶圓切割技術的研究提供參考。

最早使用的晶圓切割技術是機械式的刀片切割技術，利用刀片在穩定、高速旋轉的情況下對晶圓進行強力磨削，並使用冷卻液對切割點進行衝洗，其作用是冷卻的同時帶走切割產生的粉塵。刀片切割技術發展至今，其工藝技術趨於穩定和成熟，是目前業界普遍使用的晶圓切割方法。但隨著晶圓厚度不斷減小，晶圓的脆性增加，難以承受高強度的刀片磨削，在切割過程中容易斷裂，造成晶片破壞，降低成品率。同時，刀片切割自身也存在一些不足。此外，由於低 k 介質的加入，晶圓脆性增加，機械性能下降，刀片切割時易發生剝離、崩角、脫落現象，導致晶片性能下降、產率不高。為解決上述問題，業界開始發展雷射切割技術。

傳統雷射切割技術的雷射器有固體雷射器 （如 Nd ∶ YAG） 、氣體雷射器 （如 CO2雷射器）及光纖雷射器等，出射雷射可為連續波、脈衝波或者鎖模光波，雷射波長從紫外到波長為10.6 μm 的CO2雷射，脈衝寬度從微秒級到飛秒級。通過合理地選擇，可達到切割的目的。

晶圓切割速度與雷射工作波長有關，長波長的雷射切割速度快，短波長的雷射切割速度慢。同時，切割質量與脈衝寬度有關，長脈衝雷射切割過程中材料與雷射相互作用時間長，熱效應區大，短脈衝的雷射切割時熱效應區較小，典型的雷射脈衝寬度為微秒級、納秒級和皮秒級，對應的熱擴散長度分別為900，1和 0.1 μm，但越短脈衝的雷射器價格越昂貴。

C. Fornaroli 等人利用脈衝寬度小於15 ps 的波長532 nm 的雷射對摻雜厚度為500 μm的矽晶片進行切割實驗，最小切割寬度為17 μm、最大有效切割速度為2.5 mm /s，這是目前短脈衝雷射獲得的最好結果。

355 nm雷射器波長短脈衝小，不僅切割寬度窄、熱影響區小，而且速度較快，在質量和效益上具有明顯優勢。

與接觸式刀片切割技術相比，傳統雷射切割技術具有較高的切割速度、較靈活的切割圖案和較高的晶圓利用率等優勢。但為了解決熱影響區和微裂縫等問題，在傳統雷射切割技術的基礎上，出現了兩種新型雷射切割技術，即為減小熱影響區而出現的微水導雷射切割技術和為有效控制微裂縫而出現的隱形切割技術。

瑞士 Synova SA 公司把雷射微水導概念運用到雷射切割並發明了微水導雷射切割設備，該設備主要由 4 部分組成，分別為雷射系統、光學聚焦系統、壓力水腔及雷射在水柱中的全反射傳播。

微水導雷射技術的基本原理是使用一束超薄、低壓的水柱將雷射光束引導到工件上進行加工，水柱在加工的同時起冷卻作用，消除了傳統雷射熱影響區過大的缺陷。

圖1 微水導雷射工作原理示意圖

與傳統刀片切割工藝不同，微水導雷射切割技術具有以下優勢：

1.為非接觸式加工，晶片抗斷裂強度高；

2.微水導雷射切割劃線寬度小，17 μm的微水柱切割超薄晶圓的寬度在25 μm以內；

3.沒有機械接觸，幾乎無微裂口和微裂縫產生，也不會產生碎片、毛刺及崩角，在使用超薄晶圓等高精度切割材料的電路設計中，每個晶片邊上不需預留較長的防崩裂保護帶，有效提高了晶圓利用率；

4.無需更換刀具，水量消耗少，使用成本低；

5.由於水柱不間斷地對準工件表面噴射，晶圓吸收前一個脈衝雷射所產生的熱量會立即被水流冷卻，同時水流會衝洗切割道，帶走殘渣，在後一個脈衝作用前，晶圓無熱效應、無汙染，即與普通脈衝雷射加工相比，微水導雷射加工不產生任何熱應力，不會對晶片產生熱損傷，也不會出現脆性重鑄等現象。

對於高速發展的 IC 封裝業來說，微水導雷射仍然是解決低 k 介質層、銅互連工藝和超薄晶圓切割問題的良好選擇之一。

隱形切割技術

傳統的雷射切割將雷射聚焦於晶圓表面，由於引入熱影響區使切割寬度變大、微裂縫難以控制，降低了晶圓的切割質量和切割效率，解決的辦法之一是通過雷射輻照晶圓內部產生熱衝擊使晶圓形成可控的龜裂再輔助外力作用從而達到切割效果，該工藝是由 Hamamatsu 公司發明並獲得專利權的隱形切割技術。

圖 2 顯示了隱形切割的基本原理，雷射器發出一束特定波長的雷射，通過高數值孔徑的透鏡將其聚焦在晶圓內部，產生選擇性形變層即隱形切割 ( steelth dicing，SD) 層，該層是後續晶圓切割龜裂的起始點，通過優化雷射和光路系統可使這些起始點被限定在晶圓內部，對半導體晶圓表面和底面不產生熱損傷，再借用外力將這些裂縫引至表面和底面進而將晶圓分離成小塊晶片。

圖2 隱形切割雷射加工示意圖

隱形切割的大致過程分為晶圓正面貼膜、雷射掃描、晶圓擴片、紫外光照射等 4 個步驟。

2008 年，O. Haupt 等人研究表明，用波長為1075 nm 的連續光纖雷射對厚度為 220 μm 的矽片進行熱衝擊切割，最大切割速度為20 mm /s，晶片的抗彎曲強度是刀片切割的 4 倍，約為微秒至納秒脈衝雷射切割技術的10倍。2009 年，M. Fujita等人使用隱形切割技術進行了由厚度為300 μm的矽和厚度為300 μm 的玻璃組成的多層結構微電子機械系統（MEMS）切割實驗，結果表明切割線完全沿著內部形變方向，切割的橫截面陡直無傾斜，此外，雷射切割後表面也沒有產生碎片和損傷。隱形切割的最大優點是切割乾淨。此外，隱形切割被認為是零切割線寬，與傳統刀片切割技術相比提高了單位面積晶片產量。

圖3 傳統刀片切割與隱形切割的矽片表面質量比較

儘管隱形切割在晶圓切割領域優勢明顯，但隱形切割技術不適用於含金屬材料的襯底切割。再者，隱形切割的雷射作用面是晶圓背面，雷射聚焦難度大，正面作為貼膜面，在擴片和紫外照射過程中可能會帶來不必要的損傷，降低產品合格率等。

整形雷射切割技術

21 世紀初期興起的整形雷射切割技術，通過使用特殊的元件來改變光束進行晶圓切割，不僅能提高晶圓的切割質量和切割速度，而且操作靈活、設備簡單，大大降低了生產成本，受到廣泛的關注。而實現這一功能的元件就是基於光波衍射原理發展起來的二元光學元件，又稱衍射光學元件，因其重量輕、易複製、造價低及具有光束均滑、波前整形、重建、分束等功能，在雷射加工領域顯示出前所未有的重要作用及廣闊的應用前景。

多焦點處理是利用在焦深方向上分布的多個焦點進行切割操作。這種設計能將光束沿著焦深方向調整成適合於加工的、具有一定距離的多個獨立焦點，是對強雷射束能量分配的有效方法。

多焦點切割與單焦點切割相比的優勢均表現為提高切割速度、改善切割質量和降低切割面粗糙度。單個焦點由於焦深不夠，只能在一個位置通過增加切割次數方能實現切割目的，這勢必會增加粗糙度、降低切割速度，多焦點則具有這方面的優勢，體現出更大的應用潛力。

功率增高伴隨著切割深度以及熱影響區的增大，易導致材料燒蝕及晶片質量受損。同時，直接使用圓形聚焦高斯光束進行切割時，為獲得高效的切割質量，光束重疊率較高，降低了切割速度。解決方法之一是採用線聚焦切割———一種兼顧切割速度與切割質量的光束整形技術。線聚焦的基本原理是將光束沿著切割的方向 ( 長軸) 延長，而垂直於切割的方向 ( 短軸) 則根據劃線的寬度確定，長軸的能量密度低，減小雷射對材料邊緣的熱影響，短軸的能量則保持在閾值能量之上，使材料燒蝕達到晶圓切割的目的。

線聚焦的優點是在減小熱影響區的同時大大提高了切割速度，這是圓形光束切割無法實現的。

單光束雷射加工面臨著加工速度慢、費用高、不利於大規模工業生產等問題，解決辦法之一就是多光束並行加工，其能精確地將總雷射分成多個子光束並同時聚焦於工件上。

當切割寬度一定時，由於脈衝能量和掃描次數的影響，單光束切割產生的熱影響區過大，重鑄現象嚴重，而且底部不均勻。因此，多光束在切割速度和切割質量上顯出了巨大優勢，尤其是規則、周期性結構的晶圓，使用分束技術大大提高了切割速度。

除上述主要的整形雷射切割技術，還有一些其他的切割技術，比如優化零級光束整形雷射切割技術、計算機制全息圖光束整形技術及編碼補償 /臺階強度變化設計等，這些技術各有優勢，在晶圓切割工藝中，需要針對不同的要求選擇適合的切割技術。

晶圓切割工藝中的兩大主要技術，即傳統刀片切割技術和雷射切割技術，特別介紹了整形雷射切割技術的特點，通過雷射參數、光路系統的改進，晶圓切割質量、切割速度不斷提高。刀片切割技術發展至今已經達到瓶頸階段，而整形雷射切割技術正處於蓬勃發展的趨勢，在未來晶圓切割領域中，整形雷射切割技術將佔據主導地位。

參考文獻

李海鷗,韋春榮,王曉峰,張紫辰,潘嶺峰,李琦,陳永和.晶圓雷射切割技術的研究進展[J].半導體技術,2017,42(08):561-568.

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