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武汉欧双光电科技股份有限公司
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激光技术在半导体晶圆中的应用

随着激光技术的不断发展以及激光技术深入半导体行业,激光已经在半导体领域多道工序取得成功应用。广为熟知的激光打标,使得精细的半导体芯片标识不再是个难题。激光切割半导体晶圆,一改传统接触式刀轮切割弊端,解决了诸如刀轮切割易崩边、切割慢、易破坏表面结构等诸多问题。在集成电路工艺线宽越来越小的情况下,LOW-K材料(K为介电常数,即低介电常数材料)越来越多的应用于集成IC中,由于LOW-K层传统工艺很难加工,于是引入了激光开槽工艺,利用激光将切割道中LOW-K层去除。目前12寸硅晶圆已广泛应用于半导体集成电路领域,而且晶圆越做越薄,将薄晶圆键合于承载晶圆片上流片后通过拆键和将两部分分开,激光拆键以其高效率无耗材等诸多优势成为关注热点。另外激光还在钻孔、划线、退火等工序取得不错的应用成果。

引言

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作为衬底材料被广泛应用于半导体晶圆领域。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。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: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。

 

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无耗材无污染。

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、所需切割道很小、完全干制程等诸多优势。其原理是将短脉冲激光光束透过切割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和机械损伤。


 

  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以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。切割完后的"V"型槽如图3所示:

 

  图3 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,使用超短脉冲激光进行表面切割能够很好的将热影响区域控制在很小的范围内。目前该激光切割技术广泛应用于GPP工艺的晶圆、四元LED晶圆等晶圆的切割中。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,但是它也有不足之处:

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众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,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,开槽后利用二流体将保护液体清洗干净,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(Wafer Level-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进行深度控制且保证打标字体清晰;(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;(3)薄晶圆在打标过程中的传动及输送十分关键。目前行业内使用比较多的晶圆级打标设备是EO Technics的CSM-3000系列。近几年由于晶圆级WL-CSP封装方式的兴起,对于晶圆级打标的需求越来越强烈,国内外知名的激光设备公司也纷纷研发晶圆级打标设备以及其替代方案。
 

当然除了晶圆级打标外在半导体行业还有其他很多打标的应用,比如说封装后器件表面的打标、晶圆片序列号的打标等等。

  

4. 激光在半导体领域的一些新兴的应用

  

4.1 激光拆键和

  

由于晶圆尺寸逐渐增大厚度减薄,晶圆在流片过程中就容易碎片,于是引入了载体层。将薄晶圆同载体层键和在一起,防止在流片过程中晶圆破损。相较于其他拆键和方式,激光拆键可以使用聚酰亚胺作为键和剂,该方式键和可以耐受400℃以上的温度,而一般的键和剂在200℃时候就会变性,这就使得一般键和剂在做高低温循环时候就已经失效。由于激光玻璃技术需要将激光作用于载体和晶圆中间的粘连剂上,所以需要载体能够透过相应波长的激光。目前使用较多的激光为紫外激光,载体为玻璃晶圆衬底。激光剥离技术多用于IGBT和硅基功率器件等薄晶圆的剥离。

  

4.2 激光退火

  

欧姆接触是半导体器件的重要的组成部分,退火是制备欧姆器件的关键工序,起到决定接触点性能的作用。激光退火主要优势体现在(1)加热时间短,能够获得高浓度的掺杂层;(2)加热局限于局部表层,不会影响周围元件的物理性能;(3)能够得到半球形的很深的接触区;(4)由于激光束可以整形到非常细,为微区薄层退火提供了可能。近几年来也出现了几类激光退火的方法如:脉冲激光退火、连续激光退火、红外辐射激光退火等等。

  

4.3 激光钻孔

  

激光钻孔广泛用于金属、PCB、玻璃面板等领域的钻孔,在半导体领域激光钻孔还是一个新兴的应用,随着3D封装技术的兴起,TSV(硅通孔)技术逐步发展,对于激光钻孔的需求也愈发强烈。目前激光钻孔存在着明显的优势和劣势,优势表现在钻孔成本低、无耗材、可以钻孔不同的材料等等;劣势主要表现在孔内壁比较粗糙、密集钻孔效率低、对钻孔材料强度的损伤等等。当然研究人员也在研究新的钻孔技术来克服现在钻孔的弊端,比如说激光结合化学的钻孔方式等等。

  

当然激光在半导体领域还有其他一些应用,在此无法一一列举介绍。

  

5.总结

  

激光作为一种非接触式的加工方式,有着其得天独厚的优势,还被誉为"未来制造系统共同的手段",故随着激光行业的不断发展,激光的应用定会越来越广泛。

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