隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展以及激光技術(shù)深入半導(dǎo)體行業(yè)，激光已經(jīng)在半導(dǎo)體領(lǐng)域多道工序取得成功應(yīng)用。廣為熟知的激光打標(biāo)，使得精細(xì)的半導(dǎo)體芯片標(biāo)識(shí)不再是個(gè)難題。激光切割半導(dǎo)體晶圓，一改傳統(tǒng)接觸式刀輪切割弊端，解決了諸如刀輪切割易崩邊、切割慢、易破壞表面結(jié)構(gòu)等諸多問(wèn)題。在集成電路工藝線寬越來(lái)越小的情況下，LOW-K材料（K為介電常數(shù)，即低介電常數(shù)材料）越來(lái)越多的應(yīng)用于集成IC中，由于LOW-K層傳統(tǒng)工藝很難加工，于是引入了激光開(kāi)槽工藝，利用激光將切割道中LOW-K層去除。目前12寸硅晶圓已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域，而且晶圓越做越薄，將薄晶圓鍵合于承載晶圓片上流片后通過(guò)拆鍵和將兩部分分開(kāi)，激光拆鍵以其高效率無(wú)耗材等諸多優(yōu)勢(shì)成為關(guān)注熱點(diǎn)。另外激光還在鉆孔、劃線、退火等工序取得不錯(cuò)的應(yīng)用成果。
引言
自上世紀(jì)六十年代第一臺(tái)激光器設(shè)備問(wèn)世以來(lái)，關(guān)于激光及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用的研究得到了迅猛的發(fā)展，近20年來(lái)，激光制造技術(shù)已滲透入到諸多高科技領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，其中激光技術(shù)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用是最為廣泛和活躍的領(lǐng)域之一。
近年來(lái)光電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，高集成度和高性能的半導(dǎo)體晶圓需求不斷增長(zhǎng)，硅、碳化硅、藍(lán)寶石、玻璃以及磷化銦等材料作為襯底材料被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體晶圓領(lǐng)域。隨著晶圓集成度大幅提高，晶圓趨向于輕薄化，傳統(tǒng)的很多加工方式已經(jīng)不再適用，于是在部分工序引入了激光技術(shù)。激光加工具有諸多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：
1. 非接觸式加工：激光的加工只有激光光束與加工件發(fā)生接觸，沒(méi)有刀削力作用于切割件，避免對(duì)加工材料表面造成損傷。
2. 加工精度高：脈沖激光可以做到瞬時(shí)功率極高、能量密度極高而平均功率很低，可瞬間完成加工且熱影響區(qū)域極小，確保高精密加工。
3. 加工效率高，經(jīng)濟(jì)效益好：激光加工效率往往是機(jī)械加工效果的數(shù)倍且無(wú)耗材無(wú)污染。
1． 半導(dǎo)體晶圓的激光切割
1.1 激光隱形切割
激光隱形切割是一種全新的激光切割工藝，具有切割速度快、切割不產(chǎn)生粉塵、無(wú)切割基材耗損、所需切割道很小、完全干制程等諸多優(yōu)勢(shì)。其原理是將短脈沖激光光束透過(guò)切割材料表面聚焦在材料中間，由于短脈沖激光瞬時(shí)能量極高，在材料中間形成改質(zhì)層，然后通過(guò)外部施加壓力使芯片分開(kāi)。中間形成的改質(zhì)層如圖1所示：
圖1 300μm厚晶圓截面圖
目前激光隱形切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于LED芯片、MEMS芯片、FRID芯片、SIM芯片、存儲(chǔ)芯片等諸多晶圓的切割，如圖2以硅襯底MEMS晶圓為例，可以看到隱形切割的芯片幾乎沒(méi)有崩邊和機(jī)械損傷。
圖2 MEMS晶圓激光切割效果圖
隱形切割也有它的局限性，由于隱形切割需要將特定波長(zhǎng)的激光聚焦于物質(zhì)的內(nèi)部，所切割的物質(zhì)必須對(duì)特定波長(zhǎng)的激光具有較大的透射率，另外需要切割道內(nèi)光滑以防止對(duì)照射的激光形成漫反射。目前隱形切割能夠切割Si、SiC、GaAS、LiTaO3、藍(lán)寶石、玻璃等材料。
1.2 激光表面燒蝕切割
表面燒蝕切割是較為普遍的激光切割工藝，其原理是將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發(fā)，在切割表面形成一定深度的"V"型口，然后通過(guò)外部施加壓力使芯片分開(kāi)。切割完后的"V"型槽如圖3所示：
圖3 激光表面切割形成的"V"型口
激光表面切割具有更強(qiáng)的通用性，使用超短脈沖激光進(jìn)行表面切割能夠很好的將熱影響區(qū)域控制在很小的范圍內(nèi)。目前該激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于GPP工藝的晶圓、四元LED晶圓等晶圓的切割中。如圖4以四元LED芯片為例，我們可以看到激光表面切割能夠有較好的切割面。
圖4 激光表面切割截面以及切割效果圖
對(duì)比隱形切割技術(shù)，激光表面切割的工藝窗口更寬，但是它也有不足之處：
1. 切割效率往往低于隱形切割；
2. 部分晶圓切割前需要涂覆保護(hù)液，切割完后需要清洗保護(hù)液；
3. 晶圓越厚需要切割越深，表面的開(kāi)口就越大，熱影響區(qū)也就越大。
2. 半導(dǎo)體晶圓激光開(kāi)槽
隨著芯片集成度的不斷提高，線寬越來(lái)越小，RC時(shí)延、串?dāng)_噪聲和功耗等成為嚴(yán)重的問(wèn)題。在這樣的背景下LOW-K層被引入到了集成電路領(lǐng)域，當(dāng)工藝線寬小于65nm時(shí)，必須使用LOW-K層以克服上訴問(wèn)題。由于半導(dǎo)體工藝線寬不斷減小，臺(tái)積電已在研發(fā)建設(shè)9nm工藝線，低電介質(zhì)絕緣薄膜的使用日益增多，low-k晶圓激光開(kāi)槽設(shè)備逐步進(jìn)入眾多晶圓封裝廠以滿足先進(jìn)封裝的需求。
目前我司的激光開(kāi)槽設(shè)備采用業(yè)內(nèi)目前最新的"π"型分光加工方式，以確保較優(yōu)的開(kāi)槽效果。首先激光在需開(kāi)槽區(qū)域兩側(cè)劃兩條線，再利用激光在兩條線中間開(kāi)一個(gè)"U"型的槽，通過(guò)開(kāi)槽將傳統(tǒng)刀輪難以處理的LOW-K層去除，然后刀輪從開(kāi)槽區(qū)域切割或利用激光切割將芯片切割開(kāi)。激光加工前需要涂覆保護(hù)液，開(kāi)槽后利用二流體將保護(hù)液體清洗干凈，故加工過(guò)程中能夠很好的保護(hù)芯片其他區(qū)域。如圖5所示，為L(zhǎng)OW-K晶圓開(kāi)槽的表面效果圖和3D顯微鏡圖片。
圖5 LOW-K晶圓開(kāi)槽的表面效果圖和3D顯微鏡圖片
除了LOW-K晶圓，該工藝還可以應(yīng)用于其他刀輪難以切割的物質(zhì)去除，比如薄金屬層、SiO2層、有機(jī)層等。另外我司設(shè)備開(kāi)槽寬度及深度在一定范圍內(nèi)可調(diào)，確保了設(shè)備在處理不同材料的通用性。
3. 激光打標(biāo)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用
激光打標(biāo)憑借其打標(biāo)精度高、不易擦除、打標(biāo)速度快等明顯優(yōu)勢(shì)首先走入了各行各業(yè)，在半導(dǎo)體行業(yè)中自然也離不開(kāi)打標(biāo)，然而半導(dǎo)體行業(yè)中的打標(biāo)又有其特殊的需求，晶圓級(jí)打標(biāo)便是其中一種。晶圓級(jí)打標(biāo)主要應(yīng)用于WL-CSP(Wafer Level-Chip Scale Package)晶圓的在晶圓背面每個(gè)die的襯底上打標(biāo)，確保了每一顆芯片的可追溯性，打標(biāo)完成后再切割成單個(gè)芯片。因?yàn)榫A到了打標(biāo)這道工序的時(shí)候晶圓的流片已經(jīng)完成，晶圓已十分寶貴，所以對(duì)打標(biāo)設(shè)備提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在：(1)晶圓趨于輕薄化打標(biāo)需要做到針對(duì)不同材料的打標(biāo)進(jìn)行深度控制且保證打標(biāo)字體清晰；(2)晶圓的尺寸越做越小對(duì)于定位精度和字體大小提出了更高的要求；(3)薄晶圓在打標(biāo)過(guò)程中的傳動(dòng)及輸送十分關(guān)鍵。目前行業(yè)內(nèi)使用比較多的晶圓級(jí)打標(biāo)設(shè)備是EO Technics的CSM-3000系列。近幾年由于晶圓級(jí)WL-CSP封裝方式的興起，對(duì)于晶圓級(jí)打標(biāo)的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，國(guó)內(nèi)外知名的激光設(shè)備公司也紛紛研發(fā)晶圓級(jí)打標(biāo)設(shè)備以及其替代方案。
當(dāng)然除了晶圓級(jí)打標(biāo)外在半導(dǎo)體行業(yè)還有其他很多打標(biāo)的應(yīng)用，比如說(shuō)封裝后器件表面的打標(biāo)、晶圓片序列號(hào)的打標(biāo)等等。
4. 激光在半導(dǎo)體領(lǐng)域的一些新興的應(yīng)用
4.1 激光拆鍵和
由于晶圓尺寸逐漸增大厚度減薄，晶圓在流片過(guò)程中就容易碎片，于是引入了載體層。將薄晶圓同載體層鍵和在一起，防止在流片過(guò)程中晶圓破損。相較于其他拆鍵和方式，激光拆鍵可以使用聚酰亞胺作為鍵和劑，該方式鍵和可以耐受400℃以上的溫度，而一般的鍵和劑在200℃時(shí)候就會(huì)變性，這就使得一般鍵和劑在做高低溫循環(huán)時(shí)候就已經(jīng)失效。由于激光玻璃技術(shù)需要將激光作用于載體和晶圓中間的粘連劑上，所以需要載體能夠透過(guò)相應(yīng)波長(zhǎng)的激光。目前使用較多的激光為紫外激光，載體為玻璃晶圓襯底。激光剝離技術(shù)多用于IGBT和硅基功率器件等薄晶圓的剝離。
4.2 激光退火
歐姆接觸是半導(dǎo)體器件的重要的組成部分，退火是制備歐姆器件的關(guān)鍵工序，起到?jīng)Q定接觸點(diǎn)性能的作用。激光退火主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在(1)加熱時(shí)間短，能夠獲得高濃度的摻雜層；(2)加熱局限于局部表層，不會(huì)影響周圍元件的物理性能；(3)能夠得到半球形的很深的接觸區(qū)；(4)由于激光束可以整形到非常細(xì)，為微區(qū)薄層退火提供了可能。近幾年來(lái)也出現(xiàn)了幾類激光退火的方法如：脈沖激光退火、連續(xù)激光退火、紅外輻射激光退火等等。
4.3 激光鉆孔
激光鉆孔廣泛用于金屬、PCB、玻璃面板等領(lǐng)域的鉆孔，在半導(dǎo)體領(lǐng)域激光鉆孔還是一個(gè)新興的應(yīng)用，隨著3D封裝技術(shù)的興起，TSV（硅通孔）技術(shù)逐步發(fā)展，對(duì)于激光鉆孔的需求也愈發(fā)強(qiáng)烈。目前激光鉆孔存在著明顯的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在鉆孔成本低、無(wú)耗材、可以鉆孔不同的材料等等；劣勢(shì)主要表現(xiàn)在孔內(nèi)壁比較粗糙、密集鉆孔效率低、對(duì)鉆孔材料強(qiáng)度的損傷等等。當(dāng)然研究人員也在研究新的鉆孔技術(shù)來(lái)克服現(xiàn)在鉆孔的弊端，比如說(shuō)激光結(jié)合化學(xué)的鉆孔方式等等。
當(dāng)然激光在半導(dǎo)體領(lǐng)域還有其他一些應(yīng)用，在此無(wú)法一一列舉介紹。
5． 總結(jié)
激光作為一種非接觸式的加工方式，有著其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，還被譽(yù)為"未來(lái)制造系統(tǒng)共同的手段"，故隨著激光行業(yè)的不斷發(fā)展，激光的應(yīng)用定會(huì)越來(lái)越廣泛。
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