激光技術在半導體行業中的應用

楊洪星，劉曉偉，陳亞楠，武永超，趙 權

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

激光是20世紀60年代發展起來的一門新興科學。它是一種具有亮度高、方向性好、單色性好等特點的相干光，因此在理論上經聚焦后能形成直徑為亞微米級的光點，焦點處的功率密度可達(1×108～1×1011W/cm2，溫度高達 10 000 ℃以上[1]。

激光應用于材料加工，使制造業發生了根本性變化，解決了許多常規方法無法解決的難題。在航天工業中，鋁合金用激光焊接的成功被認為是飛機制造業的一次技術大革命。激光加工技術在汽車工業中的使用，實現了汽車從設計到制造的大變化，優化汽車結構，減輕了汽車自重，最終使汽車性能提高，耗油量降低。激光精加工和激光微加工不僅促進了微電子工業的發展，而且為微型機械制造提供了條件。另外，傳統加工方法大都為力的傳遞，因此加工速度受到限制，而激光加工更多地是光的傳遞，慣性小，柔性大，而且激光能量密度高，加工速度可以很快，激光加工被譽為“未來制造系統共同的加工手段”。總之激光加工技術在世界范圍內的迅猛發展正在引起一場新的工業革命，最終使材料加工業從目前的電加工時代過渡到光加工時代[2-7]。

本文對激光技術在晶片/芯片加工領域的應用、激光打標技術、激光測試技術以及激光脈沖退火技術（LSA）進行簡要的介紹。

1 激光技術在晶片/芯片加工領域的應用

1.1 在劃片方面的應用[8-10]

劃片工藝隸屬于晶圓加工的封裝部分，它不僅僅是芯片封裝的關鍵工序之一，而且是從圓片級的加工(即加工工藝針對整片晶圓，晶圓整片被同時加工)過渡為芯片級加工(即加工工藝針對單個芯片)的地標性工序。從功能上來看，劃片工藝通過切割圓片上預留的切割劃道(street)，將眾多的芯片相互分離開，為后續正式的芯片封裝做好最后一道準備。

目前業界討論最多的激光劃片技術主要有幾種，其主要特征都是由激光直接作用于晶圓切割道的表面，以激光的能量使被作用表面的物質脫離，達到去除和切割的目的。但是這種工藝在工作過程中會產生巨大的熱量，并導致對器件本身的熱損傷，甚至會產生熱崩邊(Chipping)，被剝離物的沉積(Deposition)等至今難以有效解決的問題(見圖 1)。

圖1 直接激光劃片，正面(左)，背面(右)

與很多先行技術不同，傳統旋轉砂輪式劃片機的全球領導廠商東京精密公司和日本著名的激光器生產商濱松光學 (HAMAMATSU PHOTONICS)聯合推出了突破傳統理念的全新概念的激光劃片機MAHOH，日文意為魔法。其工作原理摒棄了傳統的表面直接作用、直接去除的做法；而采取作用于硅基底內的硅晶體，破壞其單晶結構的技術，在硅基底內產生易分離的變形層(見圖2)，然后通過后續的崩片工藝使芯片間相互分離。從而達到了無應力、無崩邊、無熱損傷、無污染、無水化的切割效果。

圖2 MAHOH切割的原理

ALSI公司開發的激光劃片系統成功解決了激光劃片工藝中的一些技術問題，并將該系統推廣到砷化鎵晶圓廠，取得了較好的效果。TriQuint公司、RFMD公司是兩個成功使用激光劃片系統的典型。在這些公司，使用激光切割比傳統的金剛石工藝能提高5倍的產量，這將為投資者帶來極具吸引力的回報。激光切割不僅加工速度快，還盡可能地減小了芯片的尺寸、有效地增加每塊晶片乃至整流器晶圓廠的產量。

1.2 在晶片割圓方面的應用

割圓工藝是晶體加工過程中的一個重要組成部分。早期，該技術主要用于水平砷化鎵單晶片的整形，將水平砷化鎵單晶片稱為圓片。隨著晶體加工的各工序的逐步加工，在各工序將出現各種類型的廢片，將這些廢片加工成小直徑的晶片，然后再經過一些晶體加工工序的加工，使其變成拋光片。

傳統的割圓加工方法有立式刀割圓法、掏圓法、噴砂法等。如圖3所示，這些方法在加工過程中對晶片造成的損傷較大，出片量相對較少。隨著激光加工技術的發展，一些廠家將激光加工技術引入到割圓工序，再加上較為成熟的軟件控制，可以在一個晶片上加工出更多的小直徑晶片。

圖3 晶片割圓示意圖

2 激光打標技術[11，12]

激光打標是一種非接觸、無污染、無磨損的新標記工藝。近年來，隨著激光器的可靠性和實用性的提高，加上計算機技術的迅速發展和光學器件的改進，促進了激光打標技術的發展。

激光打標是利用高能量密度的激光束對目標作用，使目標表面發生物理或化學的變化,從而獲得可見圖案的標記方式。高能量的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速汽化，形成凹坑。隨著激光束在材料表面有規律地移動同時控制激光的開斷，激光束也就在材料表面加工成了一個指定的圖案。激光打標與傳統的標記工藝相比有明顯的優點：

(a)標記速度快，字跡清晰、永久；

(b)非接觸式加工，污染小，無磨損；

(c)操作方便，防偽功能強；

(d)可以做到高速自動化運行，生產成本低。

在晶片加工過程中，在晶片的特定位置制作激光標識碼，可有效增強晶片的可追溯性，同時也為生產管理提供了一定的方便。目前，在晶片上制作激光標識碼是成為一種潛在的行業標準，廣泛地應用于硅材料、鍺材料。

3 激光測試技術

3.1 激光三角測量術[13]

微凸點晶圓的出現使測量和檢測技術面臨著巨大的挑戰，對該技術的最基本要求是任一可行的檢測技術必須能達到測量微凸點特征尺寸所需的分辨率和靈敏度。在50 μm節距上制作25 μm凸點的芯片技術，目前正在開發中，更小凸點直徑和更節距的技術也在發展中。另外，當單個芯片上凸點數量超過10 000個時，晶圓檢測系統必須有能力來處理凸點數迅速增加的芯片和晶圓。分析軟件和計算機硬件必須擁有足夠高的性能來存儲和處理每個晶圓上所存在的數百萬個凸點的位置和形貌數據。

在激光三角檢測術中，用一精細聚焦的激光束來掃描圓片表面，光學系統將反射的激光聚焦到探測器(見圖4)。采用3D激光三角檢測術來檢測微凸點的形貌時，在精度、速度和可檢測性等方面，它具有明顯的優勢。

圖4 激光三角檢測術通過對精確聚焦激光探測束的反射來推算凸點的高度

3.2 顆粒測試

顆料控制是晶片加工過程、器件制造過程中重要的一個環節，而顆粒的監測也就顯得至關重要。顆粒測試設備的工作原理有兩種，如圖5所示，一種為光散射法；另一種為消光法。

圖5 顆粒測試的原理

對于懸浮于氣體中的顆粒，通常采用光散射法進行測試，同時某些廠家利用這種工作原理生產了測試晶片表面顆粒的設備；而對于液體中的顆粒，這兩種方法均適用。

5 激光脈沖退火（LSA）技術

該技術通過一長波激光器產生的微細激光束掃描硅片表面，在一微秒甚至更短的作用時間內產生一個小尺寸的局域熱點。由于只有上表面的薄層被加熱，硅片的整體依然保持低溫，使得此表面層的降溫速率幾乎和它的升溫速率一樣快。從固體可溶性的角度考慮，高峰值溫度能夠激活更多的摻雜原子，此外正如65 nm及以下工藝所要求的那樣，較短的作用時間可以使摻雜原子的擴散降到最低。退火處理的作用范圍可以限制在硅片上的特定區域而不會影響到周圍部位[14]。

該技術已經應用于多晶硅柵極的退火，在減少多晶硅的耗盡效應方面取得了顯著的效果。K.Adachi等[15]將閃光燈退火和激光脈沖退火處理的MOS管的Ion/Ioff進行了比較，在pMOSFET和nMOSFET中，采用激光脈沖退火處理的器件的漏極電流要大10%，器件性能的增強可以直接歸因于柵電極耗盡效應的改善和寄生電阻的減小。

5 結束語

本文簡要地介紹了激光技術在晶片/芯片加工領域的應用、激光打標技術、激光測試技術以及激光脈沖退火技術(LSA)等，并且在這些方面取得了成功。隨著激光技術的發展，激光技術必將在未來的半導體行業發展中扮演越來越重要的角色。

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