微水刀激光切割工藝

胡澤先

河北半導體所 河北石家莊 050051

半導體晶圓的切割品質直接影響到半導體器件整體的封裝質量及最終產品的可靠性。砂輪劃片經過多年的發展，工藝技術非常成熟穩定，在劃片領域廣泛應用。但隨著半導體半導體器件輕薄短小的發展趨勢，晶圓的機械性能降低，砂輪劃片面臨嚴峻地挑戰，易碎片、背崩和分層等不良現象增加，降低芯片的機械強度，導致成品率降低，其發展遇到了無法解決的瓶頸。如Low-k 介質層的多孔網狀結構遇到機械應力時容易碎裂或出現分層破裂現象；SiC 極為堅硬，采用機械切割方式，刀片磨損量是切割硅時的100-500 倍，整體良品率也不高。這些挑戰對于傳統主流的旋轉砂輪式切割技術來說都存在巨大的困難或者超出了其理論的工藝極限。

1 激光切割

激光切割作為一種新式的晶圓切割方式，于近幾年得到了快速發展。激光切割通常是將高能激光束照射在晶圓表面，使材料表面或內部發生高溫汽化或者升華現象，從而達到切割的目的。與機械切割相比，激光切割具有顯著的優勢，尤其是切割速率得到很大的提高，但伴隨出現了其它一些問題：加工過程中激光的熱效應及粉塵等異物對芯片產生的不良影響。目前，實際應用中的激光切割工藝主要有激光燒蝕切割、微水刀激光切割等。

1.1 激光燒蝕切割

激光燒蝕切割是將激光直接聚焦于晶圓切割道的表面，通過激光的高能量使材料蒸發、升華，以達到去除和切割的目的。但是這種工藝在加工過程中會產生巨大的熱量，并導致對芯片本身的熱損傷，甚至會產生熱崩邊，被剝離物的沉積等至今難以有效解決的問題。圖1 為激光燒蝕切割工藝對芯片造成的損傷：正面熱損傷及背面熱崩邊。為了避免污染，切割之前可以在晶圓表面涂覆一層水溶性保護膜，這樣一來，切割時產生的粉塵或其他異物會掉落在保護膜上，而不會粘附在晶粒上，切割后再利用純水沖洗干凈，這種方法可以大幅度減少異物粘附，增強器件可靠性，但這一方案通常不被采用，因為附加的一些步驟會帶來額外的費用，同時其始終無法解決激光燒蝕切割的熱損傷問題。

激光燒蝕切割因熱影響區過大，無法進行精微切割，大大限制了其應用領域，僅能應用于一些低階芯片，如太陽能芯片等，在集成電路的加工處理中，始終無法被認可。

1.2 微水刀激光切割

為解決傳統激光切割的熱效應問題，瑞士Synova 公司研制出很有創意的微水刀激光切割技術，又稱水射流導引激光切割，其切割原理如圖2 所示[1]：高能激光束經過光學聚焦透鏡及水腔頂部的透明石英窗口，接著穿過壓力水腔里的薄水層，最后聚焦于水腔底部的噴嘴微孔中心。由于考慮到流體力學設計，經噴嘴微孔形成的水柱像光纖一樣又直又圓。聚焦于噴嘴微孔中心的激光由水柱的輸入斷面導入微水柱，利用微水柱與空氣界面全反射的原理，在微水柱導引下激光一直沿水柱行進，形成一個可變的流動性光波導，當其到達被加工晶圓表面時，通過激光的照射燒蝕、微水柱射流的沖擊作用完成切割加工。切割過程中，微水柱能夠將殘留的熱量及時冷卻，使得整個切割過程中，切口以外的區域加熱程度非常低[2]，克服了傳統激光切割的熱效應問題。

2 微水刀激光切割的技術特點

2.1 關鍵技術

微水刀激光切割巧妙地結合了水射流技術和激光技術的優點，該技術的關鍵是水射流的產生及激光的選用。

穩定的微水柱是實施微水刀激光切割加工的關鍵因素之一[3]，工藝加工中常用的噴嘴微孔直徑DD 為20-150μm。形成穩定的微水柱，首先水腔內必須具有穩定的壓力；其次，水腔中的液體流場必須是以噴嘴微孔為中心的中心對稱分布；最后，經噴嘴形成的微水柱需要在一定距離范圍內維持穩定而不破碎，這樣才能形成穩定的微水柱。這個距離稱為微水刀激光切割的有效工作距離，其值通常為噴嘴微孔直徑的1000 倍左右。由于噴嘴附近的水射流存在縮流現象，通常微水柱的直徑大約是噴嘴微孔直徑的85%。實際切割加工中，為了保證切痕寬度，往往選用較小直徑的噴嘴（20μm-50μm）。

2.2 激光波段的選擇

激光的選用需要綜合考慮傳輸過程中水對激光的吸收及切割晶圓對激光的吸收。

由于純水對不同激光的吸收率不同，因此對激光的類型需要進行選擇。圖3 為各波段光在純水中的吸收率，由圖可以看出，在窗口區域純水對激光的吸收率較小，因此適用于微水刀激光切割加工的激光類型一般為：波長為1064nm 釔鋁石榴石（Nd：YAG）紅外激光，波長為532nm 綠光激光（雙倍頻Nd：YAG）和波長為355nm 紫外線激光（三倍頻Nd：YAG）。

被切割晶圓需要吸收激光能量才能對其進行加工，圖4 為砷化鎵對激光的吸收率，從圖中可以看出GaAs 對波長1000nm 的光吸收率較高，而對波長小于1000nm 的光基本無吸收。綜合考慮，微水刀激光切割GaAs 晶圓通常采用1064nm 釔鋁石榴石（Nd：YAG）紅外激光。圖5 為厚度為100μmGaAs 晶圓采用微水刀激光切割后的正面及斷面形貌，從圖中可以看出，切割道寬度僅為25μm，且無崩邊及粘污，無毛邊。

3 微水刀激光切割的優缺點

微水刀激光切割實現了水射流技術和激光技術的完美結合，與傳統切割工藝相比，其具有很多顯著的特點：①無熱影響區。大幅度地減少了切割區域的熱滲透效果（在GaAs 試驗過程中切割的最高溫度不會超過160℃），不會產生任何熱應力；②切割品質好。微水刀激光切割工藝無任何機械振動，使得切割后晶圓基本無崩邊、毛刺及微裂紋；切割過層中在晶圓表面形成一薄層水膜，極大地減少了顆粒物在晶圓表面的附著，確保了晶圓的高度潔凈。③切割速率快。采用微水刀激光切割工藝，切割速率高達250mm/ s 以上，比傳統砂輪切割快5 倍-10 倍；④晶圓利用率高。切割道寬度最窄可到25μm，有效地提高了晶圓利用率。

微水刀激光切割的缺點是會燒壞卡盤，加工過程中必須使用一種不會被激光切穿、卻能讓水流穿過的“激光膠帶”用于貼片。這種膠帶成本比較高昂，而且種類比較少，同時其工藝設備較為復雜，切割斷面也不夠光滑。但作為一種極具創新性的劃片工藝，對于高速發展的集成電路封裝業來說，仍然是解決GaAs、SiC、Low-k介質層和超薄晶圓劃片問題的一種可靠選擇。