隱形劃片技術(shù)及其在MEMS制造中的應(yīng)用

劉成群，程壹濤

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊050051)

集成電路制造過程中，晶圓劃片是一項非常重要的工藝，它是采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)刀片或激光，沿集成電路設(shè)計時預(yù)留的切割道運(yùn)動，將晶圓分離成一個個具有獨(dú)立電氣性能的芯片的過程。傳統(tǒng)劃片工藝多采用機(jī)械式旋轉(zhuǎn)刀片切割方式，電路集成密度高的晶圓、高速低功耗芯片晶圓、有特殊結(jié)構(gòu)芯片的晶圓多采用激光劃片。

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）即微電子機(jī)械系統(tǒng)，是指在幾毫米乃至更小晶圓面積內(nèi)，構(gòu)造復(fù)雜的機(jī)械、電路結(jié)構(gòu)，通過半導(dǎo)體工藝實現(xiàn)不同能量形式間轉(zhuǎn)換的一種電子機(jī)械器件。MEMS芯片內(nèi)一般包含微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器和控制電路，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換形式的不同，一般分為傳感器和執(zhí)行器兩類。MEMS與一般集成電路的不同在于，集成電路是電信號的傳輸、轉(zhuǎn)換及處理，而MEMS是電信號和其他形式能量（以機(jī)械能為典型）之間的轉(zhuǎn)換和處理，所以在MEMS制造中往往需要利用半導(dǎo)體工藝在晶圓內(nèi)制作懸梁、薄膜、空腔、密封洞、針尖、微彈簧等復(fù)雜的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，這些微機(jī)械結(jié)構(gòu)容易因機(jī)械接觸而損壞、因暴露而沾污。因此，MEMS晶圓能承受的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)小于普通集成電路晶圓，這對MEMS晶圓劃片工藝提出了更高的要求。

1 普通劃片工藝及其缺陷

1.1 旋轉(zhuǎn)刀片機(jī)械切割方式

傳統(tǒng)的晶圓劃片采用旋轉(zhuǎn)刀片機(jī)械切割方式，通過高速旋轉(zhuǎn)的金剛石刀片劃切晶圓完成材料的去除，實現(xiàn)由晶圓到芯片的分割。硅基MEMS晶片的主材料是單晶硅，硅材料脆性較強(qiáng)，因刀片切割方式帶來的崩角、分層和剝離等缺陷會更加突出。此外，旋轉(zhuǎn)刀片機(jī)械式切割是接觸式劃片作業(yè)，這種劃片方式存在以下弊端：

（1）刀具劃切在晶體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力損傷，其產(chǎn)生的晶圓崩邊和裂紋極易延伸到芯片內(nèi)，影響芯片內(nèi)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。刀具劃片對厚度100μm以下的晶片極易導(dǎo)致碎片。

（2）接觸式切割過程中，刀片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力、扭力以及振動，會對MEMS芯片中機(jī)械微結(jié)構(gòu)造成不可逆的破壞。

（3）刀具的劃切線寬度較大，能夠達(dá)到的最細(xì)劃切線寬也在25～35μm。

（4）效率較低。刀具劃片進(jìn)給速度一般在40～80 mm/s,劃片速度較慢，且切割不同材料的晶圓片需要更換不同的刀具。刀片有磨損，運(yùn)行中需要使用純水進(jìn)行冷卻和沖洗，有后期成本和運(yùn)行成本，更換刀片也存在時間成本。

（5）刀具劃片過程中，用以刀片冷卻和晶圓沖洗的純水產(chǎn)生的沖擊力，會對MEMS晶圓內(nèi)的結(jié)構(gòu)體造成應(yīng)力負(fù)荷。切割的碎屑會造成的晶片沾污。采用保護(hù)膜保護(hù)晶片則會增加保護(hù)膜涂布和去除的成本和費(fèi)用。

綜上，旋轉(zhuǎn)刀片機(jī)械切割方式不適用于MEMS晶圓劃片。

1.2 激光表面切割方式

激光表面切割方式采用紅外納秒激光器或者紫外激光器，利用具有一定能量的激光束聚焦照射在晶圓表面,被照射點的晶圓材料吸收激光能量，發(fā)熱、局部熔蝕、氣化蒸發(fā),達(dá)到劃片的目的。激光表面切割劃片是非接觸加工，不對晶片產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力作用，晶片損傷較小、損率低，切割線細(xì)、切割效率高。此種“熱燒蝕”方式缺陷是：

（1）同刀片切割晶片一樣，激光表面切割方式有切割痕跡，切割線邊緣有碎屑剝落；

（2）在切割線外圍存在較大熱影響區(qū)域(Heat affected zone，HAZ)損傷，極易導(dǎo)致表面分層、微裂紋問題，影響切割后器件性能及可靠性；

（3）激光表面切割時，燒灼、熔融的晶圓材料產(chǎn)生的殘余物會污染晶面，部分晶圓材料如GaAs等熱分解會產(chǎn)生有毒物質(zhì)，處理繁瑣；

（4）部分晶圓材料對該波長范圍的激光吸收作用有限，應(yīng)用范圍受限。

綜上所述，對于生產(chǎn)MEMS器件這樣要求嚴(yán)苛的晶圓，對于采用復(fù)合材料的高速低功耗器件的晶圓，激光燒蝕切割方式也不能滿足應(yīng)用需求。

2 隱形切割技術(shù)

2.1 激光隱形切割技術(shù)的原理

隱形切割技術(shù)是將半透明波長的激光束聚集在晶圓內(nèi)部，形成一個分割用的起點（改質(zhì)層：以下稱之為SD層），再對晶圓施以外力將其分割成小芯片的切割技術(shù)[1]。激光隱形劃片包含激光加工和分割加工兩個工藝過程。前者在晶圓內(nèi)部形成分割用起點（SD層），后者將晶圓片狀化分割，形成一個個單片，如圖1所示。

圖1 激光隱形切割的基本原理

2.2 激光波長的選擇

隱形切割應(yīng)根據(jù)晶圓材料特性選擇激光波長，使激光能夠透射過晶圓表層，在晶圓內(nèi)部形成焦點（即所謂的半透明波長）。首要條件是激光光子能量小于硅材料的吸收帶隙，在光學(xué)上呈透明特性[2]。對于硅基MEMS晶圓來講，盡管晶片厚度、雜質(zhì)成分及其濃度等因素對光譜吸收率有影響，單晶硅材料主要吸收波長1 000 nm以內(nèi)包括近紫外波長的光，而對近紅外的波長較長的光通過率較好。室溫下，忽略晶片上下表面的反射效應(yīng)，單晶硅光譜透過特性見圖2。因此，切割單晶硅材料作基片的MEMS結(jié)構(gòu)晶片時，通常選擇波長為1 080 nm的紅外激光，以便激光透過晶圓表面，在聚焦透鏡等光學(xué)機(jī)構(gòu)的作用下，在晶圓上下表面之間的中間層可選擇的聚焦。同時，盡可能地減少入射表面和激光焦點之間的材料層對激光的吸收作用。

圖2 單晶硅光譜透過特性

2.3 激光器的選擇

激光隱形切割設(shè)備均選擇超短脈沖超快激光器。除上述對激光波長的要求外，隱形切割技術(shù)要求使用極短脈沖寬度、高峰值功率和高脈沖重復(fù)頻率的激光器。例如WL200Plus使用基于SESAM、克爾透鏡等鎖模技術(shù)的脈沖寬度在400 fs量級的激光器，多數(shù)設(shè)備采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，高精密實時焦距校正系統(tǒng)（DRA）。

2.4 激光作用機(jī)理

隱形切割采用重復(fù)頻率很高的超短脈沖激光束，脈沖寬度時間小于1×10-12s，可以被高度壓縮到衍射閾值水平，這種激光束對材料光學(xué)特性為半透明，通過物鏡機(jī)構(gòu)選擇聚焦到晶圓上下表面之間的中間層。在聚焦透鏡等光學(xué)機(jī)構(gòu)的作用下，這種在時間上高度壓縮的超短脈沖激光束在焦點附近的空間上高度聚焦壓縮，形成極高的功率密度[3]。焦點區(qū)域的晶圓材料吸收激光的高峰值功率，發(fā)生多光子吸收效應(yīng)，將電子從材料中激發(fā)，形成自由電子，隨后由于庫倫斥力而產(chǎn)生微爆，直接破壞材料結(jié)合的分子鍵或原子鍵，產(chǎn)生非線性吸收效應(yīng)。單晶硅結(jié)構(gòu)收縮，晶狀改變，生成一層多晶結(jié)構(gòu)的改質(zhì)層。同時，非線性吸收效應(yīng)引起局部點出現(xiàn)極高的收縮，激光焦點上下兩側(cè)的單晶結(jié)構(gòu)因非線性吸收應(yīng)力而產(chǎn)生裂痕，形成向晶片正反兩個表面延伸的“龜裂”，這種龜裂現(xiàn)象是促使晶片分割的重要因素。通常將上述的改質(zhì)層及其周邊材料的龜裂區(qū)稱之為SD層。然后通過后續(xù)的裂片工藝，晶圓芯片將沿著SD層分離。

圖3是用顯微鏡觀察隱形切割后的硅片樣品的切割斷面圖。由圖3（a）可以看到，沿100μm厚樣品的厚度方向，在晶圓中間層形成的一個幾微米寬、40μm厚的改質(zhì)層(SD層)。從圖3（b）可以觀察到一條垂直的裂紋，從SD層的頂端和底端向芯片的前后表面延伸。芯片如何分離很大程度上取決于這條垂直裂紋向芯片的前后表面擴(kuò)展的程度。

圖3 隱形切割硅片樣品分割前的斷面圖

為了定性確定SD層的狀態(tài)，對隱形切割后的一塊100μm厚的硅片進(jìn)行分割和切片。用透射電子顯微鏡(TEM)觀察SD層的結(jié)晶狀態(tài)，如圖4所示。結(jié)果證實，SD層結(jié)晶態(tài)狀態(tài)發(fā)生了變化，由原來的單晶結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏任诲e多晶硅，變化范圍為幾微米。

圖4 隱形切割硅片樣品分割后的斷面圖

2.5 隱形切割SD層應(yīng)力分析

利用垂直于激光掃描方向切割和切片的100μm厚硅片樣品，在晶片未分離狀態(tài)下，采用拉曼光譜學(xué)法分析了SD層及其周邊的應(yīng)力分布。

采用拉曼光譜學(xué)分析方法，分析SD層周圍40μm×40μm的范圍，獲得的應(yīng)力分布的圖像數(shù)據(jù)，如圖5所示。在這個圖像上，壓縮應(yīng)力用正值表示，拉伸應(yīng)力用負(fù)值表示，晶圓層內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力越大，顏色越深。可以看到，在激光束焦點附近的SD層產(chǎn)生了非常強(qiáng)大的壓縮應(yīng)力，在SD層的頂部和底部則有非常強(qiáng)大的拉伸應(yīng)力。SD層的局部多晶化所伴隨的體積膨脹是產(chǎn)生這種強(qiáng)大壓縮應(yīng)力的原因。隱形劃片形成的SD層的形成具有極高的長徑比，非常強(qiáng)大的拉伸應(yīng)力集中在SD層的頂部和底部。中心區(qū)壓縮應(yīng)力是高密度位錯多晶化的結(jié)果，是龜裂的源頭，上下側(cè)強(qiáng)大的拉伸應(yīng)力，則導(dǎo)致龜裂的形成并向前后表面發(fā)展、擴(kuò)大。

圖5 拉曼光譜應(yīng)力分布分析

3 MEMS器件晶圓的隱形切割

隱形切割方法熱效應(yīng)小、無應(yīng)力損傷、無切屑，幾乎無材料損耗，劃切完成后不用清洗，實現(xiàn)了完全干式切割，劃切效率高，切道窄，非常適合硅基MEMS器件晶片劃切。

3.1 劃片參數(shù)選擇

切割硅基MEMS器件晶圓時，激光功率選擇要適中。功率過高會造成SD層寬，SD層兩側(cè)熱效應(yīng)區(qū)域過大，形成大幅蛇行龜裂。功率過低，SD層變窄，龜裂裂紋向晶片正反表面延伸時受阻，龜裂紋不能達(dá)到晶圓表面。這兩種情況都會造成裂片時晶片不能按照期望的劃切線解裂的情形，導(dǎo)致廢片。當(dāng)切割較厚的圓片時，需要向深層方向多次照射掃描，形成多個SD層，使SD層上下相結(jié)合，最終形成最適合分割的SD層，這是非常重要的。某型激光隱形劃片機(jī)，采用波長1 080 nm的激光，脈沖寬度0.2 ps。根據(jù)我們切割Si晶圓MEMS器件的經(jīng)驗，工作臺進(jìn)給速度345 mm/s,激光平均功率在1.5 W時，SD層厚度約為80μm。一般而言，500μm的硅片需要激光切割的次數(shù)約為6次。

根據(jù)晶圓材料解理特性和厚度不同，SD層大致可以做成三種形態(tài)，如圖6所示。再通過組合排列這三種不同的形態(tài)，便可找出最適當(dāng)?shù)募庸し椒āＲ罁?jù)晶片厚度、芯片形狀、有無介質(zhì)層、有無金屬膜等可以分類出各種不同狀態(tài)、種類不同的工件，針對不同的工件，有各自最適合的劃切參數(shù)，將其系統(tǒng)化做成數(shù)據(jù)庫，再根據(jù)設(shè)備的不同加以靈活應(yīng)用。

圖6 SD層的三種形態(tài)

3.2 膠膜擴(kuò)張分割芯片

晶片被固定在膠膜上，切割完成后，通過向外側(cè)方向拉伸承載膜，對晶圓內(nèi)部的龜裂產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。在這種拉伸應(yīng)力下，晶圓內(nèi)部的龜裂向正反兩面延伸，使晶圓片狀化成芯片，如圖7所示。形成SD層時，令膠膜粘貼面形成半切割（HC）或反面半切割(BHC)的狀態(tài)，較有利于提升芯片的分割性。在此狀態(tài)下使膠膜向晶圓的外側(cè)方向擴(kuò)展，半切割（HC）或反面半切割(BHC)面被拉向外側(cè)方向，拉伸應(yīng)力能集中傳遞到晶圓且集中于裂紋的前端。因為應(yīng)力的集中，使得龜裂在一瞬間就能伸展至晶圓表面，將晶圓分割成獨(dú)立的晶片。膠膜擴(kuò)張分割芯片是一種集中應(yīng)力于龜裂前端的工藝，分割芯片時，芯片與芯片之間無任何干涉和影響，不會出現(xiàn)芯片邊緣崩缺，也不會破壞器件中心的薄膜結(jié)構(gòu)，適合MEMS芯片的晶圓分割。

圖7 擴(kuò)膜時龜裂延伸原理

3.3 應(yīng)用激光隱形切割硅基MEMS晶圓時的注意事項

（1）對切割的材料存在一定的要求。如激光隱形切割ML200 plus要求所劃硅片為高阻硅片，同時需滿足[樣品厚度（cm）/電阻率（Ω·cm）]＜4.3。硅片樣品表面粗糙度對激光隱形切割的質(zhì)量有明顯的影響，一般而言，樣品表面粗糙度越小，劃片效果越好。

隱形切割的原理是激光聚焦到晶圓內(nèi)部，激光穿過晶片表面時會發(fā)生折射。樣品表面粗糙度較大時，激光在樣品表面發(fā)生折射與慢反射，激光能量無法聚焦到樣品內(nèi)部同一個位置，對激光切割的SD層的形成有顯著影響，切割后的SD層質(zhì)量較差，擴(kuò)片后容易造成芯片粘接狀況。表面粗糙度較小的Si片形成的SD層較為規(guī)則，擴(kuò)片容易，芯片斷面質(zhì)量也好。粗糙度Ra＜0.07μm與Ra＞0.07μm硅片切割后的切割效果對比如圖8所示。

圖8 粗糙度Ra＞0.07μm與Ra＜0.07μm硅片切割后的切割效果

（2）晶圓切割道上不能有激光不能透過的遮光膜。隱形切割通常是激光從器件表面射入晶圓內(nèi)部進(jìn)行加工（表面射入方式），如果激光入射的晶圓表面有遮光膜，從表面導(dǎo)入激光會難以實現(xiàn)。硅基MEMS晶圓表面有SiO2膜不會影響激光射入，如果是SiN材料則會對SD層的形成有影響。另外，因為隱形切割激光束在晶圓內(nèi)部聚焦，激光在晶圓表面會有一個入射角度，因此，必須根據(jù)要切割晶圓的厚度確保激光射入所需的非遮光區(qū)寬度。

（3）采用背面射入方式隱形切割MEMS晶圓。在這種情況下，一定要特別重視晶圓內(nèi)MEMS器件構(gòu)造的保護(hù)，將含有構(gòu)造脆弱的功能器件的一面吸附在工作臺吸盤上之前，要在吸盤和晶圓之間墊一層多孔式緩沖性能高的彈性襯墊，然后將晶圓兩側(cè)固定在吸盤上。也可以先墊一層多孔式緩沖性能高的彈性襯墊，然后在晶圓背面使用對激光波長透光性高的隱形切割專用膠膜將晶圓固定，隔著這層膠膜進(jìn)行隱形劃切，加工完成后將膠膜和粘在膠膜上的晶圓從吸盤上取下來直接進(jìn)行擴(kuò)膜，實現(xiàn)芯片分離，如圖9所示。

圖9 背面入射隱形切割及裂片

（4）當(dāng)前技術(shù)條件下，隱形切割晶圓厚度范圍一般在100～700μm，無法進(jìn)行更大厚度的硅片的切割工藝。采用激光背面射入方式隱形切割的晶圓，背面研磨拋光粗糙度應(yīng)優(yōu)于#2000。

4 激光隱形切割技術(shù)的發(fā)展

切割較厚的晶圓時，由于需要穿透晶圓材料，激光在聚焦點上會發(fā)生相位差，不能保持理想的聚光狀態(tài)，因而不能形成良好的改質(zhì)層，導(dǎo)致龜裂的伸展量不足，需要多次掃描才能完成切割。針對隱形切割大厚度晶圓時難以完成且效率低這一問題，具有激光相差補(bǔ)償和多點聚焦、多點加工技術(shù)的隱形切割裝置已經(jīng)出現(xiàn)。例如濱松公司的LBA系統(tǒng)（激光束調(diào)整系統(tǒng)，Laser Beam Adjuster）可以通過相差補(bǔ)償技術(shù)對激光束進(jìn)行控制，使其在任意深度上達(dá)到理想的聚光狀態(tài)，即使切割較厚的晶圓時，也能形成良好的改質(zhì)層，從而減少掃描次數(shù)[4]。LBA系統(tǒng)還利用多點聚焦技術(shù)，實現(xiàn)多點同時加工。憑借相差補(bǔ)償、多點同時加工技術(shù)一次掃描可以實現(xiàn)以往7次掃描才能完成的加工工序，效率大大提高。另外LBA不僅可以實現(xiàn)激光束更好聚焦和多點聚焦，還可以通過光束成形技術(shù)改變改質(zhì)層長度，形成超長改質(zhì)層，提高切割效率的同時，也拓寬了對晶圓材料的適應(yīng)性，實現(xiàn)高品質(zhì)加工Si晶圓的同時，也可以加工SiC、GaAs、GaN等材料的晶圓，實現(xiàn)高速低功耗器件化合物晶圓的高品質(zhì)切割。利用LBA相位補(bǔ)償、光束成形技術(shù)，可以先用激光表面射入方式在晶圓內(nèi)生成改質(zhì)層，再進(jìn)行晶圓背面研磨加工（BG），將超長SD層的改質(zhì)層全部研磨，只剩下一側(cè)的龜裂層厚度的晶片，從而得到超薄芯片（20μm左右）。

5 結(jié)束語

激光隱形切割方法劃片質(zhì)量好，劃切效率高，可以實現(xiàn)不規(guī)則形狀的芯片切割，提高了晶圓出片率。這些優(yōu)勢使激光隱形切割成為晶圓劃片技術(shù)的主流，更成為MEMS器件芯片制造必不可少的技術(shù)。MEMS器件構(gòu)造的進(jìn)一步小型化、復(fù)雜化和材料的多樣化，對MEMS晶圓的劃片提出了更高要求，隨著激光技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，特別是激光相差補(bǔ)償、多點聚焦、激光束成形技術(shù)的進(jìn)一步實用化，激光隱形切割會速度更快、效率更高，切割質(zhì)量更好，應(yīng)用范圍也會更廣。