激光晶圓劃片系統的設計

萬松峰 熊長煒

（東莞職業技術學院智能制造學院，廣東 東莞 523808）

0 引言

劃片主要用于碳化硅、藍寶石、砷化鎵等材料的加工，是將半導體晶圓分割成單個芯片的工序。劃片要求切縫窄、崩邊小、裂紋少、無分層[1]，劃片質量直接影響半導體封裝成品的可靠性[2-3]。面對半導體不斷微型化、高集成化、超精細化的發展趨勢，晶圓直徑不斷增大，厚度越來越薄，使得晶圓對外力較為敏感。單位面積上集成的電路不斷增加，留給分割的劃片道越來越小，無法完成任意線段形狀的劃切，砂輪劃片機已無法完全滿足需求。

激光具有單色性好、方向性強、劃片效率高等特點，因此激光劃片目前已經成為晶圓劃片的研究熱點。2023年，段凌云等人研究了激光劃片砷化鎵晶片時加工參數激光脈沖能量、水射流壓力、加工速度、水射流角度等對微槽深度、微槽寬度和材料去除率的影響[4]。2022年，許軍等人通過濕法臺階刻蝕工藝在電池晶圓上做成切割槽后采用激光劃片晶圓，尺寸誤差小于10 μm，與金剛石砂輪劃片相比具有速度快、維護周期短等優點[5]。2020年，汪于濤等人利用德國的PX100-3-GF激光器對單晶硅切割進行研究，探討了激光能量、光斑、切縫寬度及切割次數對單晶硅切割的影響[6]。2018年，張乾等人針對激光劃片機的自動化生產需求，利用圖像識別和模板匹配，在激光劃片機上實現晶圓的自動對位，最后通過建立網格節點的方式得出劃片軌跡實現晶圓的自動識別與劃片，但適應多種復雜晶圓自動對位算法的兼容性存在一定問題[7]。

激光劃片機已經成為半導體行業中的重要設備，日本DISCO公司銷售的激光劃片機占據了大量的市場份額。隨著半導體行業對精度和效率的要求不斷提高，激光劃片機需要進一步升級。為了滿足半導體生產制造中對高效率、高精度、柔性化的要求，設計了一套全自動激光晶圓劃片系統，配備了視覺自動對準和自動上下料系統，大大提高了劃片效率和質量。

1 系統方案

全自動激光半導體劃片機通過高功率激光輻照半導體晶圓表面，利用半導體材料氣化或升華原理實現對砷化鎵（GaAs）半導體晶圓片的自動劃切。激光劃片機的總體結構如圖1所示。

圖1 激光劃片機示意圖

自動激光劃片機由上下料裝置、激光裝置、劃片工作臺和控制系統等組成，激光和視覺系統固定，晶圓片放在劃片工作臺的支架上，工作臺帶動晶圓片移動實現劃片操作。

激光劃片的工作過程：上片、對準、劃片和下片等。上料吸盤機構將料盒從儲料盒中推出來，通過上下料中的定位裝置將料盤定位，然后通過傳輸裝置將料盤運送到旋轉工作臺，旋轉工作臺利用真空嘴吸附固定料盤，利用視覺自動對位后，利用X/Y軸的往復運動實現自動劃片。自動劃片完成后下料裝置將劃切好的晶圓片傳送至下一工站。

激光劃片機是建立在激光束的聚焦和掃描技術之上，一股激光束通過聚焦透鏡和掃描鏡被精確聚焦到待劃片的材料表面。激光束照射在材料表面，產生高溫和高壓，形成激光刻蝕效應，從而在材料表面刻出一條刻痕。激光劃片機的主要組成部分包括激光源、聚焦透鏡、掃描鏡、運行工作臺和控制系統等，其中激光的功率和工作頻率對劃片的效率和精度起著決定性作用，故采用美國PAR公司的100/25型CO2激光器，波長為10.6 μm，含有RS232接口。聚焦透鏡和掃描鏡則負責控制激光束的聚焦和掃描。工作臺用于放置待劃切的半導體晶圓，其穩定性對劃片精度具有重要影響。控制系統則負責協調各部件的工作，包括激光束的掃描路徑、激光功率和工作時間等。

2 上下料與劃片工作臺機構設計

上下料系統如圖2所示，主要包括上料裝置、上下料裝置、抓取裝置和其他輔助裝置。上料裝置的運動由步進電機、傳動機構和氣動抓取裝置實現。上下料裝置利用升降機構將料盒上下移動到相應位置，由于料盒移動對精度要求不高，故采用絲杠滑塊結構，步進電機帶動絲杠滑塊實現模塊的上下直線運動。上料裝置利用升降機構的運動移動放有待搬運晶圓片的料盒以適應抓取裝置的取料。抓取裝置由伸縮氣缸、旋轉氣缸和吸嘴等組成，通過控制系統對步進電機、氣缸和真空發生器等進行控制，實現晶圓片的自動上料。自動上下料系統能提高生產效率，降低生產成本，提高昂貴設備的利用率，實現大規模靈活生產。

圖2 上下料模塊

劃片工作臺如圖3所示，由劃片運動裝置、真空吸盤和固定裝置等組成。劃片運動裝置能夠實現X/Y方向的運動和旋轉運動，X/Y方向的精密絲杠平臺固定設置于切割工作臺平臺的下方，通過移動配合激光控制系統實現半導體晶圓的劃片。X/Y方向位置分辨率10 nm，最高進給速率1 500 mm/min，加速度大于2 m/s2，定位精度0.1 μm。X/Y方向的電機根據計算選擇功率為400 W的松下A5系列低慣量型伺服電機，額定轉速為3 000 r/min，額定轉矩為1.3 N·m。絲杠采用THK公司的DIK型單螺母滾珠絲杠，行程為500 mm。由于采用機器視覺實現自動對準，要求旋轉工作臺精度高、響應快、運行平穩，DD馬達電氣控制精度高且具有高剛性，故采用DD馬達直接驅動工件臺旋轉。DD馬達參數：額定轉速2.0 r/s，重復定位精度±3″，絕對定位精度±45″，最大輸出轉矩30 N·m，偏差小于5 μm。

圖3 劃片工作臺

3 控制系統設計

自動激光劃片機的控制系統采用“工控機+PLC”的控制架構體系，模塊化設計，即系統由主控單元和運動控制組成。主控機運行上位機軟件，利用S7.Net.dll動態鏈接庫向S7-1500 PLC發送命令和接收數據；S7-1500 PLC與華太模塊組成分布式IO系統實現激光加工、上下料等輸入/輸出信號的處理，利用Halcon提供的圖像處理算子實現視覺識別對準和檢測等。控制系統框圖如圖4所示。

圖4 控制系統框圖

針對原有激光劃片機存在抗干擾能力差、易出現死機等問題，本項目選用西門子S7-1500 PLC作為劃片機的下位機運動核心，借助全集成自動化平臺實現混合編程。S7-1500PLC支持PROFINET、PROFIBUS、TCP/IP、OPC UA和Modbus等通信，可方便地實現與上位機軟件或遠程模塊的安全高效通信。X/Y方向定位精度要求高，不允許有誤差累計，全程500 mm累計誤差不大于3 μm，選分辨率為0.25 μm的光柵尺進行位置測量，實現全閉環控制，如圖5所示，控制算法采用模糊PID。

圖5 全閉環控制系統

視覺對準系統如圖6所示，主要由相機、鏡頭和光源組成。相機選用分辨率為2 592像素×1 944像素的黑白工業相機，遠心鏡頭，環形光源。對準是激光刀具或運動平臺的運動路徑與晶圓劃片“軌道”的對齊和定位，能保證劃片一直沿著預定軌跡進行，對準系統是劃片機實現自動化、高效率加工的基礎，直接影響劃片的整體精度，是激光劃片的關鍵技術。相機采集晶圓圖像后，利用Halcon模板匹配算子找到晶圓邊緣，然后利用Hough算子搜索中心線，利用中心線進行角度偏差校正，完成對準操作。

圖6 視覺對準系統

4 驗證分析

設計的全自動激光晶圓劃片機可實現全自動上下料、自動對焦、自動劃片和檢測。對砷化鎵（GaAs）半導體晶圓片進行劃片實驗，結果表明，該全自動激光晶圓劃片機的劃片精度達±10 μm，劃片線寬≤0.03 mm，最大劃片速度230 mm/s，可以滿足半導體晶圓的劃片需求，可以為進一步推廣激光在全自動晶圓劃片系統中的應用提供參考。

5 結束語

面對半導體不斷微型化、高集成化、超精細化的發展趨勢，晶圓直徑不斷增大，厚度越來越薄，單位面積上電路不斷增加，劃切道越來越小，砂輪劃片機已無法完全滿足需求。本文所述全自動激光晶圓劃片機具有自動上下料系統和視覺對準系統，可實現多盤的全自動劃切，大大提高了劃片質量和效率，可以滿足目前的晶圓生產需求。