超短脈衝雷射技術在半導體晶圓中的應用

隨著雷射技術的不斷發展以及雷射技術深入半導體行業，雷射已經在半導體領域多道工序取得成功應用。

廣為熟知的雷射打標，使得精細的半導體晶片標識不 再是個難題。

雷射切割半導體晶圓，一改傳統接觸式刀輪切割弊端，解決了諸如刀輪切割易崩邊、切割慢、易破壞表面結構等諸多問題。

在集成電路工藝線寬越來越 小的情況下，LOW-K材料(K為介電常數，即低介電常數材料)越來越多的應用於集成IC中，由於LOW-K層傳統工藝很難加工，於是引入了雷射開槽工 藝，利用雷射將切割道中LOW-K層去除。

目前12寸矽晶圓已廣泛應用於半導體集成電路領域，而且晶圓越做越薄，將薄晶圓鍵合於承載晶圓片上流片後通過拆 鍵和將兩部分分開，雷射拆鍵以其高效率無耗材等諸多優勢成為關注熱點。

另外雷射還在鑽孔、劃線、退火等工序取得不錯的應用成果。

引言

自上世紀六十年代第一台雷射器設備問世以來，關於雷射及其在各個領域的應用的研究得到了迅猛的發展，近20年來，雷射製造技術已滲透入到諸多高科技領域和產業，其中雷射技術在半導體領域的應用是最為廣泛和活躍的領域之一。

近年來光電產業的快速發展，高集成度和高性能的半導體晶圓需求不斷增長，矽、碳化矽、藍寶石、玻璃以及磷化銦等材料作為襯底材料被廣泛應用於半導體 晶圓領域。

隨著晶圓集成度大幅提高，晶圓趨向於輕薄化，傳統的很多加工方式已經不再適用，於是在部分工序引入了雷射技術。

雷射加工具有諸多獨特的優勢：

1. 非接觸式加工：雷射的加工只有雷射光束與加工件發生接觸，沒有刀削力作用於切割件，避免對加工材料表面造成損傷。

2. 加工精度高：脈衝雷射可以做到瞬時功率極高、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域極小，確保高精密加工。

3. 加工效率高，經濟效益好：雷射加工效率往往是機械加工效果的數倍且無耗材無污染。

1. 半導體晶圓的雷射切割

1.1 雷射隱形切割

雷射隱形切割是一種全新的雷射切割工藝，具有切割速度快、切割不產生粉塵、無切割基材耗損、所需切割道很小、完全乾製程等諸多優勢。

其原理是將短脈 衝激光光束透過切割材料表面聚焦在材料中間，由於短脈衝雷射瞬時能量極高，在材料中間形成改質層，然後通過外部施加壓力使晶片分開。

中間形成的改質層如圖 1所示：

圖1 300μm厚晶圓截面圖

目前雷射隱形切割技術廣泛應用於LED晶片、MEMS晶片、FRID晶片、SIM晶片、存儲晶片等諸多晶圓的切割，如圖2以矽襯底MEMS晶圓為例，可以看到隱形切割的晶片幾乎沒有崩邊和機械損傷。

圖2 MEMS晶圓雷射切割效果圖

隱形切割也有它的局限性，由於隱形切割需要將特定波長的雷射聚焦於物質的內部，所切割的物質必須對特定波長的雷射具有較大的透射率，另外需要切割道內光滑以防止對照射的雷射形成漫反射。

目前隱形切割能夠切割Si、SiC、GaAS、LiTaO3、藍寶石、玻璃等材料。

1.2 雷射表面燒蝕切割

表面燒蝕切割是較為普遍的雷射切割工藝，其原理是將雷射聚焦於所需材料的表面，聚焦的地方吸收雷射能量後形成去除性的融化和蒸發，在切割表面形成一定深度的"V"型口，然後通過外部施加壓力使晶片分開。

切割完後的"V"型槽如圖3所示：

圖3 雷射表面切割形成的"V"型口

雷射表面切割具有更強的通用性，使用超短脈衝雷射進行表面切割能夠很好的將熱影響區域控制在很小的範圍內。

目前該雷射切割技術廣泛應用於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晶片為例，我們可以看到雷射表面切割能夠有較好的切割面。

圖4 雷射表面切割截面以及切割效果圖

對比隱形切割技術，雷射表面切割的工藝窗口更寬，但是它也有不足之處：

1. 切割效率往往低於隱形切割;

2. 部分晶圓切割前需要塗覆保護液，切割完後需要清洗保護液;

3. 晶圓越厚需要切割越深，表面的開口就越大，熱影響區也就越大。

2. 半導體晶圓雷射開槽

隨著晶片集成度的不斷提高，線寬越來越小，RC時延、串擾噪聲和功耗等成為嚴重的問題。

在這樣的背景下LOW-K層被引入到了集成電路領域，當工藝 線寬小於65nm時，必須使用LOW-K層以克服上訴問題。

由於半導體工藝線寬不斷減小，台積電已在研發建設9nm工藝線，低電介質絕緣薄膜的使用日益增 多，low-k晶圓雷射開槽設備逐步進入眾多晶圓封裝廠以滿足先進封裝的需求。

目前我司的雷射開槽設備採用業內目前最新的"π"型分光加工方式，以確保較優的開槽效果。

首先雷射在需開槽區域兩側劃兩條線，再利用雷射在兩條線中 間開一個"U"型的槽，通過開槽將傳統刀輪難以處理的LOW-K層去除，然後刀輪從開槽區域切割或利用雷射切割將晶片切割開。

雷射加工前需要塗覆保護液， 開槽後利用二流體將保護液體清洗乾淨，故加工過程中能夠很好的保護晶片其他區域。

如圖5所示，為LOW-K晶圓開槽的表面效果圖和3D顯微鏡圖片。

圖5 LOW-K晶圓開槽的表面效果圖和3D顯微鏡圖片

除了LOW-K晶圓，該工藝還可以應用於其他刀輪難以切割的物質去除，比如薄金屬層、SiO2層、有機層等。

另外我司設備開槽寬度及深度在一定範圍內可調，確保了設備在處理不同材料的通用性。

3. 雷射打標在半導體領域的應用

雷射打標憑藉其打標精度高、不易擦除、打標速度快等明顯優勢首先走入了各行各業，在半導體行業中自然也離不開打標，然而半導體行業中的打標又有其特 殊的需求，晶圓級打標便是其中一種。

晶圓級打標主要應用於WL-CSP(Wafer Level-Chip Scale PACkage)晶圓的在晶圓背面每個die的襯底上打標，確保了每一顆晶片的可追溯性，打標完成後再切割成單個晶片。

因為晶圓到了打標這道工序的時候晶 圓的流片已經完成，晶圓已十分寶貴，所以對打標設備提出了更高的要求，主要體現在：(1)晶圓趨於輕薄化打標需要做到針對不同材料的打標進行深度控制且保 證打標字體清晰;(2)晶圓的尺寸越做越小對於定位精度和字體大小提出了更高的要求;(3)薄晶圓在打標過程中的傳動及輸送十分關鍵。

目前行業內使用比較 多的晶圓級打標設備是EO TechNIcs的CSM-3000系列。

近幾年由於晶圓級WL-CSP封裝方式的興起，對於晶圓級打標的需求越來越強烈，國內外知名的雷射設備公司也紛 紛研發晶圓級打標設備以及其替代方案。

當然除了晶圓級打標外在半導體行業還有其他很多打標的應用，比如說封裝後器件表面的打標、晶圓片序列號的打標等等。

4. 雷射在半導體領域的一些新興的應用

4.1 雷射拆鍵和

由於晶圓尺寸逐漸增大厚度減薄，晶圓在流片過程中就容易碎片，於是引入了載體層。

將薄晶圓同載體層鍵和在一起，防止在流片過程中晶圓破損。

相較於其 他拆鍵和方式，雷射拆鍵可以使用聚醯亞胺作為鍵和劑，該方式鍵和可以耐受400℃以上的溫度，而一般的鍵和劑在200℃時候就會變性，這就使得一般鍵和劑 在做高低溫循環時候就已經失效。

由於雷射玻璃技術需要將雷射作用於載體和晶圓中間的粘連劑上，所以需要載體能夠透過相應波長的雷射。

目前使用較多的雷射為 紫外雷射，載體為玻璃晶圓襯底。

雷射剝離技術多用於IGBT和矽基功率器件等薄晶圓的剝離。

4.2 雷射退火

歐姆接觸是半導體器件的重要的組成部分，退火是製備歐姆器件的關鍵工序，起到決定接觸點性能的作用。

雷射退火主要優勢體現在(1)加熱時間短，能夠 獲得高濃度的摻雜層;(2)加熱局限於局部表層，不會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;(4)由於雷射束可以整形到非常細， 為微區薄層退火提供了可能。

近幾年來也出現了幾類雷射退火的方法如：脈衝雷射退火、連續雷射退火、紅外輻射雷射退火等等。

4.3 雷射鑽孔

雷射鑽孔廣泛用於金屬、PCB、玻璃面板等領域的鑽孔，在半導體領域雷射鑽孔還是一個新興的應用，隨著3D封裝技術的興起，TSV(矽通孔)技術逐 步發展，對於雷射鑽孔的需求也愈發強烈。

目前雷射鑽孔存在著明顯的優勢和劣勢，優勢表現在鑽孔成本低、無耗材、可以鑽孔不同的材料等等;劣勢主要表現在孔 內壁比較粗糙、密集鑽孔效率低、對鑽孔材料強度的損傷等等。

當然研究人員也在研究新的鑽孔技術來克服現在鑽孔的弊端，比如說雷射結合化學的鑽孔方式等等。

當然雷射在半導體領域還有其他一些應用，在此無法一一列舉介紹。

5. 總結

雷射作為一種非接觸式的加工方式，有著其得天獨厚的優勢，還被譽為"未來製造系統共同的手段"，故隨著雷射行業的不斷發展，雷射的應用定會越來越廣泛。