劃片是將半導(dǎo)體晶圓分割成單個芯片的過程，一般在晶圓已完成前道工藝制程和電性能測試的基礎(chǔ)上進行。同時作為半導(dǎo)體封裝的首步工序，劃片質(zhì)量將直接影響封裝成品的最終可靠性。砂輪切割是目前應(yīng)用最為廣泛的一種劃片方式，采用金剛石顆粒和粘合劑組成的刀片，經(jīng)主軸聯(lián)動高速旋轉(zhuǎn)，與被加工材料相互磨削，并以一定速度進給，將晶圓逐刀分割成獨立芯片。在工藝過程因殘余應(yīng)力和機械損傷導(dǎo)致的崩裂等缺陷，是制約砂輪劃片發(fā)展的主要問題。隨著半導(dǎo)體集成電路飛速發(fā)展對劃片效率和質(zhì)量的新要求，該切割技術(shù)已結(jié)合不同加工材料的特點，從劃片刀選取、工藝參數(shù)優(yōu)化以及劃片方式改進等方面著手，有了一定的發(fā)展。面對器件多樣化的發(fā)展趨勢，特別是在超薄晶圓以及含有可動結(jié)構(gòu)的MEMS晶圓等非接觸劃片的發(fā)展需求，砂輪劃片已無法完全滿足。激光切割可有效避免砂輪崩裂問題，同時在小尺寸及MEMS芯片方面，凸顯出愈發(fā)重要的優(yōu)勢，本文將對目前主要應(yīng)用的激光隱形切割和激光燒蝕切割兩種劃片方式展開討論。

激光隱形切割技術(shù)

基本原理

隱形切割技術(shù)是將半透明波長的激光束通過光學聚焦透鏡聚焦于晶圓內(nèi)部，在晶圓內(nèi)部形成分割用的起點，即改質(zhì)層，再對晶圓施加外力將其分割成獨立芯片的技術(shù)。因此，隱形切割技術(shù)一般包括激光切割和芯片分離兩個過程。

激光切割過程，是根據(jù)加工材料的不同，選擇相應(yīng)波長激光經(jīng)由特定光路，聚焦于晶圓內(nèi)部形成改質(zhì)層，該改質(zhì)層在形成的同時，會形成指向晶圓正反兩個表面延伸的龜裂。對一定厚度的晶圓，需激光以不同焦深多次聚焦于晶圓內(nèi)部進行掃描，使改質(zhì)層間相互連接，最終形成適合分割的整體改質(zhì)層，這是促使芯片分離的重要步驟，激光切割工藝如圖1和圖2所示。

芯片分離，是在改質(zhì)層形成的基礎(chǔ)上，通過外力如劈刀施壓，或是直接通過擴裂方式，使改質(zhì)層貫穿于晶圓表面和底面，進而分離成獨立芯片的過程。

隱形切割技術(shù)優(yōu)勢和不足

隱形切割技術(shù)，是一種非接觸的完全干式化工藝，具有傳統(tǒng)砂輪切割無法比擬的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1、切割品質(zhì)提升：隱形切割的加工過程只作用于晶圓內(nèi)部，產(chǎn)生碎屑等沾污有限，同時這種非接觸的加工方式，可有效避免砂輪切割時因機械振動產(chǎn)生的損傷崩邊現(xiàn)象。

2、晶圓利用率和切割產(chǎn)能增加：隱形切割不會造成劃片間道的損失，可設(shè)計較小的間道寬度以有效利用晶圓面積，該特點對提高小尺寸芯片的晶圓利用率尤為明顯。因劃片間道尺寸變化，對每個晶圓的總芯片數(shù)量（DPW）影響，可由下面公式進行評估計算

其中，Reff是有效晶圓半徑，由物理半徑減去固定邊緣尺寸計算而得，A是包括間道寬度在內(nèi)的芯片面積，公式后半部分是修正因子。模型基于直徑為300 mm的12寸晶圓，去掉邊緣固定寬度3 mm，即Reff 為147mm。利用該公式，分別將常規(guī)砂輪切割所需80 μm的劃片間道寬度，與隱形切割僅需15μm劃片間道寬度進行同尺寸晶圓可產(chǎn)出芯片數(shù)量對比，結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，對尺寸1 mm×1 mm的芯片，間道寬度由80μm縮小至15 μm，可增加13.3%的芯片量，對0.5 mm×0.5 mm的芯片，因間道寬度的減少，甚至實現(xiàn)了晶圓總出芯片量1/4以上的增加。此外，利用校準偏差后的隱形切割技術(shù)，可將峰值功率高的光束聚焦于芯片內(nèi)部，由此獲得更長的延伸裂紋，從而減少掃描次數(shù)，就厚度為300 μm的硅晶圓，該技術(shù)與常規(guī)技術(shù)相比可降低約40%的切割耗時。

3、可加工晶圓結(jié)構(gòu)多樣化：MEMS等具有可動結(jié)構(gòu)晶圓加工，傳統(tǒng)砂輪劃片，受刀片冷卻及清洗水的沖擊影響，將直接破壞器件結(jié)構(gòu)，而干式化的隱形切割技術(shù)則完全可以勝任。

4、切割能力增加：通過控制激光的通斷，隱形切割可實現(xiàn)類似T型等復(fù)合圖形加工，避免砂輪劃片只能線性加工晶圓的不足。

雖然隱形切割在晶圓切割領(lǐng)域優(yōu)勢明顯，但該技術(shù)仍存在一定局限性，對電阻率低的材料，受激光吸收影響，改質(zhì)層形成變?nèi)�，寬度變窄，影響后續(xù)芯片分離過程。此外，該技術(shù)同樣不適于劃片間道有金屬表層晶圓的加工。

隱形切割技術(shù)應(yīng)用進展

選取合適激光器及光路系統(tǒng)，目前可實現(xiàn)激光隱形切割的材料，包括硅、藍寶石、碳化硅、砷化鎵等，在存儲器晶圓等領(lǐng)域均已實現(xiàn)批量加工。此外，隱形切割以干式切割、無崩邊等技術(shù)優(yōu)勢，使其在MEMS及TSV切割方面也有了長足發(fā)展。同時，為進一步滿足晶圓高效高質(zhì)量隱切的發(fā)展需求，通過應(yīng)用特殊光學元件及光路處理，將光束沿焦深方向調(diào)整為多獨立焦點聚焦或線聚焦的整形激光技術(shù)，也展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

激光燒蝕切割技術(shù)

基本原理

激光燒蝕切割是利用高能脈沖激光，經(jīng)光學系統(tǒng)準直和聚焦后，形成能量密度高，束斑尺寸只有微米級的激光束，作用于工件表面，使被照射區(qū)域局部熔化、氣化，從而使劃片間道材料去除，最終實現(xiàn)開槽或直接劃透。激光燒蝕切割基本原理如圖3所示。

激光燒蝕切割以高溫為作用機理，在燒蝕邊緣會形成被加工材料頻繁重鑄等現(xiàn)象的熱影響區(qū)域，如何控制熱影響區(qū)大小，是實現(xiàn)激光劃片在半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的主要途徑。根據(jù)所加工材料對不同波長激光的吸收特性，選擇配置相應(yīng)的激光器和光學系統(tǒng)。其中，脈沖寬度是影響切割質(zhì)量的重要參數(shù)，實指每一個激光單脈沖的持續(xù)時間，在功率和頻率一致的情況下，脈沖寬度越小，激光與加工材料的作用時間越短，熱影響區(qū)越小，可降低燒蝕過程對邊緣的不利影響。此外，激光器的選取還需兼顧效率和質(zhì)量，一般激光波長越短，加工熱影響區(qū)越小，但激光速度偏慢，效率偏低。

激光燒蝕切割技術(shù)優(yōu)勢和不足

與隱形切割相比，激光燒蝕切割也具有較高切割產(chǎn)能和晶圓利用率，同時能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合圖形的切割，但相比隱形切割不能加工低電阻及金屬表層的不足，激光燒蝕切割對所加工材料沒有明顯選擇性。由于激光燒蝕切割過程是在圓片表面產(chǎn)生局部熔化、氣化，無法避免劃片間道附近形成燒蝕及顆粒沾污，因此，燒蝕激光一般會增加晶圓切割前的表面保護工序，通常在表面涂覆水溶性的保護涂層，該涂層需具備良好的切割后去除能力，可將燒蝕形成的沾污顆粒隨涂層一并清洗去除。芯片強度是評估芯片切割質(zhì)量的重要手段，對芯片可靠性有重要影響，一般采用三點抗彎芯片強度測試，經(jīng)下面公式計算而得：

其中，F(xiàn)為芯片斷裂力；L為芯片跨距；h為芯片厚度；d為芯片寬度。

激光燒蝕切割芯片強度相比砂輪和隱切普遍偏低，一般會增加后處理工序以提高其強度，這是由于激光與材料的熱效應(yīng)，會在芯片側(cè)壁形成熔融層，這種重鑄結(jié)構(gòu)的存在，一方面可能掉落沾污在芯片表面，影響表面質(zhì)量，另一方面，重鑄結(jié)構(gòu)內(nèi)部的微裂紋等缺陷將直接影響芯片強度等性能，導(dǎo)致可靠性應(yīng)用風險，該問題是制約激光技術(shù)發(fā)展的主要原因。因此，激光燒蝕切割結(jié)束后，一般會增加濕法腐蝕或干法刻蝕等相關(guān)工序，以提高芯片強度。

激光燒蝕切割技術(shù)應(yīng)用進展

控制熱影響區(qū)的尺寸，是近年來應(yīng)用激光切割的主要研究方向，短脈沖寬度激光，如皮秒激光和飛秒激光，近年來在半導(dǎo)體晶圓切割方面有了一定應(yīng)用。相比飛秒激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，皮秒激光是目前應(yīng)用較多的一種激光源。

多光束激光切割由ASM公司創(chuàng)始，是將一束激光通過特殊光學元件DOE分成多束，相比單光束激光，可獲得能量更低、束斑更小的激光作用于材料表面，從而實現(xiàn)對熱影響區(qū)的控制，同時多光束激光作用又可兼顧切割效率。

微水導(dǎo)激光是另外一種控制熱影響區(qū)的方式，該技術(shù)是將激光光束以全反射方式約束在水柱中，在被加工材料被激光熔融氣化的同時，充分利用水柱及時帶走加工產(chǎn)生的熱量，以此消除傳統(tǒng)激光的熱影響，形成無熱損傷、無脆性重鑄的切割，該技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注，并逐步實現(xiàn)工程應(yīng)用。

轉(zhuǎn)自：光學與半導(dǎo)體綜研

來源：中國電子科技集團公司第十三研究所

作者：張曉磊

注：文章版權(quán)歸原作者所有，本文內(nèi)容、圖片、視頻來自網(wǎng)絡(luò)，僅供交流學習之用，如涉及版權(quán)等問題，請您告知，我們將及時處理。