在半導體芯片制造過程中，需要采用切割工藝對晶圓進行劃片，然而傳統(tǒng)的金剛石切割、砂輪切割會對半導體材料造成較為嚴重的損傷，導致半導體晶圓碎裂、芯片性能下降等問題，因此開發(fā)出先進的切割技術將對集成電路半導體領域的降本增效具有極其重要的意義。隨著激光技術的進步，采用高功率激光實現(xiàn)的激光燒蝕切割(即激光劃片)和利用小功率激光聚焦實現(xiàn)的激光隱形切割(即激光隱切)技術逐漸成為了主流的芯片切割技術。激光切割技術屬于非接觸式加工方法，相對傳統(tǒng)金剛石切割和砂輪切割，不會產(chǎn)生崩刃、刀具磨損和水污染，熱影響和夾渣等不可忽視的問題。然而，激光燒蝕切割所采用的大功率激光在工作過程中會產(chǎn)生較高的熱效應，因此在切割晶圓時容易同時破壞底部的藍膜，進而對芯片加工工藝產(chǎn)生影響，因此激光隱切技術逐漸成為了半導體制造產(chǎn)業(yè)的關注焦點。

圖1 晶圓切割技術：(a)金剛石刀片切割，(b)砂輪切割和(c)激光隱切技術

先進切割：激光隱切工藝詳解及其應用舉例

激光隱切技術通過將激光聚焦形成小面積的光斑，可產(chǎn)生巨大的能量密度，進而實現(xiàn)晶圓切割。作為一種干式工藝，激光隱切具有高速、高質(zhì)量(無碎屑或極少碎屑)和低切口損失等優(yōu)勢。激光隱切的具體工藝過程可分為兩個步驟：

(1) 激光誘導穿孔： 如圖2所示，采用光學系統(tǒng)將可透過晶圓的脈沖激光束聚焦到晶圓表面下方的焦點，當該焦點處激光功率密度達到峰值時，將會形成穿孔，此時晶圓上的芯片還未產(chǎn)生分離;

(2) 芯片分離： 將放置在晶圓的藍膜展開后，由于激光穿孔附近存在較大的張應力和壓應力，因此可沿著激光路徑在晶圓內(nèi)部誘導產(chǎn)生裂縫，實現(xiàn)芯片分離。

圖2 激光聚焦后在隱切層中形成穿孔

激光隱切技術目前已在多種晶圓切割上實現(xiàn)應用，例如：

(1) 硅片切割 ：采用傳統(tǒng)的金剛石刀片切割硅片時，刀片的厚度、粒度、旋轉(zhuǎn)及切割速度會嚴重影響硅片切割的質(zhì)量，盡管多年來人們一直在改進相關的技術方案，但刀片造成的大切割寬度(切口)仍然會導致材料的浪費，并且碎屑的產(chǎn)生及刀片磨損也增加了切割成本，而采用具有超窄切割路徑的激光隱切技術，就可以避免額外的碎屑清理和材料浪費帶來的成本問題，進而提高芯片的生產(chǎn)率，此外由于避免了熱損傷問題，激光隱切技術還能夠進一步提高芯片制造的良率;

(2) 碳化硅切割 ：碳化硅是一種硬度僅次于金剛石的超硬材料，機械加工難度非常高，在大尺寸(6英寸及以上)碳化硅晶體襯底材料的制備環(huán)節(jié)，激光隱切技術相較于固定磨料(鉆石電鍍于鋼線上)的線切割技術，其切割效率可提升3～5倍，并且由于存在材料消耗的顯著問題，激光隱切技術還可實現(xiàn)將碳化硅晶圓的產(chǎn)出率提高30%以上;

(3) 特種晶圓切割 ：采用激光隱切技術對特種晶圓(例如帶有芯片貼裝薄膜或由低k 材料制成的晶圓)進行切割時，可避免碎裂和裂紋的產(chǎn)生，并實現(xiàn)高效率、高精度的晶圓切割。

不斷進階的激光隱切技術

盡管激光隱切技術具有諸多優(yōu)勢，但在切割過程中仍會受到一系列問題的干擾。如圖4所示，晶圓表面翹曲、激光能量密度調(diào)控問題將導致激光焦點無法精確落在晶圓中的具體薄層，阻礙了切割精度、芯片良率的進一步提升;由于激光束在加速、減速和轉(zhuǎn)角段難以均勻作用于晶圓，容易出現(xiàn)過度加工等問題;此外模擬量干擾、模擬量非線性、模擬量零漂，或驅(qū)動器電流環(huán)延遲等問題，將影響激光切割平臺的控制精度和響應度。

圖4 (a)晶圓表面翹曲影響切割精度，(b)激光作用不均勻?qū)е逻^度加工

針對以上問題，目前學術界和產(chǎn)業(yè)界提出了一系列的解決方案，如圖5所示，具體包括：

(1) 實時高度跟隨控制： 在切割晶圓時，通過位移傳感器實時測量產(chǎn)品表面微小的高度波動，并實時補償?shù)郊す馄魉诘膠軸，確保激光焦點精確落在晶圓中的具體薄層;

(2) 高速位置比較輸出控制： 開發(fā)高度跟隨算法，有效避免了激光在加速、減速和轉(zhuǎn)角段的過度加工問題，使激光均勻地作用在被加工物體上;

(3) PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制技術 ： 通過控制器直接產(chǎn)出開關量信號，經(jīng)功率放大模塊后直接控制電機電流環(huán)，實現(xiàn)更快、更直接地提升激光切割平臺的控制精度和響應度。

圖5 (a)晶圓激光隱切時采用的高度跟隨方案，(b)在運動軌跡的所有階段以恒定的空間間隔采集高度數(shù)據(jù)，(c)用開關量信號控制電機電流環(huán)

針對單焦點激光隱切的作用面積小、激光作用功率調(diào)諧問題，人們還針對性地開發(fā)了多焦點激光隱切技術，該技術能夠在晶圓內(nèi)部同時聚焦生成多個焦點進行切割，實現(xiàn)切割效率成倍地提高，如圖6所示。

圖6 (a)多焦點隱切實驗裝置原理圖，(b)多焦點激光隱切后的晶圓橫截面

在多焦點激光隱切過程中，激光束的位置和強度對切割質(zhì)量都具有較大影響，并且由于空氣和半導體材料的折射率差距過大，作用在晶圓內(nèi)部的激光束會產(chǎn)生焦斑彌散現(xiàn)象，所以需要像差矯正。為了滿足不同應用場合下的晶圓切割需求，人們還針對以上問題開展技術攻關，包括調(diào)控多焦點的位置和強度，開發(fā)像差矯正技術以克服焦斑彌散現(xiàn)象等。

激光隱切技術將有更廣闊的天地

激光隱切相對傳統(tǒng)的切割技術而言，在實際應用中具有顯著的高效率、高質(zhì)量和低損失等優(yōu)越性，通過對激光隱切技術進行進一步的優(yōu)化和探索，例如：通過調(diào)節(jié)激光隱切過程中的光束能量實現(xiàn)光芯片的表面粗化;進一步提高激光隱切的效率等，我們相信這項技術在集成電路半導體制造以及其他新興領域中，都將大放異彩。

審核編輯：湯梓紅