在半導(dǎo)體芯片制造過(guò)程中，需要采用切割工藝對(duì)晶圓進(jìn)行劃片，然而傳統(tǒng)的金剛石切割、砂輪切割會(huì)對(duì)半導(dǎo)體材料造成較為嚴(yán)重的損傷，導(dǎo)致半導(dǎo)體晶圓碎裂、芯片性能下降等問(wèn)題，因此開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的切割技術(shù)將對(duì)集成電路半導(dǎo)體領(lǐng)域的降本增效具有極其重要的意義。隨著激光技術(shù)的進(jìn)步，采用高功率激光實(shí)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(shí)現(xiàn)的激光隱形切割(即激光隱切)技術(shù)逐漸成為了主流的芯片切割技術(shù)。激光切割技術(shù)屬于非接觸式加工方法，相對(duì)傳統(tǒng)金剛石切割和砂輪切割，不會(huì)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(wèn)題。然而，激光燒蝕切割所采用的大功率激光在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高的熱效應(yīng)，因此在切割晶圓時(shí)容易同時(shí)破壞底部的藍(lán)膜，進(jìn)而對(duì)芯片加工工藝產(chǎn)生影響，因此激光隱切技術(shù)逐漸成為了半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的關(guān)注焦點(diǎn)。

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

先進(jìn)切割：激光隱切工藝詳解及其應(yīng)用舉例

激光隱切技術(shù)通過(guò)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(jìn)而實(shí)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(wú)碎屑或極少碎屑)和低切口損失等優(yōu)勢(shì)。激光隱切的具體工藝過(guò)程可分為兩個(gè)步驟：

(1) 激光誘導(dǎo)穿孔： 如圖2所示，采用光學(xué)系統(tǒng)將可透過(guò)晶圓的脈沖激光束聚焦到晶圓表面下方的焦點(diǎn)，當(dāng)該焦點(diǎn)處激光功率密度達(dá)到峰值時(shí)，將會(huì)形成穿孔，此時(shí)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(lán)膜展開(kāi)后，由于激光穿孔附近存在較大的張應(yīng)力和壓應(yīng)力，因此可沿著激光路徑在晶圓內(nèi)部誘導(dǎo)產(chǎn)生裂縫，實(shí)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(shù)目前已在多種晶圓切割上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，例如：

(1) 硅片切割 ：采用傳統(tǒng)的金剛石刀片切割硅片時(shí)，刀片的厚度、粒度、旋轉(zhuǎn)及切割速度會(huì)嚴(yán)重影響硅片切割的質(zhì)量，盡管多年來(lái)人們一直在改進(jìn)相關(guān)的技術(shù)方案，但刀片造成的大切割寬度(切口)仍然會(huì)導(dǎo)致材料的浪費(fèi)，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(shù)，就可以避免額外的碎屑清理和材料浪費(fèi)帶來(lái)的成本問(wèn)題，進(jìn)而提高芯片的生產(chǎn)率，此外由于避免了熱損傷問(wèn)題，激光隱切技術(shù)還能夠進(jìn)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(jī)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(shù)相較于固定磨料(鉆石電鍍于鋼線上)的線切割技術(shù)，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(wèn)題，激光隱切技術(shù)還可實(shí)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(shù)對(duì)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(jìn)行切割時(shí)，可避免碎裂和裂紋的產(chǎn)生，并實(shí)現(xiàn)高效率、高精度的晶圓切割。

不斷進(jìn)階的激光隱切技術(shù)

盡管激光隱切技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，但在切割過(guò)程中仍會(huì)受到一系列問(wèn)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(wèn)題將導(dǎo)致激光焦點(diǎn)無(wú)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(jìn)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(guò)度加工等問(wèn)題;此外模擬量干擾、模擬量非線性、模擬量零漂，或驅(qū)動(dòng)器電流環(huán)延遲等問(wèn)題，將影響激光切割平臺(tái)的控制精度和響應(yīng)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^(guò)度加工

針對(duì)以上問(wèn)題，目前學(xué)術(shù)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(shí)時(shí)高度跟隨控制： 在切割晶圓時(shí)，通過(guò)位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量產(chǎn)品表面微小的高度波動(dòng)，并實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)郊す馄魉诘膠軸，確保激光焦點(diǎn)精確落在晶圓中的具體薄層;

(2) 高速位置比較輸出控制： 開(kāi)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(guò)度加工問(wèn)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(shù) ： 通過(guò)控制器直接產(chǎn)出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，經(jīng)功率放大模塊后直接控制電機(jī)電流環(huán)，實(shí)現(xiàn)更快、更直接地提升激光切割平臺(tái)的控制精度和響應(yīng)度。

圖5 (a)晶圓激光隱切時(shí)采用的高度跟隨方案，(b)在運(yùn)動(dòng)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(kāi)關(guān)量信號(hào)控制電機(jī)電流環(huán)

針對(duì)單焦點(diǎn)激光隱切的作用面積小、激光作用功率調(diào)諧問(wèn)題，人們還針對(duì)性地開(kāi)發(fā)了多焦點(diǎn)激光隱切技術(shù)，該技術(shù)能夠在晶圓內(nèi)部同時(shí)聚焦生成多個(gè)焦點(diǎn)進(jìn)行切割，實(shí)現(xiàn)切割效率成倍地提高，如圖6所示。

圖6 (a)多焦點(diǎn)隱切實(shí)驗(yàn)裝置原理圖，(b)多焦點(diǎn)激光隱切后的晶圓橫截面

在多焦點(diǎn)激光隱切過(guò)程中，激光束的位置和強(qiáng)度對(duì)切割質(zhì)量都具有較大影響，并且由于空氣和半導(dǎo)體材料的折射率差距過(guò)大，作用在晶圓內(nèi)部的激光束會(huì)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(yīng)用場(chǎng)合下的晶圓切割需求，人們還針對(duì)以上問(wèn)題開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，包括調(diào)控多焦點(diǎn)的位置和強(qiáng)度，開(kāi)發(fā)像差矯正技術(shù)以克服焦斑彌散現(xiàn)象等。

激光隱切技術(shù)將有更廣闊的天地

激光隱切相對(duì)傳統(tǒng)的切割技術(shù)而言，在實(shí)際應(yīng)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(guò)對(duì)激光隱切技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和探索，例如：通過(guò)調(diào)節(jié)激光隱切過(guò)程中的光束能量實(shí)現(xiàn)光芯片的表面粗化;進(jìn)一步提高激光隱切的效率等，我們相信這項(xiàng)技術(shù)在集成電路半導(dǎo)體制造以及其他新興領(lǐng)域中，都將大放異彩。

審核編輯：湯梓紅