摘要：通過實(shí)驗(yàn)研究了紫外激光切割晶圓的工藝，測得不同激光功率和切割速度下的切割深度和切縫寬度，分析了各參數(shù)對切割深度及切割質(zhì)量的影響，對存在的問題提出了改進(jìn)的意見及方法，為實(shí)際應(yīng)用中參數(shù)的選擇和工藝的改進(jìn)提供了參考。并依用戶要求對晶圓樣品進(jìn)行實(shí)際切割，經(jīng)用戶鑒定達(dá)到了使用要求。

引言 日常生活中，手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電腦、家電中的PCB和FPC上面都布滿集成電路，它是采用一定的工藝，把電路中的元器件和布線制作在半導(dǎo)體晶片上，然后封裝為一個整體，使之成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)，這樣整個電路的裝配密度高、體積小、功耗低、引出線少、可靠性高、便于大規(guī)模生產(chǎn)。其中半導(dǎo)體晶片的原材料是硅，二氧化硅經(jīng)提煉提純后，制成高純度的多晶硅，再將多晶硅融解、拉晶制成硅晶棒，硅晶棒經(jīng)過研磨、拋光和切片后即得到制作集成電路的基本原材料——硅晶圓片。將晶圓片經(jīng)過沉積、蝕刻、加溫、光阻處理、涂布、顯影等數(shù)百道工序，在硅晶片上加工制作成具有特定電路功能的IC產(chǎn)品，晶圓制造就完成了。由于工藝需要及為了提高制作速率和降低成本，通常是在晶圓上制作集成電路芯片陣列，然后采用切割工藝將其分割。切割完畢后再進(jìn)行焊接和封裝，經(jīng)過測試后就可以上市或者送到相應(yīng)的客戶手中用于生產(chǎn)各式產(chǎn)品了。

晶圓切割的目的是將晶圓上一顆顆晶粒切割分離，傳統(tǒng)方式是采用鉆石刀切割，但由于硅是脆性材料，極易碎裂，接觸式加工極易使邊緣破裂，交叉部分更為嚴(yán)重，導(dǎo)致成品率低，原材料的損耗大，有時還可能造成隱性裂紋影響電性參數(shù)。且隨著電子產(chǎn)品“輕、薄、短、小”的市場趨勢，晶圓的厚度也不斷減薄，變的更為脆弱，因此鉆石刀切割的破片率大量增加，此階段晶圓價格昂貴，百分之幾的破片率就足以使利潤全無；另一方面當(dāng)成品晶圓覆蓋有金屬薄層時，問題更加復(fù)雜，金屬碎屑會包裹在鉆石刀鋒上，使切割能力大大下降，嚴(yán)重的會有造成破片碎刀的后果。其切割效果如圖1所以，崩邊現(xiàn)象明顯，尤其是交叉部分破損更為嚴(yán)重。這樣機(jī)械加工方式已經(jīng)遇到無法克服的困難，此時人們自然想到用激光來加工。

圖1 鉆石刀切割晶圓切邊狀況

激光切割屬非接觸加工，無應(yīng)力，因此切邊平直整齊，無損壞；不存在刀具磨損問題，因此無耗材，降低使用成本；不會損傷晶圓結(jié)構(gòu)，電性參數(shù)優(yōu)于機(jī)械切割方式；切割速度快，切割深度容易控制，可以在維持速度不變的條件下，加大輸出功率來增大切割厚度，工作效率大大提高；切縫寬度小，這意味著可以在同樣尺寸的晶圓上作出更多的產(chǎn)品，提高產(chǎn)量和降低成本；激光可以切割任意形狀，如六角形晶粒，突破了鉆石刀只能以直線式加工的限制，使晶圓設(shè)計(jì)更為靈活方便。因此激光切割顯然是晶圓切割的一條必走之路。

另外，IC在日常應(yīng)用、科學(xué)研究和軍事領(lǐng)域都已經(jīng)成為不可或缺的用品，隨著應(yīng)用范圍及需求用量的擴(kuò)大，多年來晶圓生產(chǎn)及晶圓代工一直以強(qiáng)勁的勢頭發(fā)展，經(jīng)濟(jì)效益更是逐年高速增長，但是長期以來激光切割晶圓的技術(shù)一直被國外所壟斷，其設(shè)備昂貴的價格令廠商望而卻步，而國內(nèi)激光切割晶圓技術(shù)雖在逐步發(fā)展但并不成熟，只能依賴于國外的技術(shù)支持，因此研究激光切割晶圓技術(shù)在打破國外壟斷、發(fā)展自主創(chuàng)新技術(shù)和提高產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益等方面都有積極且重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)原理與系統(tǒng)

1.1激光切割原理#p#分頁標(biāo)題#e#

激光經(jīng)過聚焦后照射到材料上，使被切割材料溫度急速升高，然后使之熔化或汽化。隨著激光與被切割材料的相對運(yùn)動，在切割材料上形成切縫從而達(dá)到切割的目的。在切割晶圓時通常選擇紫外激光作為切割光源，與YAG和CO2激光通過熱效應(yīng)來切割不同，紫外激光直接破壞被加工材料的化學(xué)鍵，從而達(dá)到切割目的, 這是一個“冷”過程，熱影響區(qū)域小；另外紫外激光的波長短、能量集中，切縫寬度小，因此在精密切割和微加工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[2]。另外在實(shí)際應(yīng)用中激光切割晶圓有兩種，一是劃片切割，即切割深度只需硅片厚度的1/3～1/4，由于應(yīng)力作用只需稍加外力，晶圓就可以很容易地沿切縫裂開；二是穿透切割，要求將晶圓切穿并分離。晶圓切割首先是晶圓黏片，它是在晶圓背面貼上黏性薄膜并用鋼制框架支撐，然后進(jìn)行切割。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備及過程

實(shí)驗(yàn)所使用的設(shè)備為木森科技的WaferCut350，其主要性能參數(shù)如表1所示：

表1  實(shí)驗(yàn)設(shè)備的主要參數(shù)

 其工作光路圖如圖2所示：

圖2 工作光路圖

對于晶圓切割來說，我們關(guān)心的是切割深度和切割質(zhì)量，而晶圓切割質(zhì)量主要從切縫寬度、切割側(cè)壁質(zhì)量、切縫邊緣的光潔度幾方面來衡量。其中切縫寬度容易觀察和測量，是一個重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。激光是切割中所用的“刀”，是最關(guān)鍵的部分，直接影響切割深度和切割質(zhì)量，其主要參數(shù)為光斑直徑、功率及重復(fù)頻率、切割速度和材料性質(zhì)等，本文研究這幾個參數(shù)對切割深度及切縫寬度的影響，并做出理論分析，為實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1光斑直徑的影響

激光切割的切縫寬度同光束模式、偏振性和聚焦后光斑直徑有直接的關(guān)系。實(shí)際切割中采用TEM₀₀模，圓偏振，但激光的模式通常都并非理想的基模，當(dāng)功率增大或者使用時間過長時會產(chǎn)生變化。光斑直徑是指光強(qiáng)降落到中心值的1/e²的點(diǎn)所確定的范圍，這個范圍內(nèi)包含了光束能量的86.5%，理想情況下直徑范圍內(nèi)的激光可以實(shí)現(xiàn)切割，范圍外的不與材料發(fā)生作用，則切縫寬度等于光斑直徑。但實(shí)際中由于材料的導(dǎo)熱性、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)等參數(shù)的不同，以及激光功率的變化，切縫寬度是不等于光斑直徑的，它們的關(guān)系要依據(jù)激光能量的輸入和材料性質(zhì)而定。但在絕大多數(shù)情況下，切縫寬度是略大于光斑直徑，減小光斑直徑，就減小了切縫的寬度。

在晶圓切割中，聚焦后的光斑直徑當(dāng)然是越小越好，這樣切縫寬度就會越小，相同的條件下就可以使晶圓做到更高的集成度。設(shè)激光的束腰半徑為ω#p#分頁標(biāo)題#e#₀，光束質(zhì)量因子為M²，激光波長為λ，聚焦鏡焦距為f，擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直倍率為A，由激光原理[3]可得激光經(jīng)過擴(kuò)束鏡后和聚焦鏡后

束腰半徑

焦深

式中激光的波長λ和光束質(zhì)量因子M²由激光器來決定，可以選擇短波長和較小M²的激光器來減小光斑尺寸，另一方面通過減小聚焦鏡的焦距和調(diào)整擴(kuò)束鏡倍數(shù)來得到較小的光斑尺寸。但是減小聚焦鏡焦距的同時焦深會縮短，不過在劃片切割時并不需要太大的焦深，只有當(dāng)穿透切割較厚的晶圓時需要考慮焦深的問題，因此要根據(jù)實(shí)際要求合理的選擇聚焦鏡焦距和擴(kuò)束鏡倍數(shù)。

 2.2激光功率對切割的影響

實(shí)驗(yàn)中設(shè)定激光重復(fù)頻率為20kHz，切割速度50mm/s，焦點(diǎn)位于晶圓表面，改變激光功率測得相應(yīng)的切縫寬度和切割深度，得到關(guān)系如圖3所示。

 圖3 激光重復(fù)頻率為20kHz，切割速度50mm/s時，切縫寬度及切割深度隨激光功率的變化

激光功率是影響切割深度和切縫寬度的主要因素，從圖中可以看到，在其他參數(shù)固定不變時，切縫寬度和切割深度隨著激光功率的增加而增大。這是因?yàn)榫A所獲得的能量E為功率P與時間t的乘積，當(dāng)切割速度不變時，即激光照射時間恒定，隨著激光輸出功率增大，單位時間內(nèi)材料獲得的能量增加，切割的深度隨之增加。另一方面在，隨著激光功率的增大，熱影響區(qū)增加，同時直徑范圍外的能量也隨之增加，其作用不可忽略不計(jì)，這部分激光與材料發(fā)生作用，使切縫寬度增加。但由于其能量只占到全部的13.5%，所以其切割深度遠(yuǎn)小于中心部位，通常會造成切縫截面的頂部呈漏斗狀，降低了切割質(zhì)量，可以使用光闌濾掉邊緣部分來解決此問題。

 2.3激光重復(fù)頻率對切割的影響

當(dāng)激光功率一定時，晶圓受到照射的時間越長，獲得的能量就越多，紫外激光雖然屬于“冷加工”，但是還是存在一定的熱效應(yīng)，又由于硅的導(dǎo)熱性能差，熱量會積累在切割處，燒蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，解決方法之一是激光采用脈沖工作模式，縮短激光與晶圓的作用時間，這樣能量在極短的時間內(nèi)被帶入，不會發(fā)生連續(xù)激光加工(laser oem)過程中的過熱現(xiàn)象以及過多熔化現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)重復(fù)頻率小于10kHz時，切割時聲音尖銳刺耳，切割深度較淺，切縫較寬，隨著頻率的增加，切割時聲音變小，切割深度增加，切縫寬度也減小。當(dāng)重復(fù)頻率達(dá)到#p#分頁標(biāo)題#e#50kHz時，切割深度達(dá)到最大。頻率繼續(xù)上升時，切割深度再次減小。這是因?yàn)樵谄渌麉?shù)不變的情況下，重復(fù)頻率越高，峰值功率越小，單脈沖與材料作用的時間越短，因此熱影響區(qū)越小，切縫寬度也就越小。當(dāng)重復(fù)頻率較低時，雖然脈沖的峰值功率很高，但平均功率很低，所以造成了切縫較寬，切割深度卻不大的現(xiàn)象。隨著重復(fù)頻率的上升，脈沖峰值功率降低，但平均功率增加，在一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，可以達(dá)到較小的切縫寬度和較大的切割深度。當(dāng)重復(fù)頻率繼續(xù)上升時，雖然輸出的平均功率增加，但是脈沖的峰值功率下降到不足以使硅氣化，因此切割深度又變小。

2.4切割速度的影響 切割速度決定了生產(chǎn)效率，在保證切割質(zhì)量的前提下，盡量提高切割速度從而提高生產(chǎn)率，降低加工成本，對現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展是一個不容忽略的問題。

實(shí)驗(yàn)中固定激光功率為5w，激光重復(fù)頻率為20kHz，焦點(diǎn)位于晶圓表面，改變切割速度測得相應(yīng)切縫寬度和切割深度，如圖4所示。

 圖4 激光功率5w，重復(fù)頻率20kHz時，切縫寬度及切割深度隨切割速度的變化

從圖中可以看到，其他參數(shù)不變時，切縫寬度及切割深度都隨著切割速度的增大而減小。切割速度的變化意味著激光與材料的相互作用時間改變，即激光能量密度的改變。當(dāng)切割速度較小時，激光能量密度過大，會使得切縫周圍的材料也被熔化或氣化，導(dǎo)致熔渣多切縫粗糙，切縫寬度過大，切割質(zhì)量較差。隨著切割速度增加，能量密度減小，切割深度也減小，當(dāng)速度在一定的范圍內(nèi)，激光能量密度適中，剛好使材料氣化，形成光滑均勻的切縫，切割質(zhì)量最好。但當(dāng)速度繼續(xù)加快，超過一定值的時候，激光能量密度過小，材料獲得的能量不足以使其完全熔化或者氣化，就不能切割材料。

2.5激光功率、激光重復(fù)頻率及切割速度的共同影響

激光功率、切割速度和重復(fù)頻率共同決定了切割中晶圓獲得的能量的多少，即共同決定了切割深度和切縫寬度。另一方面激光以脈沖方式工作，利用極高能量密度在瞬間熔化和氣化材料，在晶圓上打一系列連續(xù)的孔從而實(shí)現(xiàn)切割。這樣光斑的重疊率是關(guān)鍵的參數(shù)，重疊率是指相鄰光斑重疊面積占光斑面積的百分比，它對切邊的平直度有較大的影響。在切割過程中光斑變形很小，可以認(rèn)為仍是圓形的，如圖5所示，重疊率越高則切邊越平滑質(zhì)量越好。光斑重疊率S與激光重復(fù)頻率、脈沖寬度和切割速度有關(guān)，可以由簡單的幾何關(guān)系得出。因此在實(shí)際切割中要根據(jù)輸入能量和重疊率來合理的選擇參數(shù)來搭配。另外為了克服圓形光斑的不足，可以通過采用柱面聚焦鏡[4]，將激光束變?yōu)榫€光源，光斑整形為矩形，這樣一方面可以進(jìn)一步減小切縫寬度，而且還可以使切邊連續(xù)，提高切割質(zhì)量。

圖5 不同重疊率下切割邊緣的區(qū)別

#p#分頁標(biāo)題#e#2.6輔助及保護(hù)部分

在切割的過程中，熔體的濺射是不可控制的，少許熔融的高溫小顆粒以極高的速度從切割道中濺射出來，附著在切割道兩旁的晶圓表面上，在冷卻的過程中會和晶圓熔為一體，破壞了晶圓表面的結(jié)構(gòu)，使之成為不可用的廢品。因此必須采取相應(yīng)的保護(hù)措施，使高溫熔融的小顆粒在濺射到晶圓表面之前冷卻，或者在晶圓表面上加隔離層使熔融體無法與晶圓表面直接接觸。前者可以在切割時采用與激光同軸噴射的氣體或者液體冷卻，若采用氣體，熔融體冷卻后會成為粉塵附著在切縫兩旁，在之后的清洗工藝中即可除去，氣體同時還起到保護(hù)鏡組的作用，并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)采用不與硅發(fā)生反應(yīng)的氣體，如氮?dú)饣蛘叨栊詺怏w。在吹起的過程中同時加入吸塵系統(tǒng)，將切屑直接抽走效果會更好；若采用液體，通常使用去離子水，熔融體會在水中冷卻并被帶走。后者可以采用中性的液態(tài)薄膜作為隔離層，在切割完畢之后進(jìn)行晶圓的清洗即可。

3 結(jié)論

對于劃片切割，在切割完畢需要進(jìn)行裂片和擴(kuò)晶；對于穿透切割，由于輕微的熱效應(yīng)影響，切割完畢后晶粒不會自動分離，而是由極為微弱的附著力而黏連在一起，在擴(kuò)晶中即將藍(lán)膜繃緊，晶粒就會在張力的作用下分開，井然有序排列于藍(lán)膜上，而框架的支撐避免了膠帶的褶皺與晶粒之互相碰撞，并利于搬運(yùn)。之后由設(shè)備將一粒粒的晶粒取走進(jìn)行后續(xù)工藝。

在此實(shí)驗(yàn)中，用紫外激光對晶圓進(jìn)行了切割測試，測得不同激光功率和切割速度下的切縫寬度及切割深度，對其做出理論分析，為實(shí)際應(yīng)用中參數(shù)的選擇和工藝的改進(jìn)提供了參考及依據(jù)。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也適用于其他類型的晶圓，如氮化鎵(GaAs)、碳化硅（SiC）、藍(lán)寶石等。另外還依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析來選擇合適的參數(shù)，對晶圓樣品進(jìn)行切割，取得了很好的效果，經(jīng)用戶鑒定達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的要求。如圖6(a)(b)所示，分別是劃片切割和穿透切割的斷面照片，(a)為劃片，其中上部為激光切割，下部為裂片，可以看到切割部分均勻整齊，裂片部分光滑平整，(b)為穿透切割，斷面均勻整齊。圖7為切割的正視圖，切邊光滑，無崩邊等損壞現(xiàn)象。

圖6  (a) 劃片切割的切割斷面           (b)穿透切割的切割短斷面 

圖7 激光切割晶圓正面圖