“温和”的晶圆划片.doc

“温和”的晶圆划片 使用水刀引导式激光器来对半导体晶圆划片时，产生的热影响区域可忽略不计，而且污染也减少了。 晶圆的划片作为从晶圆变成芯片的最后步骤之一，是集成电路制造中必不可缺又十分棘手的一个步骤。直到最近，研磨切割还是晶圆切割的唯一方法。然而，这种方法已经发展到了极限，以满足基于薄晶圆和化合物半导体的新半导体设备的需要。 虽然传统的激光加工与砂轮切割相比，拥有一些优势，但是它会产生大量的碎屑，这些碎屑可能会附着在晶圆表面。碎屑很难去除，而且有可能会破坏附近的结构。这些激光器还造成了显著的热影响区域；加热产生了微裂痕，它们会降低芯片断面的强度。基于这些因素，激光在晶圆划片方面并不十分流行。 几年前，一项基于激光器的新技术被成功的用于半导体领域的晶圆切割方面。一项基于激光器和水刀技术的混合加工方法——水刀引导式激光，是一种在薄晶圆切割，刻槽和边缘研磨方面快速而有效的解决方法。它能够加工许多种类的材料，其中包括了化合物半导体。因为它拥有了传统激光器的优势而又没有它们的缺陷，所以它在砂轮切割所无法胜任的领域里获得了成功。 水刀引导式激光（或称激光微刀）的基本原理是，激光光束在经过一个加压的水腔时，被聚焦到一个喷嘴上。从喷嘴射出的水刀引导着激光光束，它是通过在水-空气交界面上发生的内部全反射来实现的，这类似于传统的玻璃纤维。这样，水刀可以认为是长度可变的液体光波导（见图1）。由于水刀直径范围可降至20 μm，因此可以获得很小的切口。整个系统的维护成本很低，因为这里没有工具的磨损，而水的消耗是可以忽略不计的。 这个方法的优势可以从它与传统激光加工之间存在的四个基本不同点来说明。传统的激光切割中，激光光束是发散的，工作距离较短。而在水刀引导激光光束的情况下，工作距离是与水刀保持圆柱状和稳定不变的区域相对应的，这个距离可以达到几个厘米长，这样就能产生固定的切口宽度，且不需要控制对焦距离。 水刀通过在激光脉冲间隔内冷却切口边缘，来避免对材料的热损害；与传统激光器相比，其热影响区( HAZ )是可以忽略不计的。水刀还除去了熔融的物质；它比在传统激光切割中使用辅助气体效率高出800倍。结果得到无毛刺的边缘，熔融效率也更高。 在传统的激光切割中，为了避免污染而加在材料上的保护层大大的提高了成本（外加了两道工序）；使用了水刀引导式激光技术后，材料表面产生了一张水膜，被水刀冷却了的粒子就留在了悬浮液中。 晶圆划片 水刀引导式激光技术对于薄晶圆来讲尤其有效，它能够提供更薄的组件，带来更好的散热性能和一定程度的柔性。经过最后的正面加工后，一些晶圆在一个叫做背面研磨的工序中被机械研磨至厚度50 μm至200 μm的范围内。切割过程中的困难在于如何避免产生微裂痕，因为它可能导致芯片断裂。在最近的研究中，水刀式激光技术与砂轮切割相比实现了较高的芯片强度（对硅片来说，大约高了1.3倍）。这个过程十分的“温和”，可被用于更易碎材料的切割中。 砷化镓(GaAs)- GaAs是最常用的化合物半导体，由于脆性，它很难被切割。一些机械手段（片锯和划线-裂片）是把GaAs切割成单片的标准方法，但是它们甚至在低速操作时也会产生碎屑。水刀激光相比要快很多，而且不会产生机械破坏和热破坏。任何有毒的副产品都集中至废水中，而废水是必须过滤的。正如传统干式激光切割技术一样，使用水刀激光也不会产生气体。 图2显示了一家主要芯片制造商在对薄GaAs晶圆加工后得到的典型质量状况。这里没有任何由于机械应力带来的碎屑和污染。对这块100-μm厚的GaAs晶圆，使用了光纤激光光束（波长1064 nm，平均功率100 W）与细的水刀（直径27 μm）相耦合来进行加工。选择这些参数是为了在更高的速度下（80 mm/s）得到更好的切割质量。 低k晶圆——这些晶圆的顶层电介质常数比较低，由于顶层的脆性和易碎性，在切割时它们易于剥落或者碎裂。砂轮切割由于产生了机械应力，因此也无法得到令人满意的结果。甚至在速度较低的情况下，碎裂以及产生裂缝也无法避免。一项结合使用了激光技术和锯切技术的解决方案提高了切口质量，但是也大大的增加了成本。在这种情况下，水刀引导式激光是很具优势的，因为它产生了干净的切口，没有任何碎屑，而且是一步完成。 图3给出了一个100-μm厚的低k晶圆，它是另一家主要芯片制造商利用水刀激光技术进行