作者：Gail Overton

 固態(tài)激光器、光纖激光器和超快激光器繼續(xù)向微電子加工應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)軍，特別是半導(dǎo)體工業(yè)中的硅晶圓切割應(yīng)用，以及光伏產(chǎn)業(yè)中的各種基于激光的切割和光刻應(yīng)用。

然而，大多數(shù)基于激光的切割方法都依賴于激光光束沿襯底的線性移動(dòng)。最近，美國(guó)鐳富電子設(shè)備公司（Electro Scientific Industries，ESI）開發(fā)出了一種生產(chǎn)就緒（production-ready）系統(tǒng)，該系統(tǒng)將其新的基于激光的“零重疊”技術(shù)應(yīng)用于超薄（厚度小于50μm）硅晶圓切割。通過保持較高的脈沖能量和高重復(fù)頻率，該系統(tǒng)沿劃片槽對(duì)脈沖進(jìn)行空間分離。與基于激光的線性切割技術(shù)或傳統(tǒng)的機(jī)械切割方法相比，ESI公司提供的整體加工系統(tǒng)可以提高切割產(chǎn)量和超薄晶圓的斷裂強(qiáng)度，同時(shí)也能保證較高的投資效益。

圖：基于激光的“零重疊”技術(shù)在空間上對(duì)高能激光脈沖進(jìn)行分離，可以更有效地切除材料（a）。通過調(diào)整激光參數(shù)可以選擇性地優(yōu)化不同層的材料切除速率。激光加工后熱影響區(qū)的少量殘留材料可用干式刻蝕法去除（b）。

超薄晶圓的挑戰(zhàn)

摩爾定律的不斷向前發(fā)展，正在推動(dòng)著半導(dǎo)體工業(yè)向三維（3D）集成的方向發(fā)展，同時(shí)也在推動(dòng)著諸如堆棧存儲(chǔ)與邏輯、以及硅穿孔（TSV）互連等先進(jìn)封裝架構(gòu)技術(shù)的發(fā)展。隨著晶圓變得越來越薄，機(jī)械晶圓切割技術(shù)由于會(huì)產(chǎn)生開裂、剝落以及其他產(chǎn)量和質(zhì)量問題，已經(jīng)不能滿足晶圓切割的要求。ESI公司的ESI9900系統(tǒng)使得在一個(gè)集成系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)超薄晶圓的完全切割和劃片邏輯或片上系統(tǒng)（SoC）的芯片貼裝薄膜。由于這些晶圓的最上層往往有精細(xì)、脆弱、低k值的絕緣材料，因此切割這些材料時(shí)，不對(duì)晶圓造成損傷是至關(guān)重要的。

“零重疊”技術(shù)

ESI 9900系統(tǒng)的零重疊技術(shù)使用一種基于檢流計(jì)的定位系統(tǒng)，可以迅速將商用355nm 紫外激光器（光斑尺寸大約為8μm）產(chǎn)生的熱能，分配到晶圓上沿著所需的劃片槽方向的空間分隔點(diǎn)上。激光重復(fù)頻率大約為240kHz，激光能量通過多個(gè)空間上獨(dú)立的脈沖傳遞，避免了殘留物、熱累積和基于激光的線性劃片槽方法產(chǎn)生的羽流相互作用�？臻g分離允許利用更高的激光能量密度，以實(shí)現(xiàn)比利用激光束的線性移動(dòng)所能達(dá)到的速度更快的晶圓切割速度（每秒數(shù)米）。此外，可對(duì)激光圖案進(jìn)行選擇性優(yōu)化，以控制不同半導(dǎo)體層的材料移除速率（見圖）。

“ESI 9900系統(tǒng)可以對(duì)機(jī)器人夾持晶圓進(jìn)行頂部器件層切割、硅晶圓層和隨后的DAF層切割，干法刻蝕，以及清洗，所有步驟都是在一個(gè)完全自動(dòng)化的過程中完成的。”ESI公司的產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Matthew Knowles介紹說。

盡管ESI公司已經(jīng)展示了這種技術(shù)能夠最大限度地減少被加工襯底的熱影響區(qū)（HAZ），但是他們承認(rèn)，任何基于激光的加工過程都是一個(gè)熱過程，都會(huì)存在一些熱影響區(qū)。為了最大限度地提高芯片強(qiáng)度，最小化割縫寬度，“零重疊”加工之后還要進(jìn)行傳統(tǒng)的干法刻蝕。目前，在激光切割和刻蝕處理后，ESI公司可以實(shí)現(xiàn)割縫寬度為20μm的潔凈切割。ESI 9900系統(tǒng)的軟件包含根據(jù)加工材料所設(shè)定的獨(dú)有的、為客戶定制的激光切割參數(shù)。

“目前我們正在與客戶一道優(yōu)化激光加工和刻蝕過程，對(duì)于我們正在看到的較高的芯片斷裂強(qiáng)度和高產(chǎn)量，我們備受鼓舞。”ESI公司半導(dǎo)體生產(chǎn)部門的生產(chǎn)經(jīng)理David Lord說道，“我們的目標(biāo)是為客戶降低擁有成本，使我們的客戶能夠在大批量制造環(huán)境中充分采用三維集成。”