高速激光晶圆划片工艺 - 文章

高速激光晶圆划片工艺

作者：Jongkook Park，Jennifer Welborn

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用紫外（UV）激光对晶圆进行精密划片是晶圆 - 尤其是易碎的化合物半导体晶圆如薄硅晶圆 - 划片裂片的替代工艺。二极管泵浦固态（DPSS）激光能对所有第III-V主族材料包括第IV主族材料如硅（Si）和锗（Ge）的晶圆进行快速工艺处理。无论是薄的还是厚的晶圆片，切口宽度均小于3微米，切口边缘平直、精准、光滑，没有边缘碎片，尤其砷化镓（GaAs）晶圆更是如此。砷化镓晶圆价格昂贵，所以晶圆面积价值非常高。采用紫外激光划片工艺使得切口更紧密、更精细并且更光滑，能够在每片晶圆上分裂出更多数量的裸片，并因为损坏的裸片非常少而获得更高的成品率。

经紫外激光划片的晶圆断面。具有光滑平直的边缘。

采用砷化镓（GaAs）芯片的高频电子线路要求芯片在电路板上有精确的几何位置布局，以减少气桥和阻抗失配。整齐、精确的芯片要求裸片的位置布局更精确、整体封装更好以及电气性能更佳。

不断增加的挑战

在市场需求驱动下，裸片成本不断降低，尺寸越来越小。裸片尺寸的减小正在给划片-裂片工艺带来新的问题。划片槽宽度从100微米降到30微米，裸片尺寸也随之减小。30微米的尺寸超出了传统锯片切割工艺允许的极限。采用激光划片工艺后，划片槽宽度进一步降低到15 - 20微米。另外，被称为“拉练”（用于阻止表面裂纹发生）的区域也被省掉了。由于划片槽宽度的减小、“拉练”空间的节省以及下列所述的设计规则的缘故，每个裸片的每个边都要节省约24微米的晶圆区域。整个晶圆因此而节省了很大的面积。

对于砷化镓（GaAs）晶圆，裂片工艺有两种：非接触式（裸露的气桥）和接触式。每一种裂片方法都有一个宽高比参数，是由设备制造商标示的，定义为裸片厚度断面的长度/宽度。一个特定的晶圆切割机划片-裂片系统标示的宽高比，对于非接触式裂片方法为7:1，接触式裂片为3:1。

裸片尺寸的减小已经把某些产品的宽高比降低到2:1，有效地提高了机械式划片-裂片系统的额定能力的极限。有时候因为不需要裂片而使芯片获得较高的成品率。晶圆切割机速度低，能造成裸片边缘的破碎，有时还可能因此而毁掉裸片。狭窄（30微米宽）的划片槽要求锯片有非常薄的厚度，而这又使得锯片很容易磨损。

紫外激光带来更高的成品率

短波长（157-248 nm）准分子和紫外DPSS激光的应用已经提高了裸片的成品率，并且证明了激光工艺比传统金刚石划片工艺更具优越性。紫外激光工艺的切口（在划片时材料损失的部分）比其他技术的更窄。再加上前端工艺的应用，紫外激光工艺增加了单位晶圆上所分裂出的合格裸片的数量。

新型窄脉宽、短波长紫外DPSS激光提供了极大的工艺灵活性，它可以调整脉冲形状、重复率、色谱、光束质量等等。谐波生成技术使更短波长的激光能够用于处理各种不同的材料。DPSS激光具有极好的光束质量和最高的重复率，并具有精细工艺所要求的最小光束直径。典型地，JPSA使用的DPSS激光是钒酸盐（Nd:YVO4）基激光器产生的。所输出的红外（IR）激光的光束直径约为1μm。高效的频率转换能力使输出激光在355nm和266nm波长处，有数瓦的可用输出功率。

对这些不同波长的激光所进行的开发，使它们特别适合于晶圆切割应用。这些激光在JPSA上用于切割蓝色LED（发光二极管）和蓝宝石晶圆，其速度为75mm/s。每小时晶圆处理能力超过9片（标准2英寸晶圆，裸片尺寸350μm × 350μm），切口却很小（＜ 3μm）。激光工艺具有产能高、对LED性能影响小的特点，容许晶圆的形变和弯曲，其切割速度远高于传统机械切割方法。对于第III-V主族半导体，例如砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP），典型的切口深度为40μm，切割速度为150mm/s以上。

紫外激光划片所产生深V形槽的SEM。切口顶部仅2.5微米宽。

在所有窄带紫外光源中准分子激光器所提供的功率最大、波长最短（351，308，248，193，以及157nm）。准分子激光的光子成本低于DPSS激光，但是，其系统的复杂度较高且存在维护难和其他问题，因此并不是晶圆切割工艺的理想选择。准分子激光的优势在于微机械加工、大面积图案转移和大量平行区域的分步重复工艺。而紫外DPSS 激光则更适于晶圆划片应用。借助于准分子激光（193nm），JPSA 能在一个小时内处理3片晶圆，每片成本为8美元，系统正常运行时间为97%。这是准分子激光系统所能达到的非常好的性能状态。而一个优化的紫外DPSS激光（266nm）系统每小时能处理7到10 片晶圆，每片成本低于1.50美元，正常运行时间＞99.9%。这两种工艺已经在多台设备上，每周7天/每天24小时地连续运行了一年半并通过测试，准分子激光系统的单独测试时间甚至更长。

材料的去除工艺被称为激光剥蚀，这是一种以微量材料吸收高能激光峰值的工艺。当一种材料被置于紫外激光脉冲的汇聚点时，由于深紫外光波长很短的缘故，脉冲的能量将被表面很薄一层（典型厚度＜ 0.1μm）材料所吸收。紫外激光高能脉冲峰值被微量材料吸收时，将在材料中产生强烈的电子键断裂效应。由携带所有热能的等离子爆炸所产生的分子碎片从工件表面上膨胀出去，对周围的材料几乎不产生任何损伤。每个激光脉冲都产生一个精细的亚微米材料层，而喷射出去的材料则带走所有热能。比起机械划片工艺所产生的粗糙的材料残留物，激光工艺的残留物更加精细，数量也不多，并且很容易清除。

一个重要的误解是，在激光划片之后进行“折断”时，比金刚石划片工艺需要更大的晶圆弯曲形变，从而会造成裸片边缘的不“整齐”。实际上，金刚石划片工艺在整个工艺过程中会产生机械应力。而非机械式的、无热能的激光划片工艺在材料内部根本不产生任何应力。紫外激光所产生的陡峭的V形切口会在其尖端产生很强的应力集中，但这种应力很容易消除。

激光工艺的优点

在划片-裂片工艺中，PCM图形必须设计有直通式划片槽。金刚石划片工艺不能通过PCM图形进行连续划片。因而PCM图形必须设计有划片槽。这就带来了PCM图形测试的问题。但是，对于激光划片工艺，PCM图形设计已不再是一个问题了。PCM图形可以设计成有助于当前正在完成的测试项目，而不是有助于裂片方法的要求。即使没有划片槽，激光划片工艺也不会中断。

图示为紫外激光脉冲的光蚀刻工艺原理。

采用传统方法裂片时，划片槽上不能有蓝膜或金属残留。采用锯片切割工艺时，划片槽上的蓝膜/金属残留会增加锯片的磨损，缩短锯片的使用寿命，或者可能在切割时“烧坏”锯片。在划片-裂片工艺中，划片槽上的蓝膜或金属残留能引起金刚石刀具的跳跃或反弹，从而使某些区域没有产生实际划片操作。这些区域因而不会在裂片工艺中分裂，这将使晶圆的其余部分不能沿着刀具划过的线条分裂。划片槽上的蓝膜或金属残留不会影响激光划片工艺的正常进行。激光工艺能够在蓝膜上划片，这还可以增加光学加工的产能。

传统的裂片工艺花费的时间较多。例如，裸片尺寸为0.300 mm x 0.360 mm x 4 mil时，一片晶圆可以切割出大约55,000只裸片。如果使用锯片（锯片速度 = 6.5 mm/s）切割这样一片晶圆，则需要花费大约4个小时；若采用划片-裂片工艺（划片速度 = 12.8 mm/s），则需要大约2个小时；但如果采用激光划片工艺（划片速度 = 150mm/s），则仅需要大约3分钟。因而，一套激光划片系统的产能可以取代并超过所有现有的裂片工具产能的总和。

激光划片工艺能够在最后的晶圆自动测试工序中提高产能。目前，晶圆必须在流片带上伸展开，以防止因裸片相互摩擦而可能发生的芯片丢失。如果裸片不能均匀地伸展开，则会使测试时间变长，因为必须对每一个裸片进行单独的对准操作以保证自动测试的正确进行。有时会因为裸片没有对准而对成品率发生影响。激光划片工艺允许晶圆在薄膜片上进行测试，这就大大地缩短了测试时间，使所有的裸片都能通过自动测试工序。

结论：相对于机械式划片工艺，紫外激光工艺具有更多优点。这些优点包括消耗成本低、维护费用少、产能高、晶圆面积利用率高等。激光工艺更易于进行自动化操作，从而降低人力成本。紫外激光技术还有很大的待开发潜能，因而该工艺将会继续发展。我们预言激光工艺将在单位晶圆裸片数量和缩短投资回收期方面有进一步的发展。

Dr. Jongkook Park来自J P Sercel Associates公司(www.jpsalaser.com),Jennifer Welborn来自MA/COM公司。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/15/2005)


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