隨著激光技術的不斷發(fā)展以及激光技術深入半導體行業(yè)，激光已經(jīng)在半導體領域多道工序取得成功應用。廣為熟知的激光打標，使得精細的半導體芯片標識不再是個難題。激光切割半導體晶圓，一改傳統(tǒng)接觸式刀輪切割弊端，解決了諸如刀輪切割易崩邊、切割慢、易破壞表面結構等諸多問題。在集成電路工藝線寬越來越小的情況下，LOW-K材料（K為介電常數(shù)，即低介電常數(shù)材料）越來越多的應用于集成IC中，由于LOW-K層傳統(tǒng)工藝很難加工，于是引入了激光開槽工藝，利用激光將切割道中LOW-K層去除。目前12寸硅晶圓已廣泛應用于半導體集成電路領域，而且晶圓越做越薄，將薄晶圓鍵合于承載晶圓片上流片后通過拆鍵和將兩部分分開，激光拆鍵以其高效率無耗材等諸多優(yōu)勢成為關注熱點。另外激光還在鉆孔、劃線、退火等工序取得不錯的應用成果。
引言
自上世紀六十年代第一臺激光器設備問世以來，關于激光及其在各個領域的應用的研究得到了迅猛的發(fā)展，近20年來，激光制造技術已滲透入到諸多高科技領域和產(chǎn)業(yè)，其中激光技術在半導體領域的應用是最為廣泛和活躍的領域之一。
近年來光電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，高集成度和高性能的半導體晶圓需求不斷增長，硅、碳化硅、藍寶石、玻璃以及磷化銦等材料作為襯底材料被廣泛應用于半導體晶圓領域。隨著晶圓集成度大幅提高，晶圓趨向于輕薄化，傳統(tǒng)的很多加工方式已經(jīng)不再適用，于是在部分工序引入了激光技術。激光加工具有諸多獨特的優(yōu)勢：
1. 非接觸式加工：激光的加工只有激光光束與加工件發(fā)生接觸，沒有刀削力作用于切割件，避免對加工材料表面造成損傷。
2. 加工精度高：脈沖激光可以做到瞬時功率極高、能量密度極高而平均功率很低，可瞬間完成加工且熱影響區(qū)域極小，確保高精密加工。
3. 加工效率高，經(jīng)濟效益好：激光加工效率往往是機械加工效果的數(shù)倍且無耗材無污染。
1． 半導體晶圓的激光切割
1.1 激光隱形切割
激光隱形切割是一種全新的激光切割工藝，具有切割速度快、切割不產(chǎn)生粉塵、無切割基材耗損、所需切割道很小、完全干制程等諸多優(yōu)勢。其原理是將短脈沖激光光束透過切割材料表面聚焦在材料中間，由于短脈沖激光瞬時能量極高，在材料中間形成改質層，然后通過外部施加壓力使芯片分開。中間形成的改質層如圖1所示：
圖1 300μm厚晶圓截面圖
目前激光隱形切割技術廣泛應用于LED芯片、MEMS芯片、FRID芯片、SIM芯片、存儲芯片等諸多晶圓的切割，如圖2以硅襯底MEMS晶圓為例，可以看到隱形切割的芯片幾乎沒有崩邊和機械損傷。
圖2 MEMS晶圓激光切割效果圖
隱形切割也有它的局限性，由于隱形切割需要將特定波長的激光聚焦于物質的內部，所切割的物質必須對特定波長的激光具有較大的透射率，另外需要切割道內光滑以防止對照射的激光形成漫反射。目前隱形切割能夠切割Si、SiC、GaAS、LiTaO3、藍寶石、玻璃等材料。
1.2 激光表面燒蝕切割
表面燒蝕切割是較為普遍的激光切割工藝，其原理是將激光聚焦于所需材料的表面，聚焦的地方吸收激光能量后形成去除性的融化和蒸發(fā)，在切割表面形成一定深度的"V"型口，然后通過外部施加壓力使芯片分開。切割完后的"V"型槽如圖3所示：
圖3 激光表面切割形成的"V"型口
激光表面切割具有更強的通用性，使用超短脈沖激光進行表面切割能夠很好的將熱影響區(qū)域控制在很小的范圍內。目前該激光切割技術廣泛應用于GPP工藝的晶圓、四元LED晶圓等晶圓的切割中。如圖4以四元LED芯片為例，我們可以看到激光表面切割能夠有較好的切割面。
圖4 激光表面切割截面以及切割效果圖
對比隱形切割技術，激光表面切割的工藝窗口更寬，但是它也有不足之處：
1. 切割效率往往低于隱形切割；
2. 部分晶圓切割前需要涂覆保護液，切割完后需要清洗保護液；
3. 晶圓越厚需要切割越深，表面的開口就越大，熱影響區(qū)也就越大。
2. 半導體晶圓激光開槽
隨著芯片集成度的不斷提高，線寬越來越小，RC時延、串擾噪聲和功耗等成為嚴重的問題。在這樣的背景下LOW-K層被引入到了集成電路領域，當工藝線寬小于65nm時，必須使用LOW-K層以克服上訴問題。由于半導體工藝線寬不斷減小，臺積電已在研發(fā)建設9nm工藝線，低電介質絕緣薄膜的使用日益增多，low-k晶圓激光開槽設備逐步進入眾多晶圓封裝廠以滿足先進封裝的需求。
目前我司的激光開槽設備采用業(yè)內目前最新的"π"型分光加工方式，以確保較優(yōu)的開槽效果。首先激光在需開槽區(qū)域兩側劃兩條線，再利用激光在兩條線中間開一個"U"型的槽，通過開槽將傳統(tǒng)刀輪難以處理的LOW-K層去除，然后刀輪從開槽區(qū)域切割或利用激光切割將芯片切割開。激光加工前需要涂覆保護液，開槽后利用二流體將保護液體清洗干凈，故加工過程中能夠很好的保護芯片其他區(qū)域。如圖5所示，為LOW-K晶圓開槽的表面效果圖和3D顯微鏡圖片。
圖5 LOW-K晶圓開槽的表面效果圖和3D顯微鏡圖片
除了LOW-K晶圓，該工藝還可以應用于其他刀輪難以切割的物質去除，比如薄金屬層、SiO2層、有機層等。另外我司設備開槽寬度及深度在一定范圍內可調，確保了設備在處理不同材料的通用性。
3. 激光打標在半導體領域的應用
激光打標憑借其打標精度高、不易擦除、打標速度快等明顯優(yōu)勢首先走入了各行各業(yè)，在半導體行業(yè)中自然也離不開打標，然而半導體行業(yè)中的打標又有其特殊的需求，晶圓級打標便是其中一種。晶圓級打標主要應用于WL-CSP(Wafer Level-Chip Scale Package)晶圓的在晶圓背面每個die的襯底上打標，確保了每一顆芯片的可追溯性，打標完成后再切割成單個芯片。因為晶圓到了打標這道工序的時候晶圓的流片已經(jīng)完成，晶圓已十分寶貴，所以對打標設備提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在：(1)晶圓趨于輕薄化打標需要做到針對不同材料的打標進行深度控制且保證打標字體清晰；(2)晶圓的尺寸越做越小對于定位精度和字體大小提出了更高的要求；(3)薄晶圓在打標過程中的傳動及輸送十分關鍵。目前行業(yè)內使用比較多的晶圓級打標設備是EO Technics的CSM-3000系列。近幾年由于晶圓級WL-CSP封裝方式的興起，對于晶圓級打標的需求越來越強烈，國內外知名的激光設備公司也紛紛研發(fā)晶圓級打標設備以及其替代方案。
當然除了晶圓級打標外在半導體行業(yè)還有其他很多打標的應用，比如說封裝后器件表面的打標、晶圓片序列號的打標等等。
4. 激光在半導體領域的一些新興的應用
4.1 激光拆鍵和
由于晶圓尺寸逐漸增大厚度減薄，晶圓在流片過程中就容易碎片，于是引入了載體層。將薄晶圓同載體層鍵和在一起，防止在流片過程中晶圓破損。相較于其他拆鍵和方式，激光拆鍵可以使用聚酰亞胺作為鍵和劑，該方式鍵和可以耐受400℃以上的溫度，而一般的鍵和劑在200℃時候就會變性，這就使得一般鍵和劑在做高低溫循環(huán)時候就已經(jīng)失效。由于激光玻璃技術需要將激光作用于載體和晶圓中間的粘連劑上，所以需要載體能夠透過相應波長的激光。目前使用較多的激光為紫外激光，載體為玻璃晶圓襯底。激光剝離技術多用于IGBT和硅基功率器件等薄晶圓的剝離。
4.2 激光退火
歐姆接觸是半導體器件的重要的組成部分，退火是制備歐姆器件的關鍵工序，起到?jīng)Q定接觸點性能的作用。激光退火主要優(yōu)勢體現(xiàn)在(1)加熱時間短，能夠獲得高濃度的摻雜層；(2)加熱局限于局部表層，不會影響周圍元件的物理性能；(3)能夠得到半球形的很深的接觸區(qū)；(4)由于激光束可以整形到非常細，為微區(qū)薄層退火提供了可能。近幾年來也出現(xiàn)了幾類激光退火的方法如：脈沖激光退火、連續(xù)激光退火、紅外輻射激光退火等等。
4.3 激光鉆孔
激光鉆孔廣泛用于金屬、PCB、玻璃面板等領域的鉆孔，在半導體領域激光鉆孔還是一個新興的應用，隨著3D封裝技術的興起，TSV（硅通孔）技術逐步發(fā)展，對于激光鉆孔的需求也愈發(fā)強烈。目前激光鉆孔存在著明顯的優(yōu)勢和劣勢，優(yōu)勢表現(xiàn)在鉆孔成本低、無耗材、可以鉆孔不同的材料等等；劣勢主要表現(xiàn)在孔內壁比較粗糙、密集鉆孔效率低、對鉆孔材料強度的損傷等等。當然研究人員也在研究新的鉆孔技術來克服現(xiàn)在鉆孔的弊端，比如說激光結合化學的鉆孔方式等等。
當然激光在半導體領域還有其他一些應用，在此無法一一列舉介紹。
5． 總結
激光作為一種非接觸式的加工方式，有著其得天獨厚的優(yōu)勢，還被譽為"未來制造系統(tǒng)共同的手段"，故隨著激光行業(yè)的不斷發(fā)展，激光的應用定會越來越廣泛。
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