微水刀激光切割工艺

胡泽先

河北半导体所 河北石家庄 050051

半导体晶圆的切割品质直接影响到半导体器件整体的封装质量及最终产品的可靠性。砂轮划片经过多年的发展，工艺技术非常成熟稳定，在划片领域广泛应用。但随着半导体半导体器件轻薄短小的发展趋势，晶圆的机械性能降低，砂轮划片面临严峻地挑战，易碎片、背崩和分层等不良现象增加，降低芯片的机械强度，导致成品率降低，其发展遇到了无法解决的瓶颈。如Low-k 介质层的多孔网状结构遇到机械应力时容易碎裂或出现分层破裂现象；SiC 极为坚硬，采用机械切割方式，刀片磨损量是切割硅时的100-500 倍，整体良品率也不高。这些挑战对于传统主流的旋转砂轮式切割技术来说都存在巨大的困难或者超出了其理论的工艺极限。

1 激光切割

激光切割作为一种新式的晶圆切割方式，于近几年得到了快速发展。激光切割通常是将高能激光束照射在晶圆表面，使材料表面或内部发生高温汽化或者升华现象，从而达到切割的目的。与机械切割相比，激光切割具有显著的优势，尤其是切割速率得到很大的提高，但伴随出现了其它一些问题：加工过程中激光的热效应及粉尘等异物对芯片产生的不良影响。目前，实际应用中的激光切割工艺主要有激光烧蚀切割、微水刀激光切割等。

1.1 激光烧蚀切割

激光烧蚀切割是将激光直接聚焦于晶圆切割道的表面，通过激光的高能量使材料蒸发、升华，以达到去除和切割的目的。但是这种工艺在加工过程中会产生巨大的热量，并导致对芯片本身的热损伤，甚至会产生热崩边，被剥离物的沉积等至今难以有效解决的问题。图1 为激光烧蚀切割工艺对芯片造成的损伤：正面热损伤及背面热崩边。为了避免污染，切割之前可以在晶圆表面涂覆一层水溶性保护膜，这样一来，切割时产生的粉尘或其他异物会掉落在保护膜上，而不会粘附在晶粒上，切割后再利用纯水冲洗干净，这种方法可以大幅度减少异物粘附，增强器件可靠性，但这一方案通常不被采用，因为附加的一些步骤会带来额外的费用，同时其始终无法解决激光烧蚀切割的热损伤问题。

激光烧蚀切割因热影响区过大，无法进行精微切割，大大限制了其应用领域，仅能应用于一些低阶芯片，如太阳能芯片等，在集成电路的加工处理中，始终无法被认可。

1.2 微水刀激光切割

为解决传统激光切割的热效应问题，瑞士Synova 公司研制出很有创意的微水刀激光切割技术，又称水射流导引激光切割，其切割原理如图2 所示[1]：高能激光束经过光学聚焦透镜及水腔顶部的透明石英窗口，接着穿过压力水腔里的薄水层，最后聚焦于水腔底部的喷嘴微孔中心。由于考虑到流体力学设计，经喷嘴微孔形成的水柱像光纤一样又直又圆。聚焦于喷嘴微孔中心的激光由水柱的输入断面导入微水柱，利用微水柱与空气界面全反射的原理，在微水柱导引下激光一直沿水柱行进，形成一个可变的流动性光波导，当其到达被加工晶圆表面时，通过激光的照射烧蚀、微水柱射流的冲击作用完成切割加工。切割过程中，微水柱能够将残留的热量及时冷却，使得整个切割过程中，切口以外的区域加热程度非常低[2]，克服了传统激光切割的热效应问题。

2 微水刀激光切割的技术特点

2.1 关键技术

微水刀激光切割巧妙地结合了水射流技术和激光技术的优点，该技术的关键是水射流的产生及激光的选用。

稳定的微水柱是实施微水刀激光切割加工的关键因素之一[3]，工艺加工中常用的喷嘴微孔直径DD 为20-150µm。形成稳定的微水柱，首先水腔内必须具有稳定的压力；其次，水腔中的液体流场必须是以喷嘴微孔为中心的中心对称分布；最后，经喷嘴形成的微水柱需要在一定距离范围内维持稳定而不破碎，这样才能形成稳定的微水柱。这个距离称为微水刀激光切割的有效工作距离，其值通常为喷嘴微孔直径的1000 倍左右。由于喷嘴附近的水射流存在缩流现象，通常微水柱的直径大约是喷嘴微孔直径的85%。实际切割加工中，为了保证切痕宽度，往往选用较小直径的喷嘴（20µm-50µm）。

2.2 激光波段的选择

激光的选用需要综合考虑传输过程中水对激光的吸收及切割晶圆对激光的吸收。

由于纯水对不同激光的吸收率不同，因此对激光的类型需要进行选择。图3 为各波段光在纯水中的吸收率，由图可以看出，在窗口区域纯水对激光的吸收率较小，因此适用于微水刀激光切割加工的激光类型一般为：波长为1064nm 钇铝石榴石（Nd：YAG）红外激光，波长为532nm 绿光激光（双倍频Nd：YAG）和波长为355nm 紫外线激光（三倍频Nd：YAG）。

被切割晶圆需要吸收激光能量才能对其进行加工，图4 为砷化镓对激光的吸收率，从图中可以看出GaAs 对波长1000nm 的光吸收率较高，而对波长小于1000nm 的光基本无吸收。综合考虑，微水刀激光切割GaAs 晶圆通常采用1064nm 钇铝石榴石（Nd：YAG）红外激光。图5 为厚度为100µmGaAs 晶圆采用微水刀激光切割后的正面及断面形貌，从图中可以看出，切割道宽度仅为25µm，且无崩边及粘污，无毛边。

3 微水刀激光切割的优缺点

微水刀激光切割实现了水射流技术和激光技术的完美结合，与传统切割工艺相比，其具有很多显著的特点：①无热影响区。大幅度地减少了切割区域的热渗透效果（在GaAs 试验过程中切割的最高温度不会超过160℃），不会产生任何热应力；②切割品质好。微水刀激光切割工艺无任何机械振动，使得切割后晶圆基本无崩边、毛刺及微裂纹；切割过层中在晶圆表面形成一薄层水膜，极大地减少了颗粒物在晶圆表面的附着，确保了晶圆的高度洁净。③切割速率快。采用微水刀激光切割工艺，切割速率高达250mm/ s 以上，比传统砂轮切割快5 倍-10 倍；④晶圆利用率高。切割道宽度最窄可到25µm，有效地提高了晶圆利用率。

微水刀激光切割的缺点是会烧坏卡盘，加工过程中必须使用一种不会被激光切穿、却能让水流穿过的“激光胶带”用于贴片。这种胶带成本比较高昂，而且种类比较少，同时其工艺设备较为复杂，切割断面也不够光滑。但作为一种极具创新性的划片工艺，对于高速发展的集成电路封装业来说，仍然是解决GaAs、SiC、Low-k介质层和超薄晶圆划片问题的一种可靠选择。