半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域的晶圓激光劃片概述

韓微微，張孝其

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京東 燕郊 101601)

半導(dǎo)體元器件的制造過程可主要分為四個(gè)階段：材料準(zhǔn)備、晶體生長(zhǎng)和晶圓準(zhǔn)備、晶圓制造、封裝。受移動(dòng)計(jì)算、移動(dòng)多媒體和無線通信等應(yīng)用領(lǐng)域的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，半導(dǎo)體廠商一直致力于大直徑、超薄晶圓的應(yīng)用研發(fā)，從而能夠以更低的整體成本，獲得更高性能、更小體積和更大存儲(chǔ)容量的閃存(FLASH)和多芯片封裝存儲(chǔ)器產(chǎn)品。采用3D封裝技術(shù)的晶圓已經(jīng)持續(xù)減薄至100 um之下。2010預(yù)期顯示，半導(dǎo)體工業(yè)中30%至50%的硅晶圓將被減薄,晶圓的厚度減小意味著機(jī)械性能降低，而且，為提高器件高速性能，晶圓轉(zhuǎn)向應(yīng)用低K（<3.0）介電常數(shù)材料，該種類材料的附著性、硬度、斷裂性等機(jī)械性能降低。

電測(cè)完畢的晶圓片在貼膜后，通過切割的方式將晶圓分離為晶粒，以便進(jìn)行封裝工序。通常的做法是在晶圓上劃切出溝槽，然后進(jìn)行裂片再將其分離。作為半導(dǎo)體封裝的第一道工序，劃片質(zhì)量的好壞直接影響到整體的封裝質(zhì)量。而晶圓在劃片過程中容易發(fā)生崩角、分層與剝離等缺陷(如圖1)，給劃片工藝帶來了挑戰(zhàn)，促使劃片工藝不斷向前發(fā)展，目前，劃片的方式主要有砂輪劃片和激光劃片。

1 砂輪劃片

圖1 崩角與剝離

砂輪劃片是目前應(yīng)用最為廣泛的劃片技術(shù)，切割機(jī)理是強(qiáng)力磨削。它利用穩(wěn)定高速旋轉(zhuǎn)的刀片對(duì)晶圓進(jìn)行劃切，并同時(shí)使用冷卻液對(duì)切割點(diǎn)進(jìn)行沖洗。沖洗的作用是冷卻的同時(shí)帶走切割時(shí)生成的粉塵，全自動(dòng)砂輪劃片工序如圖2[1]。

圖2 全自動(dòng)劃片機(jī)工作流程

砂輪劃片經(jīng)過多年的發(fā)展，工藝技術(shù)非常成熟、穩(wěn)定，在劃片領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，晶圓的機(jī)械性能降低，砂輪劃片面臨巨大挑戰(zhàn)。低k介質(zhì)材料普遍附著性、硬度、斷裂性等機(jī)械性能低，砂輪劃片較難處理，而且在劃片過程中晶圓背面承受應(yīng)力，使得薄晶圓無法承受這種力學(xué)沖擊，易碎片、背崩和分層等不良現(xiàn)象增加，同時(shí)不良的DAF膜切割會(huì)給芯片帶來殘余應(yīng)力，降低晶?？拐蹚?qiáng)度，導(dǎo)致成品率降低。通過降低切割速率或者采用雙主軸階段切割工藝可以顯著減少芯片背崩問題,但也使產(chǎn)能降低，同時(shí)，砂輪劃片工藝中刀具磨損，冷卻液的使用都使成本增加。

2 激光劃片

激光劃片作為一種新式的劃片方式，于近幾年得到了快速發(fā)展。激光劃片是將高峰值功率的激光束經(jīng)過擴(kuò)束、整形后，聚焦在藍(lán)寶石基片（或硅片、SIC基片、金剛石等材料）表面，使材料表面或內(nèi)部發(fā)生高溫汽化或者升華現(xiàn)象，從而使材料分離的一種劃片方法。激光劃片具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)非接觸劃切，無機(jī)械應(yīng)力，基本無角崩現(xiàn)象，切口光滑無裂紋，切割質(zhì)量好，成品率較高；

(2)切割精度高，劃槽窄，甚至可以進(jìn)行無縫切割，允許晶圓排列更為緊密，節(jié)約成本；

(3)可進(jìn)行線段、圓等異型線型的劃切，允許晶圓以更為合理的方式排列(如圖3)，在同樣大的晶圓上排列更多的晶粒，有效晶粒數(shù)量增加，節(jié)省基底空間；

圖3 有效的晶粒數(shù)量增加

(4)消耗資源少，不需要更換刀具，不使用冷卻液，即節(jié)省成本，又不污染環(huán)境。

激光劃片的以上優(yōu)點(diǎn)使其特別適用于高精度，高可靠性的聲波器件等的加工。

2.1 激光劃片光源—激光器

激光器作為激光劃片設(shè)備的核心部件之一，通常會(huì)占據(jù)整個(gè)設(shè)備成本的40%左右。激光器的分類有多種方法，按工作物質(zhì)分類，常用的加工用激光器主要有：固體激光器、CO2激光器、準(zhǔn)分子激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器等。由于固體激光器易于維護(hù)與運(yùn)輸，使用周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，激光劃片設(shè)備通常使用脈沖固體激光器作為激光源。目前，大部分固體激光器廠家可以保修1萬h，有的廠家還可以對(duì)某些型號(hào)的激光器保修10萬h。這無疑使激光器的維護(hù)成本大大降低。激光束的質(zhì)量對(duì)最終的劃切效果有著重要的影響。使用的激光束模式為基模，M2小于1.3或是更優(yōu)。一般來說，精細(xì)劃片常用的脈沖固體激光器波長(zhǎng)有1064 nm，532 nm，355 nm，266 nm。受激光器生產(chǎn)發(fā)展及相應(yīng)光學(xué)配套系統(tǒng)限制，激光的脈沖寬度一般在1～100 ns，重復(fù)頻率從幾千赫到幾百千赫不等。

2.2 光束傳遞與聚焦系統(tǒng)：

激光是高斯光束，具有方向性好，光強(qiáng)度和光功率密度高的特點(diǎn)。激光的重復(fù)頻率影響著劃切槽質(zhì)量，重復(fù)頻率越高，效果越好，劃切槽邊緣越光滑。激光束的功率密度決定了激光對(duì)材料去除的能力，功率密度越大，去除能力越強(qiáng)。但由于激光光束有一定的發(fā)散角(通常在毫弧度量級(jí))，和出口光斑大小(通常直徑為1mm左右)的限制，不能滿足劃片對(duì)光斑直徑及功率密度的應(yīng)用需求，需要采用聚焦透鏡對(duì)光束進(jìn)行進(jìn)一步聚焦以滿足劃片對(duì)激光功率密度及光斑大小的需要。當(dāng)入射激光束腰至透鏡的距離l遠(yuǎn)大于透鏡焦距F時(shí)，滿足下式，即透鏡后焦平面上的光斑半徑為[2]：

其中，ω(l)為入射在透鏡表面上的高斯光束光斑半徑；λ為入射激光的波長(zhǎng)。

激光波長(zhǎng)越短，入射光斑半徑越大，聚焦后光斑越小。又基模高斯光束的發(fā)散角由下式?jīng)Q定：

代入發(fā)散角公式，則透鏡后焦平面上的光斑直徑可近似表示為：

由公式可見，要獲得良好的聚焦光點(diǎn)和提高功率密度，應(yīng)盡量采用短波長(zhǎng)激光器，短焦距透鏡和壓縮擴(kuò)散角。

壓縮擴(kuò)散角可以通過擴(kuò)束器來實(shí)現(xiàn)，它的作用除了壓縮光束的發(fā)散角外，也同時(shí)增大光束的直徑，以減小聚焦光斑尺寸。如果物鏡焦距為F'，目鏡焦距為F，入射平行光光斑直徑為R，發(fā)散角為θ，出射平行光光斑直徑為R'，發(fā)散角為θ'，則輸出光束和輸入光束的關(guān)系為：

采用擴(kuò)束裝置，壓縮激光束的發(fā)散角，減小聚焦光斑直徑，可以提高激光功率密度，且效果顯著。設(shè)激光束平均功率為P軈，若沒采用擴(kuò)束裝置之前聚焦光斑的激光功率密度為P，采用擴(kuò)束裝置之后激光功率密度為P'，則有：

由此可見，激光功率密度與光斑直徑平方成反比。光斑直徑越小，功率越大。

增大功率密度可以增強(qiáng)激光加工的能力。實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)不同的劃切材料和要求設(shè)計(jì)不同的光斑直徑、焦深以及功率密度等系統(tǒng)參數(shù)。在精密加工時(shí)可以得到符合要求的劃痕。

2.3 激光劃片設(shè)備基本結(jié)構(gòu)

激光劃片系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。加工時(shí)，激光相對(duì)靜止，工作臺(tái)承載被加工材料以指定的速度和方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，劃出需要的圖形。值得注意的是，由于工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的起動(dòng)與停止需要時(shí)間，在切割時(shí)的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)與激光器的協(xié)調(diào)控制尤為重要，如果控制不得當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致可用晶粒數(shù)減少，甚至無法進(jìn)行下一道工序，造成廢片產(chǎn)生。

圖4 激光光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對(duì)于不同的種類、不同型號(hào)的材料及不同的劃切要求，激光的波長(zhǎng)、功率、脈沖寬度與重復(fù)頻率、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度及方式等參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)得到最優(yōu)化組合。以藍(lán)光LED的藍(lán)寶石晶圓為例，要求劃切槽寬度在微米量級(jí)，深度20～30μm，通常采用355 nm或266 nm的紫外脈沖固體激光器作為激光源，目前劃切速度最高可達(dá)20片/h。圖5為劃切顯微圖。

圖5 LED劃切顯微圖

2.4 激光劃片工藝

盡管激光劃片具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也容易產(chǎn)生一些問題，主要有熱效應(yīng)、回焊現(xiàn)象、粉塵等異物對(duì)芯片產(chǎn)生的不良影響。熱效應(yīng)使劃切槽邊緣發(fā)生化學(xué)和物理性質(zhì)的變化，粉塵容易掉落并粘連在晶粒表面而影響下道工序，這些都會(huì)對(duì)器件性能產(chǎn)生不良影響。

對(duì)于熱效應(yīng)問題，即使使用單個(gè)光子能量極高的紫外激光束進(jìn)行劃片加工，也不能完全避免熱效應(yīng)的產(chǎn)生，有報(bào)道稱：只有在激光脈沖寬度達(dá)到皮秒級(jí)或者更短的情況下才能夠完全避免，但目前皮秒激光器價(jià)格昂貴，設(shè)備成本成倍增加。使得一般的封裝廠商難以接受。

針對(duì)這些問題，并進(jìn)一步優(yōu)化激光劃片的效率及生產(chǎn)工藝問題，一些設(shè)備生產(chǎn)廠商開發(fā)了各種加工工藝，以減小粉塵或者熱效應(yīng)等不良影響，甚至完全避免。主流應(yīng)用的工藝方法有：

2.4.1 表面涂覆保護(hù)膜

劃片之前在晶圓表面涂覆一層水溶性保護(hù)膜，這樣一來，劃切時(shí)產(chǎn)生的粉塵或其他異物會(huì)掉落在保護(hù)膜上，而不會(huì)粘附在晶粒上，劃切后再利用純水沖洗干凈。這種方法可以大幅度減少異物粘附，增強(qiáng)器件可靠性。

2.4.2 多光束激光劃片工藝

利用分光技術(shù)將一束激光分成幾束甚至幾十束排成一列對(duì)材料進(jìn)行加工的方法，單光束激光切割通常為了保證切割質(zhì)量而采用較低功率，進(jìn)而影響切割速度。而該方法能夠在保證切割質(zhì)量的同時(shí)，提高激光切割速度并能夠得到尺寸更小的切割槽。見圖6。

圖6 多光束(Multi Beam)激光劃片示意圖

2.4.3 微水導(dǎo)激光切割工藝

將激光束耦合在極細(xì)的高壓水柱內(nèi)，激光與高壓水柱同時(shí)作用于材料表面進(jìn)行加工的方法。該方法利用了激光“自聚焦現(xiàn)象”，激光束作用在材料表面的光斑大小取決于高壓水柱的尺寸，對(duì)被加工材料厚度變化不敏感。而且，該方法能夠迅速帶走由于激光與材料相互作用時(shí)產(chǎn)生微塵，同時(shí)能夠帶走大部分對(duì)晶圓性能有重大影響的熱量，降低熱影響。1998年瑞士的SYNOVA公司首先利用該方法實(shí)現(xiàn)了成熟的晶圓切割設(shè)備，切割寬度從100μm到22μm不等。見圖7。

圖7 微水導(dǎo)激光切割示意圖

2.4.4 “隱形切割”工藝

將激光聚焦在被加工材料內(nèi)部，使其內(nèi)部產(chǎn)生變質(zhì)層，再借由擴(kuò)展膠膜等方法將晶粒分離的工藝方法，該工藝方法與激光直接刻蝕相比，具有無污染的特點(diǎn)，在工藝流程上減少了清洗這一步驟，節(jié)約了時(shí)間成本，特別適合抗負(fù)荷能力差的加工對(duì)象。圖8顯示了隱形切割方法加工示意圖。

圖8 激光隱形切割示意圖

3 結(jié)束語

激光劃片作為一門新興技術(shù)，目前還處于成長(zhǎng)階段，其非接觸、高質(zhì)量、高速度的加工特性，在特殊硬脆材料劃切、太陽能電池制程、3D封裝等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。由于激光劃片設(shè)備的價(jià)格較為昂貴，在某些材料的劃切上優(yōu)勢(shì)不明顯等原因，目前在半導(dǎo)體劃切領(lǐng)域，還是砂輪劃片為主導(dǎo)，激光劃片為補(bǔ)充的局面。國(guó)內(nèi)激光劃片市場(chǎng)基本被國(guó)外廠商所壟斷，國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體封裝行業(yè)廠商采用的激光劃片設(shè)備主要來自國(guó)外，比如日本的DISCO,東京精密，美國(guó)的JPSA、NewWave、德國(guó)LPKF等廠家的設(shè)備在國(guó)內(nèi)使用較為廣泛。國(guó)內(nèi)的激光劃片設(shè)備生產(chǎn)廠家：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，大族激光，德龍激光等，市場(chǎng)占有率較低。

[1]王明權(quán)，王宏智，全自動(dòng)劃片機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2007(2):28～32.

[2]張國(guó)順，現(xiàn)代激光制造技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.64-68.