传统的金刚石砂轮高速旋转切割,其表面镶嵌的凸起的锋利的锯齿状高硬度金刚石颗粒对切割部位磨削,产生压力、磨擦力及剪切力将剥离的碎屑带走,同时其本身也被磨损,刀片越钝切割温度越高即造成划片刀过载。由于这些机械力是直接作用在晶圆表面上并在晶体内部产生应力和热损伤,因此易产生正反两面的崩边(Chipping)、微损伤、裂痕等问题,同时造成碎屑污染(Silicon dust)。以上问题难以通过其自身工艺的改善完全解决。
随着器件集成度的增加,芯片尺寸、切割道宽、有源区到边缘的距离不断减小。另外晶片厚度日趋减薄,晶片崩边、翘曲变形、微粒污染、粗糙度、损伤层、应力破坏、易破损、产能下降、碎片率以及刀片损耗等问题随之而来。实践证明磨削加工方式已近接物理极限。
激光加工为非接触式晶圆切割加工,激光能量通过光学聚焦后获得高能量密度,直接将硅片溶蚀气化,切割的硅片断面具有一定粗糙度的表面和最低限度的热蚀区。另外,选择适合的激光波长和频率,激光能被硅材料有效地吸收,因此其可在很窄的宽度区域进行精细微加工,达到对材料分子键级的断裂破坏。
用激光对晶圆进行精密划片切割是对易碎的单晶硅晶圆砂轮刀片机械划片裂片的最佳替代工艺。激光可对所有第III-V主族材料包括第IV主族材料如硅(Si)和锗(Ge)的晶圆进行快速划片切割。硅晶圆片,切口宽度均小于25微米,切口边缘平直、精确,没有裂纹、位错、崩裂,尤其对选择参考解理面的硅晶圆更是如此。采用激光划片工艺使得成品率更高,并因为损坏的芯片非常少而获得更高的成品率。在半导体性价比的需求驱动下,芯片成本不断降低,尺寸越来越小。切割宽度从100微米降到30微米,采用激光划片工艺后,划片槽宽度进一步降低到20微米。激光划片工艺能够提高产能。目前,激光划片速度能够达到200mm/s以上。相对于机械式划片工艺,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。
激光技术还有很大技术潜能,激光切割以其显著的非接触、无应力、低损伤、灵活性、速度快等优势著称。半导体晶片切割应用,激光是一条必由之路。金刚石砂轮切割已经完成其历史使命。新一代的晶片切割和微加工势必采用更新的工艺方法。
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