在半導(dǎo)體芯片制造過程中，需要采用切割工藝對晶圓進行劃片，然而傳統(tǒng)的金剛石切割、砂輪切割會對半導(dǎo)體材料造成較為嚴重的損傷，導(dǎo)致半導(dǎo)體晶圓碎裂、芯片性能下降等問題，因此開發(fā)出先進的切割技術(shù)將對集成電路半導(dǎo)體領(lǐng)域的降本增效具有極其重要的意義。隨著激光技術(shù)的進步，采用高功率激光實現(xiàn)的激光燒蝕切割（即激光劃片）和利用小功率激光聚焦實現(xiàn)的激光隱形切割（即激光隱切）技術(shù)逐漸成為了主流的芯片切割技術(shù)。激光切割技術(shù)屬于非接觸式加工方法，相對傳統(tǒng)金剛石切割和砂輪切割，不會產(chǎn)生崩刃、刀具磨損和水污染，熱影響和夾渣等不可忽視的問題。然而，激光燒蝕切割所采用的大功率激光在工作過程中會產(chǎn)生較高的熱效應(yīng)，因此在切割晶圓時容易同時破壞底部的藍膜，進而對芯片加工工藝產(chǎn)生影響，因此激光隱切技術(shù)逐漸成為了半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的關(guān)注焦點。

圖1 晶圓切割技術(shù)：（a）金剛石刀片切割，（b）砂輪切割和（c）激光隱切技術(shù)

先進切割：激光隱切工藝詳解及其應(yīng)用舉例

激光隱切技術(shù)通過將激光聚焦形成小面積的光斑，可產(chǎn)生巨大的能量密度，進而實現(xiàn)晶圓切割。作為一種干式工藝，激光隱切具有高速、高質(zhì)量（無碎屑或極少碎屑）和低切口損失等優(yōu)勢。激光隱切的具體工藝過程可分為兩個步驟：（1）激光誘導(dǎo)穿孔：如圖2所示，采用光學系統(tǒng)將可透過晶圓的脈沖激光束聚焦到晶圓表面下方的焦點，當該焦點處激光功率密度達到峰值時，將會形成穿孔，此時晶圓上的芯片還未產(chǎn)生分離；（2）芯片分離：將放置在晶圓的藍膜展開后，由于激光穿孔附近存在較大的張應(yīng)力和壓應(yīng)力，因此可沿著激光路徑在晶圓內(nèi)部誘導(dǎo)產(chǎn)生裂縫，實現(xiàn)芯片分離。

圖2 激光聚焦后在隱切層中形成穿孔

激光隱切技術(shù)目前已在多種晶圓切割上實現(xiàn)應(yīng)用，例如：

（1）硅片切割：采用傳統(tǒng)的金剛石刀片切割硅片時，刀片的厚度、粒度、旋轉(zhuǎn)及切割速度會嚴重影響硅片切割的質(zhì)量，盡管多年來人們一直在改進相關(guān)的技術(shù)方案，但刀片造成的大切割寬度（切口）仍然會導(dǎo)致材料的浪費，并且碎屑的產(chǎn)生及刀片磨損也增加了切割成本，而采用具有超窄切割路徑的激光隱切技術(shù)，就可以避免額外的碎屑清理和材料浪費帶來的成本問題，進而提高芯片的生產(chǎn)率，此外由于避免了熱損傷問題，激光隱切技術(shù)還能夠進一步提高芯片制造的良率；

（2）碳化硅切割：碳化硅是一種硬度僅次于金剛石的超硬材料，機械加工難度非常高，在大尺寸（6英寸及以上）碳化硅晶體襯底材料的制備環(huán)節(jié)，激光隱切技術(shù)相較于固定磨料（鉆石電鍍于鋼線上）的線切割技術(shù)，其切割效率可提升3～5倍，并且由于存在材料消耗的顯著問題，激光隱切技術(shù)還可實現(xiàn)將碳化硅晶圓的產(chǎn)出率提高30%以上；

（3）特種晶圓切割：采用激光隱切技術(shù)對特種晶圓（例如帶有芯片貼裝薄膜或由低k 材料制成的晶圓）進行切割時，可避免碎裂和裂紋的產(chǎn)生，并實現(xiàn)高效率、高精度的晶圓切割。

圖3 激光隱形切割樣品展示

圖片來源：航天三江激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院

不斷進階的激光隱切技術(shù)

盡管激光隱切技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，但在切割過程中仍會受到一系列問題的干擾。如圖4所示，晶圓表面翹曲、激光能量密度調(diào)控問題將導(dǎo)致激光焦點無法精確落在晶圓中的具體薄層，阻礙了切割精度、芯片良率的進一步提升；由于激光束在加速、減速和轉(zhuǎn)角段難以均勻作用于晶圓，容易出現(xiàn)過度加工等問題；此外模擬量干擾、模擬量非線性、模擬量零漂，或驅(qū)動器電流環(huán)延遲等問題，將影響激光切割平臺的控制精度和響應(yīng)度。

圖4 （a）晶圓表面翹曲影響切割精度，（b）激光作用不均勻?qū)е逻^度加工

針對以上問題，目前學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界提出了一系列的解決方案，如圖5所示，具體包括：

（1）實時高度跟隨控制：在切割晶圓時，通過位移傳感器實時測量產(chǎn)品表面微小的高度波動，并實時補償?shù)郊す馄魉�在的z軸，確保激光焦點精確落在晶圓中的具體薄層；

（2）高速位置比較輸出控制：開發(fā)高度跟隨算法，有效避免了激光在加速、減速和轉(zhuǎn)角段的過度加工問題，使激光均勻地作用在被加工物體上；

（3）PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制技術(shù)：通過控制器直接產(chǎn)出開關(guān)量信號，經(jīng)功率放大模塊后直接控制電機電流環(huán)，實現(xiàn)更快、更直接地提升激光切割平臺的控制精度和響應(yīng)度。

圖5 （a）晶圓激光隱切時采用的高度跟隨方案，（b）在運動軌跡的所有階段以恒定的空間間隔采集高度數(shù)據(jù)，（c）用開關(guān)量信號控制電機電流環(huán)

針對單焦點激光隱切的作用面積小、激光作用功率調(diào)諧問題，人們還針對性地開發(fā)了多焦點激光隱切技術(shù)，該技術(shù)能夠在晶圓內(nèi)部同時聚焦生成多個焦點進行切割，實現(xiàn)切割效率成倍地提高，如圖6所示。

圖6 （a）多焦點隱切實驗裝置原理圖，（b）多焦點激光隱切后的晶圓橫截面

在多焦點激光隱切過程中，激光束的位置和強度對切割質(zhì)量都具有較大影響，并且由于空氣和半導(dǎo)體材料的折射率差距過大，作用在晶圓內(nèi)部的激光束會產(chǎn)生焦斑彌散現(xiàn)象，所以需要像差矯正。為了滿足不同應(yīng)用場合下的晶圓切割需求，人們還針對以上問題開展技術(shù)攻關(guān)，包括調(diào)控多焦點的位置和強度，開發(fā)像差矯正技術(shù)以克服焦斑彌散現(xiàn)象等。

激光隱切技術(shù)將有更廣闊的天地

激光隱切相對傳統(tǒng)的切割技術(shù)而言，在實際應(yīng)用中具有顯著的高效率、高質(zhì)量和低損失等優(yōu)越性，通過對激光隱切技術(shù)進行進一步的優(yōu)化和探索，例如：通過調(diào)節(jié)激光隱切過程中的光束能量實現(xiàn)光芯片的表面粗化；進一步提高激光隱切的效率等，我們相信這項技術(shù)在集成電路半導(dǎo)體制造以及其他新興領(lǐng)域中，都將大放異彩。

參考文獻：

[1]黃福民,謝小柱,魏昕,等.半導(dǎo)體晶圓激光切割新技術(shù)[J].激光技術(shù), 2012, 36(3):293-297.DOI:10.3969/j.issn.1001-3806.2012.03.002.

[2]張懷智,徐家明,張?zhí)m天,等.硅晶圓多焦點激光隱切算法與實驗[J].中國激光, 2022(002):049.DOI:10.3788/CJL202249.0202018.

[3]廖凱."魔法"激光劃片-MAHOH[J].中國集成電路, 2006, 15(9):40-42.DOI:10.3969/j.issn.1681-5289.2006.09.015.

[4]李曼、彭川、馮晨、王然、侯煜、岳嵩、張紫辰.基于半導(dǎo)體晶圓激光切割工藝的質(zhì)量控制[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗, 2020, 38(4):5.DOI:CNKI:SUN:DZKH.0.2020-04-030.

[5] Dai YT, Gang X, Cui JL et al. Laser micro-structuring of sapphire wafer and fiber, Micromachining and Microfabrication Process Technology, 7590 (2010).

[6] Li ZQ, Wang XF, Wang JL et al. Stealth dicing of sapphire sheets with low surface roughness, zero kerf width, debris/crack-free and zero taper using a femtosecond Bessel beam, Optics and Laser Technology, 135(3): 106713 (2021).

[7] Yadav A, Kbashi H, Kolpakov S et al. Stealth dicing of sapphire wafers with near infra-red femtosecond pulses, Applied Physics A: Materials Science & Processing, 123(5): 369 (2017).

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