利用喷水引导的激光束切割半导体芯片 |
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2005-06-11 10:57
来源:中国激光网 作者:Zgshan译 |
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摘要：利用喷水引导的激光束来切割半导体芯片，热影响区(HAZ)可以忽略，污染也大大减少。 在集成电路的制造过程中，半导体芯片的切割,即将外延片切成一个个芯片，是一个不可缺少和非常细致的工序。 直到最近，用研磨剂锯仍是芯片切割的唯一技术。但是，这一技术正在改进，以满足加工薄外延片和新的化合物半导体器件的需求。 传统的激光加工技术比用研磨剂锯优越，但是，它产生的大量碎片，附着在外延片的表面，很难去除，而且还有可能对附近的结构造成损害。这些激光还导致严重的热影响区(HAZ)产生；导致微裂纹的出现,结果使芯片的抗裂能力大大降低。正是由于这些原因,在半导体芯片切割方面，激光技术应用得并不普遍。 几年前，一种新的以激光为基础的半导体芯片切割技术，已经成功地在半导体领域应用。这种将激光和喷水技术结合在一起的技术,简称喷水引导的激光技术，对薄外延片的切割、划槽和磨边等工艺来说，是一个快速有效的解决方法。它能加工的材料范围很广，化合物半导体也包括在内。因为它继承了传统激光的优点,克服了它的缺点，因此，在锯子不能应用的场合，它也能取得成功。 喷水引导激光器(也叫Laser-Microjet)的基本原理是：将激光束聚焦进喷嘴，喷嘴与增压水箱相连。从喷嘴射出来的水，就像普通的光纤那样，光会在水-空气界面产生全反射，因此，喷水对激光束起着引导作用。可将喷水柱看成是一个长度可变的流动性光波导(见图1)。 因为喷水柱的直径可小到20μm, 所以切口可以做得非常小。整个系统的维护费用很低,因为没有任何工具磨损，水的费用是可以忽略的。  该技术的优点是明显的，这可以通过它与传统激光技术之间存在的4种主要差异来解释。 在传统的激光切割中，激光束是发散的，而且工作距离较短。当喷水引导激光束时, 工作距离（相当于喷水保持柱状的那段区域）可以扩大到几厘米长，产生的切口宽度不变，无需对焦距进行任何控制。 喷水还可以防止材料的热破坏，因为在激光脉冲之间，切割边缘得到冷却；与普通激光技术相比，热影响区可以忽略。喷水还能排除溶融材料，排除效率比采用辅助气体的普通激光技术高800倍，结果是：无毛边产生，熔化效率也很高。 在传统的激光切割中，为避免污染需在材料上涂上保护性涂料，这大大增加了成本(需要增加2个工序)；采用喷水引导的激光技术, 在材料表面形成了一个水膜，在那里，粒子已经被喷水冷却，但仍处在悬浮状态。 芯片切割 喷水引导的激光技术对用于较薄包装的薄外延片来说，特别有效。包装越薄，散热越好，灵活性越高。在外延等加工完成之后，一些外延片需要通过机械加工将其厚度磨到200μm到50μm之间，这一工艺叫背面研磨。切片加工的困难是要避免产生微裂纹，这种微裂纹有可能导致芯片断裂。最新的研究表明：采用喷水引导激光技术可使芯片抗裂能力大大增强。以硅材料为例，喷水引导激光技术切成的芯片抗裂能力约比用研磨剂锯切成的芯片抗裂能力提高了1.3倍。该技术是很“轻柔”的，甚至可用来切割更脆的材料。 砷化镓(GaAs)- GaAs是用得最多的化合物半导体,由于它很脆，芯片切割很困难。机械方法(用锯锯或划片后断开)是切割砷化镓的标准方法，但它们会产生碎屑,速度也较慢。 Laser-Microjet的切割速度非常快, 而且不会产生机械损伤或热破坏。 所有有毒物质都集中在废水中,所以必须设法将它们过滤掉。与传统的干式激光切割一样，没有任何气体散发出来。  用该技术切割薄GaAs外延片的典型质量如图2所示，该片是从一家主要的芯片生产商那里得到的。由图可见：不存在由机械应力引起的任何碎屑,没有任何污染。 对这个100μm厚的砷化镓外延片而言，来自光纤激光器的光束(波长为1064nm，平均功率100W)被耦合到一个很细的喷水柱(直径27μm)中。可通过适当地选择参数来提高高速(达80 毫米/s)切割时的切割质量。 低k外延片?C在这些外延片顶部，介电常数较小,由于较脆，容易剥落。用研磨剂锯是不可能产生满意结果的，因为要产生机械应力。甚至还会降低速度，碎屑和裂缝的形成也是不可避免的。将激光和研磨剂锯的方法结合起来使用，会改善切割质量，但要大大增加成本。在这种情况下，采用喷水引导的激光技术是有好处的，因为它产生的切口，非常干净，没有碎屑，而且是一步成功。  对来自另一个主要芯片制造商的100μm厚低k外延片，用Laser-Microjet进行芯片切割，结果如图3所示。没有污染，没有热破坏、毛边或碎屑，绝缘特性也不受影响。加工速度为50毫米/秒，切口宽度30μm。切割可以在离作用区很近(3到5μm)的地方进行，因此，生产者可能以更高的密度来设计外延片。 边缘研磨 除了芯片切割之外，该技术还可用来解决在背磨工艺(用来减小外延片厚度)中出现的破损问题，即产生“刃状物”。在刃状物中，含有微裂纹，像蚀刻那样，不能用释放应力的方法去除。裂纹的传播可能导致外延片破坏。 今天, 还没有一种技术能用来研磨或抛光刃状物。 解决的办法是彻底去除它。 喷水引导的激光技术是能满足这一要求的唯一技术。这一工艺,可称边缘研磨工艺,能将外延片边缘去除0.5-2毫米, 因此，微裂纹就不可能在外延片的其它部分传播。  边缘研磨可在背磨之前或之后进行。图4显示的是一个725μm厚的硅片，已经在背磨之前刻了槽。当外延片变得很薄(在背磨之后)时,该槽就将含有微裂纹的刀口与外延片其它部分分开了。采用75μm的喷嘴，刻槽速度达50毫米/秒。 结论 这种混合型的喷水引导激光技术，具有可忽略的HAZ，还减少的污染，为半导体工业提供了一个轻柔的工具，能加工各种易脆的材料。它还可以用于其它方面，如切割模板、太阳电池、医疗机械，或用来制作工具的硬性材料。 |
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