半导体封装领域的晶圆激光划片概述

韩微微，张孝其

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京东 燕郊 101601)

半导体元器件的制造过程可主要分为四个阶段：材料准备、晶体生长和晶圆准备、晶圆制造、封装。受移动计算、移动多媒体和无线通信等应用领域的市场驱动，半导体厂商一直致力于大直径、超薄晶圆的应用研发，从而能够以更低的整体成本，获得更高性能、更小体积和更大存储容量的闪存(FLASH)和多芯片封装存储器产品。采用3D封装技术的晶圆已经持续减薄至100 um之下。2010预期显示，半导体工业中30%至50%的硅晶圆将被减薄,晶圆的厚度减小意味着机械性能降低，而且，为提高器件高速性能，晶圆转向应用低K（<3.0）介电常数材料，该种类材料的附着性、硬度、断裂性等机械性能降低。

电测完毕的晶圆片在贴膜后，通过切割的方式将晶圆分离为晶粒，以便进行封装工序。通常的做法是在晶圆上划切出沟槽，然后进行裂片再将其分离。作为半导体封装的第一道工序，划片质量的好坏直接影响到整体的封装质量。而晶圆在划片过程中容易发生崩角、分层与剥离等缺陷(如图1)，给划片工艺带来了挑战，促使划片工艺不断向前发展，目前，划片的方式主要有砂轮划片和激光划片。

1 砂轮划片

图1 崩角与剥离

砂轮划片是目前应用最为广泛的划片技术，切割机理是强力磨削。它利用稳定高速旋转的刀片对晶圆进行划切，并同时使用冷却液对切割点进行冲洗。冲洗的作用是冷却的同时带走切割时生成的粉尘，全自动砂轮划片工序如图2[1]。

图2 全自动划片机工作流程

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。但随着半导体技术的发展，晶圆的机械性能降低，砂轮划片面临巨大挑战。低k介质材料普遍附着性、硬度、断裂性等机械性能低，砂轮划片较难处理，而且在划片过程中晶圆背面承受应力，使得薄晶圆无法承受这种力学冲击，易碎片、背崩和分层等不良现象增加，同时不良的DAF膜切割会给芯片带来残余应力，降低晶粒抗折强度，导致成品率降低。通过降低切割速率或者采用双主轴阶段切割工艺可以显著减少芯片背崩问题,但也使产能降低，同时，砂轮划片工艺中刀具磨损，冷却液的使用都使成本增加。

2 激光划片

激光划片作为一种新式的划片方式，于近几年得到了快速发展。激光划片是将高峰值功率的激光束经过扩束、整形后，聚焦在蓝宝石基片（或硅片、SIC基片、金刚石等材料）表面，使材料表面或内部发生高温汽化或者升华现象，从而使材料分离的一种划片方法。激光划片具有以下优点：

(1)非接触划切，无机械应力，基本无角崩现象，切口光滑无裂纹，切割质量好，成品率较高；

(2)切割精度高，划槽窄，甚至可以进行无缝切割，允许晶圆排列更为紧密，节约成本；

(3)可进行线段、圆等异型线型的划切，允许晶圆以更为合理的方式排列(如图3)，在同样大的晶圆上排列更多的晶粒，有效晶粒数量增加，节省基底空间；

图3 有效的晶粒数量增加

(4)消耗资源少，不需要更换刀具，不使用冷却液，即节省成本，又不污染环境。

激光划片的以上优点使其特别适用于高精度，高可靠性的声波器件等的加工。

2.1 激光划片光源—激光器

激光器作为激光划片设备的核心部件之一，通常会占据整个设备成本的40%左右。激光器的分类有多种方法，按工作物质分类，常用的加工用激光器主要有：固体激光器、CO2激光器、准分子激光器、半导体激光器、光纤激光器等。由于固体激光器易于维护与运输，使用周期长等特点，激光划片设备通常使用脉冲固体激光器作为激光源。目前，大部分固体激光器厂家可以保修1万h，有的厂家还可以对某些型号的激光器保修10万h。这无疑使激光器的维护成本大大降低。激光束的质量对最终的划切效果有着重要的影响。使用的激光束模式为基模，M2小于1.3或是更优。一般来说，精细划片常用的脉冲固体激光器波长有1064 nm，532 nm，355 nm，266 nm。受激光器生产发展及相应光学配套系统限制，激光的脉冲宽度一般在1～100 ns，重复频率从几千赫到几百千赫不等。

2.2 光束传递与聚焦系统：

激光是高斯光束，具有方向性好，光强度和光功率密度高的特点。激光的重复频率影响着划切槽质量，重复频率越高，效果越好，划切槽边缘越光滑。激光束的功率密度决定了激光对材料去除的能力，功率密度越大，去除能力越强。但由于激光光束有一定的发散角(通常在毫弧度量级)，和出口光斑大小(通常直径为1mm左右)的限制，不能满足划片对光斑直径及功率密度的应用需求，需要采用聚焦透镜对光束进行进一步聚焦以满足划片对激光功率密度及光斑大小的需要。当入射激光束腰至透镜的距离l远大于透镜焦距F时，满足下式，即透镜后焦平面上的光斑半径为[2]：

其中，ω(l)为入射在透镜表面上的高斯光束光斑半径；λ为入射激光的波长。

激光波长越短，入射光斑半径越大，聚焦后光斑越小。又基模高斯光束的发散角由下式决定：

代入发散角公式，则透镜后焦平面上的光斑直径可近似表示为：

由公式可见，要获得良好的聚焦光点和提高功率密度，应尽量采用短波长激光器，短焦距透镜和压缩扩散角。

压缩扩散角可以通过扩束器来实现，它的作用除了压缩光束的发散角外，也同时增大光束的直径，以减小聚焦光斑尺寸。如果物镜焦距为F'，目镜焦距为F，入射平行光光斑直径为R，发散角为θ，出射平行光光斑直径为R'，发散角为θ'，则输出光束和输入光束的关系为：

采用扩束装置，压缩激光束的发散角，减小聚焦光斑直径，可以提高激光功率密度，且效果显著。设激光束平均功率为P軈，若没采用扩束装置之前聚焦光斑的激光功率密度为P，采用扩束装置之后激光功率密度为P'，则有：

由此可见，激光功率密度与光斑直径平方成反比。光斑直径越小，功率越大。

增大功率密度可以增强激光加工的能力。实际应用中可根据不同的划切材料和要求设计不同的光斑直径、焦深以及功率密度等系统参数。在精密加工时可以得到符合要求的划痕。

2.3 激光划片设备基本结构

激光划片系统基本结构如图4所示。加工时，激光相对静止，工作台承载被加工材料以指定的速度和方式进行运动，划出需要的图形。值得注意的是，由于工作台运动的起动与停止需要时间，在切割时的工作台运动与激光器的协调控制尤为重要，如果控制不得当，可能会导致可用晶粒数减少，甚至无法进行下一道工序，造成废片产生。

图4 激光光路系统结构

对于不同的种类、不同型号的材料及不同的划切要求，激光的波长、功率、脉冲宽度与重复频率、工作台运动速度及方式等参数需要根据实际情况进行大量实验得到最优化组合。以蓝光LED的蓝宝石晶圆为例，要求划切槽宽度在微米量级，深度20～30μm，通常采用355 nm或266 nm的紫外脉冲固体激光器作为激光源，目前划切速度最高可达20片/h。图5为划切显微图。

图5 LED划切显微图

2.4 激光划片工艺

尽管激光划片具有诸多优点，但在实际应用中也容易产生一些问题，主要有热效应、回焊现象、粉尘等异物对芯片产生的不良影响。热效应使划切槽边缘发生化学和物理性质的变化，粉尘容易掉落并粘连在晶粒表面而影响下道工序，这些都会对器件性能产生不良影响。

对于热效应问题，即使使用单个光子能量极高的紫外激光束进行划片加工，也不能完全避免热效应的产生，有报道称：只有在激光脉冲宽度达到皮秒级或者更短的情况下才能够完全避免，但目前皮秒激光器价格昂贵，设备成本成倍增加。使得一般的封装厂商难以接受。

针对这些问题，并进一步优化激光划片的效率及生产工艺问题，一些设备生产厂商开发了各种加工工艺，以减小粉尘或者热效应等不良影响，甚至完全避免。主流应用的工艺方法有：

2.4.1 表面涂覆保护膜

划片之前在晶圆表面涂覆一层水溶性保护膜，这样一来，划切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，划切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。

2.4.2 多光束激光划片工艺

利用分光技术将一束激光分成几束甚至几十束排成一列对材料进行加工的方法，单光束激光切割通常为了保证切割质量而采用较低功率，进而影响切割速度。而该方法能够在保证切割质量的同时，提高激光切割速度并能够得到尺寸更小的切割槽。见图6。

图6 多光束(Multi Beam)激光划片示意图

2.4.3 微水导激光切割工艺

将激光束耦合在极细的高压水柱内，激光与高压水柱同时作用于材料表面进行加工的方法。该方法利用了激光“自聚焦现象”，激光束作用在材料表面的光斑大小取决于高压水柱的尺寸，对被加工材料厚度变化不敏感。而且，该方法能够迅速带走由于激光与材料相互作用时产生微尘，同时能够带走大部分对晶圆性能有重大影响的热量，降低热影响。1998年瑞士的SYNOVA公司首先利用该方法实现了成熟的晶圆切割设备，切割宽度从100μm到22μm不等。见图7。

图7 微水导激光切割示意图

2.4.4 “隐形切割”工艺

将激光聚焦在被加工材料内部，使其内部产生变质层，再借由扩展胶膜等方法将晶粒分离的工艺方法，该工艺方法与激光直接刻蚀相比，具有无污染的特点，在工艺流程上减少了清洗这一步骤，节约了时间成本，特别适合抗负荷能力差的加工对象。图8显示了隐形切割方法加工示意图。

图8 激光隐形切割示意图

3 结束语

激光划片作为一门新兴技术，目前还处于成长阶段，其非接触、高质量、高速度的加工特性，在特殊硬脆材料划切、太阳能电池制程、3D封装等领域有着广阔的应用前景。由于激光划片设备的价格较为昂贵，在某些材料的划切上优势不明显等原因，目前在半导体划切领域，还是砂轮划片为主导，激光划片为补充的局面。国内激光划片市场基本被国外厂商所垄断，国内的半导体封装行业厂商采用的激光划片设备主要来自国外，比如日本的DISCO,东京精密，美国的JPSA、NewWave、德国LPKF等厂家的设备在国内使用较为广泛。国内的激光划片设备生产厂家：中国电子科技集团公司第四十五研究所，大族激光，德龙激光等，市场占有率较低。

[1]王明权，王宏智，全自动划片机的关键技术研究[J].电子工业专用设备，2007(2):28～32.

[2]张国顺，现代激光制造技术[M].北京：化学工业出版社，2006.64-68.