用紫外（UV）激光對晶圓進(jìn)行精密劃片是晶圓 - 尤其是易碎的化合物半導(dǎo)體晶圓如薄硅晶圓 - 劃片裂片的替代工藝。二極管泵浦固態(tài)（DPSS）激光能對所有第III-V主族材料包括第IV主族材料如硅（Si）和鍺（Ge）的晶圓進(jìn)行快速工藝處理。無論是薄的還是厚的晶圓片，切口寬度均小于3微米，切口邊緣平直、精準(zhǔn)、光滑，沒有邊緣碎片，尤其砷化鎵（GaAs）晶圓更是如此。砷化鎵晶圓價(jià)格昂貴，所以晶圓面積價(jià)值非常高。采用紫外激光劃片工藝使得切口更緊密、更精細(xì)并且更光滑，能夠在每片晶圓上分裂出更多數(shù)量的裸片，并因?yàn)閾p壞的裸片非常少而獲得更高的成品率。 經(jīng)紫外激光劃片的晶圓斷面。具有光滑平直的邊緣。采用砷化鎵（GaAs）芯片的高頻電子線路要求芯片在電路板上有精確的幾何位置布局，以減少氣橋和阻抗失配。整齊、精確的芯片要求裸片的位置布局更精確、整體封裝更好以及電氣性能更佳。 不斷增加的挑戰(zhàn) 在市場需求驅(qū)動(dòng)下，裸片成本不斷降低，尺寸越來越? Ｂ閆嘰緄募跣≌詬?裂片工藝帶來新的問題。劃片槽寬度從100微米降到30微米，裸片尺寸也隨之減? ?0微米的尺寸超出了傳統(tǒng)鋸片切割工藝允許的極限。采用激光劃片工藝后，劃片槽寬度進(jìn)一步降低到15 - 20微米。另外，被稱為“拉練”（用于阻止表面裂紋發(fā)生）的區(qū)域也被省掉了。由于劃片槽寬度的減? ⅰ襖貳笨占淶慕謔∫約跋鋁興齙納杓乒嬖虻腦倒剩扛雎閆拿扛霰叨家謔≡?4微米的晶圓區(qū)域。整個(gè)晶圓因此而節(jié)省了很大的面積。 對于砷化鎵（GaAs）晶圓，裂片工藝有兩種：非接觸式（裸露的氣橋）和接觸式。每一種裂片方法都有一個(gè)寬高比參數(shù)，是由設(shè)備制造商標(biāo)示的，定義為裸片厚度斷面的長度/寬度。一個(gè)特定的晶圓切割機(jī)劃片-裂片系統(tǒng)標(biāo)示的寬高比，對于非接觸式裂片方法為7:1，接觸式裂片為3:1。 裸片尺寸的減小已經(jīng)把某些產(chǎn)品的寬高比降低到2:1，有效地提高了機(jī)械式劃片-裂片系統(tǒng)的額定能力的極限。有時(shí)候因?yàn)椴恍枰哑剐酒@得較高的成品率。晶圓切割機(jī)速度低，能造成裸片邊緣的破碎，有時(shí)還可能因此而毀掉裸片。狹窄（30微米寬）的劃片槽要求鋸片有非常薄的厚度，而這又使得鋸片很容易磨損。 紫外激光帶來更高的成品率 短波長（157-248 nm）準(zhǔn)分子和紫外DPSS激光的應(yīng)用已經(jīng)提高了裸片的成品率，并且證明了激光工藝比傳統(tǒng)金剛石劃片工藝更具優(yōu)越性。紫外激光工藝的切口（在劃片時(shí)材料損失的部分）比其他技術(shù)的更窄。再加上前端工藝的應(yīng)用，紫外激光工藝增加了單位晶圓上所分裂出的合格裸片的數(shù)量。 新型窄脈寬、短波長紫外DPSS激光提供了極大的工藝靈活性，它可以調(diào)整脈沖形狀、重復(fù)率、色譜、光束質(zhì)量等等。諧波生成技術(shù)使更短波長的激光能夠用于處理各種不同的材料。DPSS激光具有極好的光束質(zhì)量和最高的重復(fù)率，并具有精細(xì)工藝所要求的最小光束直徑。典型地，JPSA使用的DPSS激光是釩酸鹽（Nd:YVO4）基激光器產(chǎn)生的。所輸出的紅外（IR）激光的光束直徑約為1μm。高效的頻率轉(zhuǎn)換能力使輸出激光在355nm和266nm波長處，有數(shù)瓦的可用輸出功率。 對這些不同波長的激光所進(jìn)行的開發(fā)，使它們特別適合于晶圓切割應(yīng)用。這些激光在JPSA上用于切割藍(lán)色LED（發(fā)光二極管）和藍(lán)寶石晶圓，其速度為75mm/s。每小時(shí)晶圓處理能力超過9片（標(biāo)準(zhǔn)2英寸晶圓，裸片尺寸350μm × 350μm），切口卻很小（＜ 3μm）。激光工藝具有產(chǎn)能高、對LED性能影響小的特點(diǎn)，容許晶圓的形變和彎曲，其切割速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)機(jī)械切割方法。對于第III-V主族半導(dǎo)體，例如砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP），典型的切口深度為40μm，切割速度為150mm/s以上。 紫外激光劃片所產(chǎn)生深V形槽的SEM。切口頂部僅2.5微米寬。在所有窄帶紫外光源中準(zhǔn)分子激光器所提供的功率最大、波長最短（351，308，248，193，以及157nm）。準(zhǔn)分子激光的光子成本低于DPSS激光，但是，其系統(tǒng)的復(fù)雜度較高且存在維護(hù)難和其他問題，因此并不是晶圓切割工藝的理想選擇。準(zhǔn)分子激光的優(yōu)勢在于微機(jī)械加工、大面積圖案轉(zhuǎn)移和大量平行區(qū)域的分步重復(fù)工藝。而紫外DPSS 激光則更適于晶圓劃片應(yīng)用。借助于準(zhǔn)分子激光（193nm），JPSA 能在一個(gè)小時(shí)內(nèi)處理3片晶圓，每片成本為8美元，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間為97%。這是準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)所能達(dá)到的非常好的性能狀態(tài)。而一個(gè)優(yōu)化的紫外DPSS激光（266nm）系統(tǒng)每小時(shí)能處理7到10 片晶圓，每片成本低于1.50美元，正常運(yùn)行時(shí)間＞99.9%。這兩種工藝已經(jīng)在多臺(tái)設(shè)備上，每周7天/每天24小時(shí)地連續(xù)運(yùn)行了一年半并通過測試，準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)的單獨(dú)測試時(shí)間甚至更長。 材料的去除工藝被稱為激光剝蝕，這是一種以微量材料吸收高能激光峰值的工藝。當(dāng)一種材料被置于紫外激光脈沖的匯聚點(diǎn)時(shí)，由于深紫外光波長很短的緣故，脈沖的能量將被表面很薄一層（典型厚度＜ 0.1μm）材料所吸收。紫外激光高能脈沖峰值被微量材料吸收時(shí)，將在材料中產(chǎn)生強(qiáng)烈的電子鍵斷裂效應(yīng)。由攜帶所有熱能的等離子爆炸所產(chǎn)生的分子碎片從工件表面上膨脹出去，對周圍的材料幾乎不產(chǎn)生任何損傷。每個(gè)激光脈沖都產(chǎn)生一個(gè)精細(xì)的亞微米材料層，而噴射出去的材料則帶走所有熱能。比起機(jī)械劃片工藝所產(chǎn)生的粗糙的材料殘留物，激光工藝的殘留物更加精細(xì)，數(shù)量也不多，并且很容易清除。 一個(gè)重要的誤解是，在激光劃片之后進(jìn)行“折斷”時(shí)，比金剛石劃片工藝需要更大的晶圓彎曲形變，從而會(huì)造成裸片邊緣的不“整齊”。實(shí)際上，金剛石劃片工藝在整個(gè)工藝過程中會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。而非機(jī)械式的、無熱能的激光劃片工藝在材料內(nèi)部根本不產(chǎn)生任何應(yīng)力。紫外激光所產(chǎn)生的陡峭的V形切口會(huì)在其尖端產(chǎn)生很強(qiáng)的應(yīng)力集中，但這種應(yīng)力很容易消除。 激光工藝的優(yōu)點(diǎn) 在劃片-裂片工藝中，PCM圖形必須設(shè)計(jì)有直通式劃片槽。金剛石劃片工藝不能通過PCM圖形進(jìn)行連續(xù)劃片。因而PCM圖形必須設(shè)計(jì)有劃片槽。這就帶來了PCM圖形測試的問題。但是，對于激光劃片工藝，PCM圖形設(shè)計(jì)已不再是一個(gè)問題了。PCM圖形可以設(shè)計(jì)成有助于當(dāng)前正在完成的測試項(xiàng)目，而不是有助于裂片方法的要求。即使沒有劃片槽，激光劃片工藝也不會(huì)中斷。 圖示為紫外激光脈沖的光蝕刻工藝原理。 采用傳統(tǒng)方法裂片時(shí)，劃片槽上不能有藍(lán)膜或金屬殘留。采用鋸片切割工藝時(shí)，劃片槽上的藍(lán)膜/金屬殘留會(huì)增加鋸片的磨損，縮短鋸片的使用壽命，或者可能在切割時(shí)“燒壞”鋸片。在劃片-裂片工藝中，劃片槽上的藍(lán)膜或金屬殘留能引起金剛石刀具的跳躍或反彈，從而使某些區(qū)域沒有產(chǎn)生實(shí)際劃片操作。這些區(qū)域因而不會(huì)在裂片工藝中分裂，這將使晶圓的其余部分不能沿著刀具劃過的線條分裂。劃片槽上的藍(lán)膜或金屬殘留不會(huì)影響激光劃片工藝的正常進(jìn)行。激光工藝能夠在藍(lán)膜上劃片，這還可以增加光學(xué)加工的產(chǎn)能。 傳統(tǒng)的裂片工藝花費(fèi)的時(shí)間較多。例如，裸片尺寸為0.300 mm x 0.360 mm x 4 mil時(shí)，一片晶圓可以切割出大約55,000只裸片。如果使用鋸片（鋸片速度 = 6.5 mm/s）切割這樣一片晶圓，則需要花費(fèi)大約4個(gè)小時(shí)；若采用劃片-裂片工藝（劃片速度 = 12.8 mm/s），則需要大約2個(gè)小時(shí)；但如果采用激光劃片工藝（劃片速度 = 150mm/s），則僅需要大約3分鐘。因而，一套激光劃片系統(tǒng)的產(chǎn)能可以取代并超過所有現(xiàn)有的裂片工具產(chǎn)能的總和。 激光劃片工藝能夠在最后的晶圓自動(dòng)測試工序中提高產(chǎn)能。目前，晶圓必須在流片帶上伸展開，以防止因裸片相互摩擦而可能發(fā)生的芯片丟失。如果裸片不能均勻地伸展開，則會(huì)使測試時(shí)間變長，因?yàn)楸仨殞γ恳粋€(gè)裸片進(jìn)行單獨(dú)的對準(zhǔn)操作以保證自動(dòng)測試的正確進(jìn)行。有時(shí)會(huì)因?yàn)槁闫瑳]有對準(zhǔn)而對成品率發(fā)生影響。激光劃片工藝允許晶圓在薄膜片上進(jìn)行測試，這就大大地縮短了測試時(shí)間，使所有的裸片都能通過自動(dòng)測試工序。 結(jié)論：相對于機(jī)械式劃片工藝，紫外激光工藝具有更多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括消耗成本低、維護(hù)費(fèi)用少、產(chǎn)能高、晶圓面積利用率高等。激光工藝更易于進(jìn)行自動(dòng)化操作，從而降低人力成本。紫外激光技術(shù)還有很大的待開發(fā)潛能，因而該工藝將會(huì)繼續(xù)發(fā)展。我們預(yù)言激光工藝將在單位晶圓裸片數(shù)量和縮短投資回收期方面有進(jìn)一步的發(fā)展。 Dr. Jongkook Park來自J P Sercel Associates公司(www.jpsalaser.com),Jennifer Welborn來自MA/COM公司。