近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，微納加工技術(shù)逐漸成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的重要工具。微納加工技術(shù)是一種基于微米和納米尺度的制造技術(shù)，可以制造出非常小的物品，例如：微米與納米級別的顆粒、線、薄膜等。該技術(shù)可以利用光刻、可控氣相沉積、離子束刻蝕等技術(shù)制造出微觀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可以形成半導(dǎo)體微器件、微機(jī)械系統(tǒng)、生物芯片、傳感器等高科技產(chǎn)品。

半導(dǎo)體芯片的小型化、智能化和低成本制造對于新型顯示、光通信、航空航天等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。半導(dǎo)體微納加工平臺主要涉及從清洗、光刻、刻蝕、擴(kuò)散、鍍膜、后道等多步工藝及相關(guān)設(shè)備。為了提高電路系統(tǒng)的集成度，產(chǎn)業(yè)界對于半導(dǎo)體芯片的尺寸微縮化提出了更高的要求，但傳統(tǒng)技術(shù)難以滿足超小尺寸半導(dǎo)體芯片制造領(lǐng)域的微納加工、器件制造、系統(tǒng)檢測等發(fā)展需求，因此具有高精度、高效率特點(diǎn)的激光微納加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前適用于超小尺寸半導(dǎo)體芯片的激光微納加工技術(shù)有哪些？相對傳統(tǒng)技術(shù)而言，它們又具有哪些優(yōu)勢？

晶圓級半導(dǎo)體芯片切割

晶圓切割是半導(dǎo)體芯片制造中一道重要的工藝，屬于后道封裝的前序工藝。將整片晶圓按照芯片大小切割成單個(gè)芯片。切割方法分為傳統(tǒng)的金剛石刀片（砂輪）劃片和新型激光劃片。晶圓上的藍(lán)寶石襯底具有超高的硬度，因此采用傳統(tǒng)的金剛石切割技術(shù)在切割半導(dǎo)體芯片時(shí)具有較低的效率，并由此導(dǎo)致了高成本等問題，此外該技術(shù)的切割精度僅約為50 μm，無法滿足超小尺寸晶圓級半導(dǎo)體芯片切割的需求；采用傳統(tǒng)的等離子體切割技術(shù)時(shí)，盡管能夠?qū)崿F(xiàn)較高效率和低成本的晶圓級半導(dǎo)體芯片切割，但該工藝具有的切割精度低、切割槽過大、切割過程中會產(chǎn)生有害氣體和電弧等問題，也不適合應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片制造領(lǐng)域；與傳統(tǒng)的金剛石和等離子切割技術(shù)不同，被認(rèn)為是晶圓級半導(dǎo)體芯片理想切割工藝的紫外激光切割，可以通過聚焦光斑至晶圓表面，再通過高能量的光束實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體芯片切割，該過程中幾乎不會產(chǎn)生碎屑、切割成本較低，由于聚焦的光斑大小可調(diào)，因此該工藝還具有約為2.5 μm的超高切割精度，能在不損傷半導(dǎo)體芯片的情況下顯著提高切割效率和良率。常規(guī)的激光切割方式如圖1所示。

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圖1 晶圓級芯片紫外激光切割示意圖

激光剝離技術(shù)

激光剝離技術(shù)（LLO）通過脈沖激光輻照致材料燒蝕實(shí)現(xiàn)器件向終端基底的轉(zhuǎn)移。相比于化學(xué)剝離、機(jī)械剝離和離子束等其他高能束剝離，激光剝離技術(shù)具有能量輸入效率高、器件損傷小、設(shè)備開放性好、應(yīng)用方式靈活等優(yōu)勢，已成為柔性電子器件制造的新興關(guān)鍵技術(shù)。

隨著柔性電子器件的蓬勃發(fā)展，激光剝離技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到多種類型器件的制造工藝中。生產(chǎn)中常用激光源為脈寬在納秒量級的紫外準(zhǔn)分子激光或固體激光，激光能量密度多在102 mJ/cm2量級之內(nèi)，可以保證厚度在幾十微米量級膜層的激光剝離效果，同時(shí)降低激光熱效應(yīng)造成的剝離損傷。

通常情況下，襯底的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性不足會對半導(dǎo)體芯片的性能產(chǎn)生負(fù)面影響，進(jìn)而阻礙顯示、通信等實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展。因此，實(shí)現(xiàn)將半導(dǎo)體芯片與藍(lán)寶石襯底分離的剝離技術(shù)吸引了人們的廣泛關(guān)注。目前，主流的半導(dǎo)體芯片和藍(lán)寶石襯底剝離技術(shù)主要包括以下三種：激光剝離法、化學(xué)反應(yīng)剝離法和機(jī)械剝離法，由于化學(xué)反應(yīng)剝離和機(jī)械剝離方法會引入化學(xué)試劑或碎屑污染，并且還面臨工藝效率低和高成本等問題，因此具有能量輸入效率高、器件損傷小、設(shè)備開放性好、應(yīng)用方式靈活等優(yōu)勢的激光剝離方法，逐漸成為了柔性電子器件制造的關(guān)鍵一環(huán)。

圖3 半導(dǎo)體器件的激光剝離示意圖

半導(dǎo)體光電芯片缺陷檢測

半導(dǎo)體光電芯片的發(fā)光強(qiáng)度和均勻性，對于顯示應(yīng)用的色域、亮度具有重要影響，因此，缺陷檢測技術(shù)的發(fā)展對于推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也極具實(shí)際意義。傳統(tǒng)的電學(xué)檢測技術(shù)涉及扎針過程（將探針扎在芯片的電極上），因此會破壞半導(dǎo)體光電芯片的性能、影響實(shí)際的超高分辨顯示的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用效果，并且隨著光電芯片的微型化，該過程的影響還愈發(fā)顯著，因此，采用激光實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體光電芯片的非接觸、高效率檢測吸引了人們的廣泛關(guān)注。如圖3所示為采用脈沖式激光實(shí)現(xiàn)微米級尺寸的micro-LED光電芯片（尺寸小于50×50μm2）的性能檢測示意圖：通過獲取基于特定波長激光激發(fā)的micro-LED發(fā)光光譜，可以分析micro-LED芯片的性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)正常性能micro-LED芯片的檢測和篩選；此外，搭載了微脈沖激光的激光檢測系統(tǒng)還能夠掃描去除不良的芯片，進(jìn)而提高超高分辨顯示應(yīng)用中的芯片良率。

圖3 采用脈沖式激光實(shí)現(xiàn)micro-LED光電芯片的性能檢測示意圖

激光修復(fù)集成式芯片

傳統(tǒng)的微米級修復(fù)技術(shù)具有高成本、低修復(fù)效率等缺點(diǎn)，因此難以實(shí)現(xiàn)集成電路中的半導(dǎo)體芯片修復(fù)，而激光修復(fù)技術(shù)具有的光輸出功率、光斑大小和穿透深度可調(diào)的優(yōu)勢，非常適用于集成電路制造過程中的電極金屬熔化/熔覆和損壞芯片替換。激光熔化技術(shù)主要采用高功率密度的激光，實(shí)現(xiàn)對金屬表面進(jìn)行加熱和熔化，隨后通過材料基體的快速熱傳導(dǎo)和熱流模式將熔化的金屬快速固化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)開裂電極的修復(fù)。

圖5 (a)集成電路及(b)微型顯示陣列的激光修復(fù)示意圖

總結(jié)與展望

激光微納加工是一種非接觸式、激光束能量及移動速度可調(diào)的高精度、高效率加工技術(shù)，可加工的材料包括具有高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)特性的金屬、非金屬等。由于激光微納加工過程中不需要與半導(dǎo)體芯片進(jìn)行直接接觸，不會產(chǎn)生作用于芯片的切削力，因此不會影響半導(dǎo)體芯片的幾何形狀；此外由于激光束的能量密度高、加工速度快，因此還非常適用于集成電路等具有宏量芯片的微納制造、加工和修復(fù)等領(lǐng)域，在與數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合后，還能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、高質(zhì)量、低成本的靈活加工。在未來，通過將激光器與人工智能檢測系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體芯片的智能化加工、制造和修復(fù)，還將進(jìn)一步賦能集成電路等領(lǐng)域的發(fā)展。

審核編輯：劉清