來源：能量束加工及應(yīng)用技術(shù)

摘要：隨著集成電路高集成度、高性能的發(fā)展，對半導(dǎo)體制造技術(shù)提出更高要求。超短脈沖激光加工作為一種精密制造技術(shù)，正逐步成為半導(dǎo)體制造的重要工藝。闡述了超短脈沖激光加工技術(shù)特點和激光與材料相互作用過程，重點介紹了超快激光精密加工技術(shù)在硬脆半導(dǎo)體晶體切割、半導(dǎo)體晶圓劃片中的應(yīng)用，并提出相關(guān)技術(shù)提升方向。

近年來，全球大力發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，半導(dǎo)體先進(jìn)制造技術(shù)不斷創(chuàng)新突破。半導(dǎo)體制造包括半導(dǎo)體材料制備、晶圓制造、芯片封裝、測試等環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)的復(fù)雜程度和工藝技術(shù)含量都非常高，涉及電子信息材料、精密制造、物理、化學(xué)、光學(xué)等基礎(chǔ)與工程學(xué)科。其中，半導(dǎo)體材料制備的關(guān)鍵工藝有晶體生長、切割、研磨和拋光，晶圓制造的關(guān)鍵工藝有擴(kuò)散、薄膜沉積、光刻、刻蝕、離子注入、CMP和金屬化，芯片封裝的關(guān)鍵工藝有減薄、劃切、固晶和鍵合。隨著集成電路的高集成度、高性能發(fā)展，晶圓更薄更輕，晶圓制造工藝難度不斷提升，半導(dǎo)體晶體加工和芯片封裝要求也更加苛刻。超短脈沖激光加工作為一種精密加工技術(shù)，成為國內(nèi)外半導(dǎo)體先進(jìn)制造技術(shù)研發(fā)的重點內(nèi)容。2006年日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以納秒脈沖激光聚焦硅（Si）材料內(nèi)部，局部加熱可控深度產(chǎn)生高密度位錯，繼而實現(xiàn)無碎片化切割[1]。2009年日本國立德島大學(xué)報道了由飛秒激光引發(fā)的微型爆裂現(xiàn)象，實現(xiàn)了在SiC中產(chǎn)生應(yīng)力層及空隙[2]。2010年美國IBM公司科學(xué)家研發(fā)了一種可控剝離技術(shù)，利用特殊的應(yīng)力層形成工藝實現(xiàn)了薄晶片剝離[3]。2017年日本京都大學(xué)通過獨特的光學(xué)設(shè)計、光束整形及光場調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)了碳化硅（SiC）的激光垂直改質(zhì)，引起SiC的無定形轉(zhuǎn)化、分解，從而實現(xiàn)切割[4]。日本Disco公司開發(fā)基于激光誘導(dǎo)晶體內(nèi)部非晶態(tài)轉(zhuǎn)化的KABRA技術(shù)，研制全自動激光加工設(shè)備，實現(xiàn)了硬脆半導(dǎo)體晶片高可靠切割[5]。國內(nèi)中國電科二所、大族激光等單位也面向半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，開展了超快激光加工工藝及設(shè)備的研發(fā)。目前，超短脈沖激光加工正逐步成為半導(dǎo)體先進(jìn)制造工藝技術(shù)。

1 超短脈沖激光加工技術(shù)

1.1 加工技術(shù)特點

超短脈沖激光又稱超快激光，通常指脈寬小于10 ps的激光脈沖，具有熱影響小、加工精度高的特點。將超短脈沖激光運用于高精度定位平臺上，可實現(xiàn)多種材料的精密加工。

其主要優(yōu)點包括：

1）熱影響?。河捎诿}沖寬度遠(yuǎn)小于晶格熱傳導(dǎo)時間，超短脈沖激光加工過程中，能量僅在微小區(qū)域內(nèi)累積，熱影響與擴(kuò)散的范圍遠(yuǎn)小于長脈沖激光與連續(xù)激光。在超短脈沖激光作用下，加工區(qū)域內(nèi)部材料以等離子體形式噴出，而加工區(qū)以外的物質(zhì)始終不受熱影響，從而減少激光熱效應(yīng)對工件性能的負(fù)面影響。

2）加工精度高：超短脈沖激光加工熱影響區(qū)小，有利于材料損傷范圍的控制，可有效避免崩邊、熔渣堆積、微裂紋擴(kuò)展等不良加工效果。此外，對于高斯分布的激光束，光束中心能量遠(yuǎn)高于外圍，因此達(dá)到材料加工能力閾值的區(qū)域遠(yuǎn)小于光斑尺寸，從而實現(xiàn)極小區(qū)域的高精度加工操作。

3）適用材料多：由于其極高的峰值功率，即使是超硬、脆性、高熔點等常規(guī)方法難加工的材料，超短脈沖激光也可實現(xiàn)高質(zhì)量加工。此外，激光加工靈活性高，可實現(xiàn)幾乎任何形狀的加工。目前，超快激光已廣泛應(yīng)用于金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、聚合物，甚至生物組織的切割、改質(zhì)、增材制造。

1.2 超短脈沖激光加工機理

超短脈沖激光加工涉及激光非線性吸收過程和材料去除過程。在超短激光加工過程中，首先通過多光子電離、雪崩電離等非線性吸收過程，在材料內(nèi)部產(chǎn)生大量等離子體。當(dāng)材料內(nèi)部等離子體濃度超過一定臨界值時，材料的光吸收率顯著提升，大量的能量沉積導(dǎo)致激光作用區(qū)域發(fā)生微爆炸，從而實現(xiàn)材料去除。

1）多光子電離和雪崩電離：在超短脈沖激光照射下，極高的能量密度達(dá)到材料的非線性吸收閾值，使得多個光子能量同時作用于單個電子，實現(xiàn)價帶電子向?qū)踔磷杂蓱B(tài)的躍遷，即實現(xiàn)了多光子電離[6]，如圖1所示。當(dāng)材料進(jìn)一步吸收激光能量，激發(fā)態(tài)電子增加到一定程度，自由電子與束縛電子碰撞可產(chǎn)生另一個自由電子，由此形成雪崩式激發(fā)電離。

2）等離子體的產(chǎn)生：當(dāng)功率密度大于109 W/cm2的超短脈沖激光作用于待加工材料時，由于激光脈寬遠(yuǎn)小于晶格熱傳導(dǎo)時間，熱量無法擴(kuò)散，作用區(qū)內(nèi)部分原子會被激發(fā)或離化，形成初始等離子體。若超短脈沖激光持續(xù)作用，即可通過雪崩電離實現(xiàn)待加工材料的高度離化?；诔堂}沖激光的材料損傷機理，研究高質(zhì)量激光加工技術(shù)與工藝調(diào)控方法，對實現(xiàn)超短脈沖激光加工具有重要的意義。

2 硬脆半導(dǎo)體晶體切割中的激光加工技術(shù)

晶片切割作為半導(dǎo)體晶體材料加工中的關(guān)鍵工序，切割后晶片的彎曲度（BOW）、翹曲度（WARP）、總厚度偏差（TTV）等參數(shù)對后續(xù)研磨、拋光加工效果有重要影響。線鋸切割是硬脆半導(dǎo)體晶體傳統(tǒng)的切割技術(shù)，其中固結(jié)磨料金剛石線鋸具有鋸口損耗小、切割效率高、污染小的特點。但是，隨著鋸絲切割長度增大，鋸絲因切割阻力變大而抖動加劇，從而導(dǎo)致晶片應(yīng)力增大、亞表面損傷增多；同時由于切縫較小，且鋸絲在晶體內(nèi)往復(fù)運動，晶體碎屑難以隨冷卻液流走，導(dǎo)致晶片表面加工質(zhì)量較差。比較而言，晶片激光剝離技術(shù)具有材料損耗少、加工效率高、晶片產(chǎn)出多的優(yōu)勢，已成為國內(nèi)外競相發(fā)展的硬脆半導(dǎo)體晶體加工的革命性技術(shù)。晶片激光剝離技術(shù)不同于激光燒蝕加工，是基于激光垂直改質(zhì)工作原理，在半導(dǎo)體晶體內(nèi)部實現(xiàn)高密度光吸收，發(fā)生化學(xué)鍵斷裂、相變、激光誘導(dǎo)電離、熱致開裂等物理化學(xué)過程，最終實現(xiàn)平行激光傳播方向的損傷層壓縮及垂直激光傳播方向的裂紋擴(kuò)展。通常情況下，光斑直徑與焦深越小，激光改質(zhì)過程在材料中產(chǎn)生的應(yīng)力越集中，越有利于裂紋的擴(kuò)展。圖2所示為不同聚焦光斑產(chǎn)生裂紋的對比示意圖。

晶體內(nèi)部在超快激光垂直改質(zhì)后能否產(chǎn)生理想的裂紋擴(kuò)展，主要受激光能量密度、光束整形、激光掃描路徑、掃描深度及速度等因素影響[7]。晶體經(jīng)過超快激光垂直改質(zhì)后，形成由連續(xù)裂紋組成的改質(zhì)層，但依然具有一定的連接強度，不同頻率、功率密度、激勵時長載荷與裂紋的復(fù)雜作用，確定剝片界面黏聚力及剩余強度隨裂紋張開位移的定量關(guān)系，需通過適當(dāng)?shù)氖侄螌⒕w在改質(zhì)層處斷裂，從而實現(xiàn)晶錠的晶片切割。晶體剝離過程中，在克服殘余結(jié)合力的同時，需控制剝離力的大小與方向，可保障晶片完整剝離，且不造成晶片的微觀損傷。圖3所示為激光剝離后的6英寸（1英寸=25.4 mm）SiC晶片實物樣件。

目前激光剝離技術(shù)已實現(xiàn)SiC襯底制造企業(yè)的生產(chǎn)驗證，晶片切割質(zhì)量達(dá)到了產(chǎn)品要求。為進(jìn)一步降低激光剝離材料損耗、提高加工效率，需通過激光脈沖時域整形、多焦點像差校正和協(xié)同誘導(dǎo)晶體剝離等技術(shù)提升，優(yōu)化激光改質(zhì)和剝離分片工藝，實現(xiàn)激光剝離在半導(dǎo)體晶體切割領(lǐng)域更廣闊的應(yīng)用。

3 半導(dǎo)體晶圓劃切中的激光加工技術(shù)

晶圓劃片工藝是SiC器件后段加工的重要工序。經(jīng)過切片、打磨、外延、刻蝕、光刻、離子注入等一系列高成本工藝處理的SiC襯底晶圓，通過切割劃線工藝將單個晶圓切割成多個獨立的芯片，以便于進(jìn)行后續(xù)的封裝和測試。作為芯片封裝的前工序，劃切質(zhì)量直接影響芯片封裝后的最終可靠性。傳統(tǒng)的砂輪切割采用金剛石顆粒和黏合劑組成的刀片。在切割過程易對晶圓造成較嚴(yán)重的損傷，導(dǎo)致晶圓碎裂，芯片性能下降等問題。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對劃切效率和質(zhì)量要求的提高，激光隱形切割已成為晶圓劃切的重要加工方法[8]。激光隱形晶圓劃切技術(shù)將聚焦后的激光束透過晶圓表面，聚焦于晶圓材料內(nèi)部，在所需要的深度形成改質(zhì)層，再施加一定的外力將激光改質(zhì)產(chǎn)生的微裂紋擴(kuò)展成宏觀裂紋，從而實現(xiàn)晶圓的剝離。對于較厚的晶圓，需在晶圓內(nèi)部不同深度處多次掃描加工，在晶圓內(nèi)部創(chuàng)造足夠大的應(yīng)力，最終形成適合分割的整體改質(zhì)層。芯片分離過程可在激光改質(zhì)微裂紋的基礎(chǔ)上，通過藍(lán)膜擴(kuò)裂方式，將晶圓分離成獨立芯片。激光隱切可獲得較好的芯片邊緣，如圖4所示。

激光隱切是一種非接觸的干式加工技術(shù)，與傳統(tǒng)砂輪切割工藝相比，

主要優(yōu)勢有：

1）切割質(zhì)量提升：激光隱形切割的加工過程只作用于晶圓內(nèi)部，對晶圓表面影響較小；由于其非接觸加工方式，可有效避免砂輪切割振動產(chǎn)生的損傷崩邊現(xiàn)象，以及清洗水沖擊造成的晶圓器件結(jié)構(gòu)破壞。

2）切割產(chǎn)能增加：激光隱形切割造成的材料去除量較小，因此可減小切割道寬度，從而降低晶圓損耗，顯著提升晶圓的面積利用率。

3）切割圖形多樣化：激光隱形切割可實現(xiàn)復(fù)合圖形加工，避免晶圓砂輪切割只能線性加工的不足。目前激光隱切技術(shù)以全干式切割、無崩邊等優(yōu)勢，已應(yīng)用于存儲器、微電子機械系統(tǒng)（MEMS）、分立功率器件等晶圓的切割中。為進(jìn)一步適應(yīng)高效高質(zhì)量晶圓加工需求，需通過特殊光學(xué)元件及光路優(yōu)化設(shè)計，提升激光束縱向多焦點聚焦整形技術(shù)，實現(xiàn)激光隱形在晶圓劃片領(lǐng)域更廣闊的應(yīng)用[9]。

4 結(jié)束語面向半導(dǎo)體制造的超短脈沖激光加工技術(shù)正處在快速發(fā)展階段，多種應(yīng)用場景不斷涌現(xiàn)，超短脈沖激光加工技術(shù)在硬脆半導(dǎo)體晶體切割、半導(dǎo)體晶圓劃片工藝中的應(yīng)用，相較于傳統(tǒng)加工，在一定程度上提高了加工質(zhì)量和效率，但也不可否認(rèn)仍存在不足之處，需深入研究超短脈沖激光與半導(dǎo)體相互作用過程中的材料損傷機理和規(guī)律，提升激光脈沖時域整形、多焦點像差校正、線聚焦整形等技術(shù)，推進(jìn)超短脈沖激光加工設(shè)備研制及產(chǎn)業(yè)化。隨著全球半導(dǎo)體市場需求升級，超短脈沖激光加工作為半導(dǎo)體先進(jìn)制造技術(shù)，應(yīng)用前景廣闊。