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超短脉冲激光技术在半导体晶圆中的应用

2016-07-06 14:44
汉水狂客
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  随着激光技术的不断发展以及激光技术深入半导体行业,激光已经在半导体领域多道工序取得成功应用。广为熟知的激光打标,使得精细的半导体芯片标识不再是个难题。激光切割半导体晶圆,一改传统接触式刀轮切割弊端,解决了诸如刀轮切割易崩边、切割慢、易破坏表面结构等诸多问题。在集成电路工艺线宽越来越小的情况下,LOW-K材料(K为介电常数,即低介电常数材料)越来越多的应用于集成IC中,由于LOW-K层传统工艺很难加工,于是引入了激光开槽工艺,利用激光将切割道中LOW-K层去除。目前12寸硅晶圆已广泛应用于半导体集成电路领域,而且晶圆越做越薄,将薄晶圆键合于承载晶圆片上流片后通过拆键和将两部分分开,激光拆键以其高效率无耗材等诸多优势成为关注热点。另外激光还在钻孔、划线、退火等工序取得不错的应用成果。

  引言

  自上世纪六十年代第一台激光器设备问世以来,关于激光及其在各个领域的应用的研究得到了迅猛的发展,近20年来,激光制造技术已渗透入到诸多高科技领域和产业,其中激光技术在半导体领域的应用是最为广泛和活跃的领域之一。

  近年来光电产业的快速发展,高集成度和高性能的半导体晶圆需求不断增长,硅、碳化硅、蓝宝石、玻璃以及磷化铟等材料作为衬底材料被广泛应用于半导体晶圆领域。随着晶圆集成度大幅提高,晶圆趋向于轻薄化,传统的很多加工方式已经不再适用,于是在部分工序引入了激光技术。激光加工具有诸多独特的优势:

  1. 非接触式加工:激光的加工只有激光光束与加工件发生接触,没有刀削力作用于切割件,避免对加工材料表面造成损伤。

  2. 加工精度高:脉冲激光可以做到瞬时功率极高、能量密度极高而平均功率很低,可瞬间完成加工且热影响区域极小,确保高精密加工。

  3. 加工效率高,经济效益好:激光加工效率往往是机械加工效果的数倍且无耗材无污染。

  1. 半导体晶圆的激光切割

  1.1 激光隐形切割

  激光隐形切割是一种全新的激光切割工艺,具有切割速度快、切割不产生粉尘、无切割基材耗损、所需切割道很小、完全干制程等诸多优势。其原理是将短脉冲激光光束透过切割材料表面聚焦在材料中间,由于短脉冲激光瞬时能量极高,在材料中间形成改质层,然后通过外部施加压力使芯片分开。中间形成的改质层如图1所示:

  图1  300μm厚晶圆截面图

  目前激光隐形切割技术广泛应用于LED芯片、MEMS芯片、FRID芯片、SIM芯片、存储芯片等诸多晶圆的切割,如图2以硅衬底MEMS晶圆为例,可以看到隐形切割的芯片几乎没有崩边和机械损伤。

  图2 MEMS晶圆激光切割效果图

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