晶圆激光隐形切割——细微之处见真章

2024-01-05 17:26

来源： OFweek激光网

晶圆，指的是制作硅半导体电路时候采用的硅晶片，其原始材料是硅。由于其外形呈圆形，经常被称为“晶圆”。

晶圆好比是整个半导体结构的地基。地基打得好不好，直接决定了整个建筑的稳定性，同样的，复杂的电子器件工艺实现，都是要建立在结构平稳的晶圆基础上。

芯片制造是当前的国家重点科研攻关项目之一。随着芯片向着精密微型与高度集成方向发展，集成电路的密度不断增加，晶圆厂在制造半导体设备方面也不断面临挑战。

在微米级尺度上，传统加工手段普遍都变得缚手缚脚，难于施展。硅片本来就存在着脆弱易碎的问题，随着厚度减薄，晶圆会变得更加脆弱，当金刚石刀头接触到晶圆时，极易产生裂痕、断层和破片。

而芯片行业存在着高净值，高成本的特点。单个晶圆价值昂贵，对于机械划片而言，破片率的增加将会对利润率造成严重影响，这是生产商难以承受的。特别是成品晶圆覆盖金属薄层后，金属碎屑会包裹在金刚石刀刃上，将会使切割能力受到严重影响。

种种因素下，激光作为现代工业的支撑工具，以“隐形切割”的方式实现了芯片制造工艺的颠覆性提升。

隐形切割的原理，与常用于玻璃等材料激光内雕十分近似。通过光学控制将焦点放在晶圆内部形成多光子吸收非线性吸收效应，使得材料改性形成裂纹。这个过程只在晶圆下部占1／3－1／4的部分进行，不影响晶圆表面。由于晶圆下方存在着UV膜承载，待内部改质层完全形成后，可以通过拉伸承载层或扩膜的方式，使晶圆沿切缝处分离。

激光隐形划切技术最初是用于切割超薄半导体晶圆，但它在各种厚度的硅晶圆以及特种晶圆上都表现良好。这一技术存在着下列优势：

激光隐形划切形成的切缝很小，在芯片设计中，可以预留更少的切割通道。也就是说，同一块晶圆，采用激光隐形划切可能能制作出更多数量的芯片，废材较少，能够起到节约宝贵的半导体材料的作用。

激光隐形划切全程都在晶圆内部进行，表面无划痕、无粉尘污染，材料损耗极少，且无需后续的清洗过程。由于晶圆表面无硅渣残留，不会对下一步加工产生影响，特别适用于材料昂贵、污染敏感的材料。

在芯片面积一定的情况下，采用正六边形密排周长最短。通过激光隐形划切可以实现不规则形状的芯片组合成的晶圆加工，可以加工六边形、八边形等形状不等的芯片，不受切割通道连续与否影响，可以实现对材料利用的最大化。

近年来，得益于终端市场需求抬升，全球晶圆出货量仍处于稳步增长阶段。根据EMI数据显示，2022年，全球半导体硅晶圆出货面积、营收均创新高，分别达到147．13亿平方英寸、138亿美元。基于市场规模扩张，近几年我国激光隐切相关技术国产化已然起步。2020年，郑州轨交院与河南通用联合，历时一年成功研制我国首台半导体激光隐形晶圆切割机，开启了我国激光晶圆切割行业发展的序幕。