用紫外（UV）激光對晶圓進行精密劃片是晶圓 - 尤其是易碎的化合物半導體晶圓如薄硅晶圓 - 劃片裂片的替代工藝。二極管泵浦固態（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、光滑，沒有邊緣碎片，尤其砷化鎵（GaAs）晶圓更是如此。砷化鎵晶圓價格昂貴，所以晶圓面積價值非常高。采用紫外激光劃片工藝使得切口更緊密、更精細并且更光滑，能夠在每片晶圓上分裂出更多數量的裸片，并因為損壞的裸片非常少而獲得更高的成品率。 經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 在市場需求驅動下，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生）的區域也被省掉了。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?，每个麻Z拿扛霰叨家謔≡?4微米的晶圓區域。整個晶圓因此而節省了很大的面積。 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寬高比參數，是由設備制造商標示的，定義為裸片厚度斷面的長度/寬度。一個特定的晶圓切割機劃片-裂片系統標示的寬高比，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把某些產品的寬高比降低到2:1，有效地提高了機械式劃片-裂片系統的額定能力的極限。有時候因為不需要裂片而使芯片獲得較高的成品率。晶圓切割機速度低，能造成裸片邊緣的破碎，有時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）準分子和紫外DPSS激光的應用已經提高了裸片的成品率，并且證明了激光工藝比傳統金剛石劃片工藝更具優越性。紫外激光工藝的切口（在劃片時材料損失的部分）比其他技術的更窄。再加上前端工藝的應用，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，它可以調整脈沖形狀、重復率、色譜、光束質量等等。諧波生成技術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量和最高的重復率，并具有精細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。高效的頻率轉換能力使輸出激光在355nm和266nm波長處，有數瓦的可用輸出功率。 對這些不同波長的激光所進行的開發，使它們特別適合于晶圓切割應用。這些激光在JPSA上用于切割藍色LED（發光二極管）和藍寶石晶圓，其速度為75mm/s。每小時晶圓處理能力超過9片（標準2英寸晶圓，裸片尺寸350μm × 350μm），切口卻很小（＜ 3μm）。激光工藝具有產能高、對LED性能影響小的特點，容許晶圓的形變和彎曲，其切割速度遠高于傳統機械切割方法。對于第III-V主族半導體，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）。準分子激光的光子成本低于DPSS激光，但是，其系統的復雜度較高且存在維護難和其他問題，因此并不是晶圓切割工藝的理想選擇。準分子激光的優勢在于微機械加工、大面積圖案轉移和大量平行區域的分步重復工藝。而紫外DPSS 激光則更適于晶圓劃片應用。借助于準分子激光（193nm），JPSA 能在一個小時內處理3片晶圓，每片成本為8美元，系統正常運行時間為97%。這是準分子激光系統所能達到的非常好的性能狀態。而一個優化的紫外DPSS激光（266nm）系統每小時能處理7到10 片晶圓，每片成本低于1.50美元，正常運行時間＞99.9%。這兩種工藝已經在多臺設備上，每周7天/每天24小時地連續運行了一年半并通過測試，準分子激光系統的單獨測試時間甚至更長。 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。當一種材料被置于紫外激光脈沖的匯聚點時，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，將在材料中產生強烈的電子鍵斷裂效應。由攜帶所有熱能的等離子爆炸所產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生任何損傷。每個激光脈沖都產生一個精細的亞微米材料層，而噴射出去的材料則帶走所有熱能。比起機械劃片工藝所產生的粗糙的材料殘留物，激光工藝的殘留物更加精細，數量也不多，并且很容易清除。 一個重要的誤解是，在激光劃片之后進行“折斷”時，比金剛石劃片工藝需要更大的晶圓彎曲形變，從而會造成裸片邊緣的不“整齊”。實際上，金剛石劃片工藝在整個工藝過程中會產生機械應力。而非機械式的、無熱能的激光劃片工藝在材料內部根本不產生任何應力。紫外激光所產生的陡峭的V形切口會在其尖端產生很強的應力集中，但這種應力很容易消除。 激光工藝的優點 在劃片-裂片工藝中，PCM圖形必須設計有直通式劃片槽。金剛石劃片工藝不能通過PCM圖形進行連續劃片。因而PCM圖形必須設計有劃片槽。這就帶來了PCM圖形測試的問題。但是，對于激光劃片工藝，PCM圖形設計已不再是一個問題了。PCM圖形可以設計成有助于當前正在完成的測試項目，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中斷。 圖示為紫外激光脈沖的光蝕刻工藝原理。 采用傳統方法裂片時，劃片槽上不能有藍膜或金屬殘留。采用鋸片切割工藝時，劃片槽上的藍膜/金屬殘留會增加鋸片的磨損，縮短鋸片的使用壽命，或者可能在切割時“燒壞”鋸片。在劃片-裂片工藝中，劃片槽上的藍膜或金屬殘留能引起金剛石刀具的跳躍或反彈，從而使某些區域沒有產生實際劃片操作。這些區域因而不會在裂片工藝中分裂，這將使晶圓的其余部分不能沿著刀具劃過的線條分裂。劃片槽上的藍膜或金屬殘留不會影響激光劃片工藝的正常進行。激光工藝能夠在藍膜上劃片，這還可以增加光學加工的產能。 傳統的裂片工藝花費的時間較多。例如，裸片尺寸為0.300 mm x 0.360 mm x 4 mil時，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，則需要花費大約4個小時；若采用劃片-裂片工藝（劃片速度 = 12.8 mm/s），則需要大約2個小時；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，一套激光劃片系統的產能可以取代并超過所有現有的裂片工具產能的總和。 激光劃片工藝能夠在最后的晶圓自動測試工序中提高產能。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生的芯片丟失。如果裸片不能均勻地伸展開，則會使測試時間變長，因為必須對每一個裸片進行單獨的對準操作以保證自動測試的正確進行。有時會因為裸片沒有對準而對成品率發生影響。激光劃片工藝允許晶圓在薄膜片上進行測試，這就大大地縮短了測試時間，使所有的裸片都能通過自動測試工序。 結論：相對于機械式劃片工藝，紫外激光工藝具有更多優點。這些優點包括消耗成本低、維護費用少、產能高、晶圓面積利用率高等。激光工藝更易于進行自動化操作，從而降低人力成本。紫外激光技術還有很大的待開發潛能，因而該工藝將會繼續發展。我們預言激光工藝將在單位晶圓裸片數量和縮短投資回收期方面有進一步的發展。 Dr. Jongkook Park來自J P Sercel Associates公司(www.jpsalaser.com),Jennifer Welborn來自MA/COM公司。