來源：能量束加工及應用技術

摘要：隨著集成電路高集成度、高性能的發(fā)展，對半導體制造技術提出更高要求。超短脈沖激光加工作為一種精密制造技術，正逐步成為半導體制造的重要工藝。闡述了超短脈沖激光加工技術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在硬脆半導體晶體切割、半導體晶圓劃片中的應用，并提出相關技術提升方向。

近年來，全球大力發(fā)展半導體產(chǎn)業(yè)，半導體先進制造技術不斷創(chuàng)新突破。半導體制造包括半導體材料制備、晶圓制造、芯片封裝、測試等環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)的復雜程度和工藝技術含量都非常高，涉及電子信息材料、精密制造、物理、化學、光學等基礎與工程學科。其中，半導體材料制備的關鍵工藝有晶體生長、切割、研磨和拋光，晶圓制造的關鍵工藝有擴散、薄膜沉積、光刻、刻蝕、離子注入、CMP和金屬化，芯片封裝的關鍵工藝有減薄、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，成為國內(nèi)外半導體先進制造技術研發(fā)的重點內(nèi)容。2006年日本科學家發(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)生應力層及空隙[2]。2010年美國IBM公司科學家研發(fā)了一種可控剝離技術，利用特殊的應力層形成工藝實現(xiàn)了薄晶片剝離[3]。2017年日本京都大學通過獨特的光學設計、光束整形及光場調(diào)控技術，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)基于激光誘導晶體內(nèi)部非晶態(tài)轉(zhuǎn)化的KABRA技術，研制全自動激光加工設備，實現(xiàn)了硬脆半導體晶片高可靠切割[5]。國內(nèi)中國電科二所、大族激光等單位也面向半導體制造領域，開展了超快激光加工工藝及設備的研發(fā)。目前，超短脈沖激光加工正逐步成為半導體先進制造工藝技術。

1 超短脈沖激光加工技術

1.1 加工技術特點

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}沖寬度遠小于晶格熱傳導時間，超短脈沖激光加工過程中，能量僅在微小區(qū)域內(nèi)累積，熱影響與擴散的范圍遠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對工件性能的負面影響。

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，光束中心能量遠高于外圍，因此達到材料加工能力閾值的區(qū)域遠小于光斑尺寸，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，超快激光已廣泛應用于金屬、半導體、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。當材料進一步吸收激光能量，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，由于激光脈寬遠小于晶格熱傳導時間，熱量無法擴散，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。基于超短脈沖激光的材料損傷機理，研究高質(zhì)量激光加工技術與工藝調(diào)控方法，對實現(xiàn)超短脈沖激光加工具有重要的意義。

2 硬脆半導體晶體切割中的激光加工技術

晶片切割作為半導體晶體材料加工中的關鍵工序，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體晶體傳統(tǒng)的切割技術，其中固結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，從而導致晶片應力增大、亞表面損傷增多；同時由于切縫較小，且鋸絲在晶體內(nèi)往復運動，晶體碎屑難以隨冷卻液流走，導致晶片表面加工質(zhì)量較差。比較而言，晶片激光剝離技術具有材料損耗少、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)展的硬脆半導體晶體加工的革命性技術。晶片激光剝離技術不同于激光燒蝕加工，是基于激光垂直改質(zhì)工作原理，在半導體晶體內(nèi)部實現(xiàn)高密度光吸收，發(fā)生化學鍵斷裂、相變、激光誘導電離、熱致開裂等物理化學過程，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)生的應力越集中，越有利于裂紋的擴展。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系，需通過適當?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)量達到了產(chǎn)品要求。為進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)同誘導晶體剝離等技術提升，優(yōu)化激光改質(zhì)和剝離分片工藝，實現(xiàn)激光剝離在半導體晶體切割領域更廣闊的應用。

3 半導體晶圓劃切中的激光加工技術

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重的損傷，導致晶圓碎裂，芯片性能下降等問題。隨著半導體產(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)微裂紋的基礎上，通過藍膜擴裂方式，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，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構破壞。

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。目前激光隱切技術以全干式切割、無崩邊等優(yōu)勢，已應用于存儲器、微電子機械系統(tǒng)（MEMS）、分立功率器件等晶圓的切割中。為進一步適應高效高質(zhì)量晶圓加工需求，需通過特殊光學元件及光路優(yōu)化設計，提升激光束縱向多焦點聚焦整形技術，實現(xiàn)激光隱形在晶圓劃片領域更廣闊的應用[9]。

4 結束語面向半導體制造的超短脈沖激光加工技術正處在快速發(fā)展階段，多種應用場景不斷涌現(xiàn)，超短脈沖激光加工技術在硬脆半導體晶體切割、半導體晶圓劃片工藝中的應用，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，但也不可否認仍存在不足之處，需深入研究超短脈沖激光與半導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，推進超短脈沖激光加工設備研制及產(chǎn)業(yè)化。隨著全球半導體市場需求升級，超短脈沖激光加工作為半導體先進制造技術，應用前景廣闊。