紫外激光加工称为“光蚀”效应,高能量的光子通过“冷处理”直接破坏材料的化学键,所加工出来的部件具有光滑的边缘和最低限度的炭化。加之紫外激光能被大多数材料有效地吸收和具有良好的聚焦性能,因此其可在很小的空间区域进行精细微加工,从而有着非常高的研究价值和广阔的应用前景。
紫外激光晶圆划片工艺
用紫外(UV)激光对晶圆进行精密划片是晶圆 - 尤其是易碎的化合物半导体晶圆如薄硅晶圆 - 划片裂片的替代工艺。二极管泵浦固态(DPSS)激光能对所有第III-V主族材料包括第IV主族材料如硅(Si)和锗(Ge)的晶圆进行快速工艺处理。无论是薄的还是厚的晶圆片,切口宽度均小于3微米,切口边缘平直、精准、光滑,没有边缘碎片,尤其砷化镓(GaAs)晶圆更是如此。砷化镓晶圆价格昂贵,所以晶圆面积价值非常高。采用紫外激光划片工艺使得切口更紧密、更精细并且更光滑,能够在每片晶圆上分裂出更多数量的裸片,并因为损坏的裸片非常少而获得更高的成品率。
采用砷化镓(GaAs)芯片的高频电子线路要求芯片在电路板上有精确的几何位置布局,以减少气桥和阻抗失配。整齐、精确的芯片要求裸片的位置布局更精确、整体封装更好以及电气性能更佳。
在巿场需求驱动下,裸片成本不断降低,尺寸越来越小。裸片尺寸的减小正在给划片-裂片工艺带来新的问题。划片槽宽度从100微米降到30微米,裸片尺寸也随之减小。30微米的尺寸超出了传统锯片切割工艺允许的极限。采用激光划片工艺后,划片槽宽度进一步降低到15 - 20微米。另外,被称为“拉练”(用于阻止表面裂纹发生)的区域也被省掉了。由于划片槽宽度的减小、“拉练”空间的节省以及下列所述的设计规则的缘故,每个裸片的每个边都要节省约24微米的晶圆区域。整个晶圆因此而节省了很大的面积。
对于砷化镓(GaAs)晶圆,裂片工艺有两种:非接触式(裸露的气桥)和接触式。每一种裂片方法都有一个宽高比参数,是由设备制造商标示的,定义为裸片厚度断面的长度/宽度。一个特定的晶圆切割机划片-裂片系统标示的宽高比,对于非接触式裂片方法为7:1,接触式裂片为3:1。
裸片尺寸的减小已经把某些产品的宽高比降低到2:1,有效地提高了机械式划片-裂片系统的额定能力的极限。有时候因为不需要裂片而使芯片获得较高的成品率。晶圆切割机速度低,能造成裸片边缘的破碎,有时还可能因此而毁掉裸片。狭窄(30微米宽)的划片槽要求锯片有非常薄的厚度,而这又使得锯片很容易磨损。
紫外激光带来更高的成品率
短波长(157-248 nm)准分子和紫外DPSS激光的应用已经提高了裸片的成品率,并且证明了激光工艺比传统金刚石划片工艺更具优越性。紫外激光工艺的切口(在划片时材料损失的部分)比其他技术的更窄。再加上前端工艺的应用,紫外激光工艺增加了单位晶圆上所分裂出的合格裸片的数量。
新型窄脉宽、短波长紫外DPSS激光提供了极大的工艺灵活性,它可以调整脉冲形状、重复率、色谱、光束质量等等。谐波生成技术使更短波长的激光能够用于处理各种不同的材料。DPSS激光具有极好的光束质量和最高的重复率,并具有精细工艺所要求的最小光束直径。典型地,JPSA使用的DPSS激光是钒酸盐(Nd:YVO4)基激光器产生的。所输出的红外(IR)激光的光束直径约为1μm。高效的频率转换能力使输出激光在355nm和266nm波长处,有数瓦的可用输出功率。
对这些不同波长的激光所进行的开发,使它们特别适合于晶圆切割应用。这些激光在JPSA上用于切割蓝色LED(发光二极管)和蓝宝石晶圆,其速度为75mm/s。每小时晶圆处理能力超过9片(标准2英寸晶圆,裸片尺寸350μm × 350μm),切口却很小(﹤3μm)。激光工艺具有产能高、对LED性能影响小的特点,容许晶圆的形变和弯曲,其切割速度远高于传统机械切割方法。对于第III-V主族半导体,例如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP),典型的切口深度为40μm,切割速度为150mm/s以上。
在所有窄带紫外光源中准分子激光器所提供的功率最大、波长最短(351,308,248,193,以及157nm)。准分子激光的光子成本低于DPSS激光,但是,其系统的复杂度较高且存在维护难和其他问题,因此并不是晶圆切割工艺的理想选择。准分子激光的优势在于微机械加工、大面积图案转移和大量平行区域的分步重复工艺。而紫外DPSS 激光则更适于晶圆划片应用。借助于准分子激光(193nm),JPSA 能在一个小时内处理3片晶圆,每片成本为8美元,系统正常运行时间为97%。这是准分子激光系统所能达到的非常好的性能状态。而一个优化的紫外DPSS激光(266nm)系统每小时能处理7到10 片晶圆,每片成本低于1.50美元,正常运行时间﹥99.9%。这两种工艺已经在多台设备上,每周7天/每天24小时地连续运行了一年半并通过测试,准分子激光系统的单独测试时间甚至更长。

