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電子加工新聞

紫外激光切割晶圓的工藝研究

煙臺大學 光電學院 來源:廣東星之球2011-03-11 我要評論(0 )   

摘要:通過實驗研究了紫外 激光切割 晶圓的工藝,測得不同激光功率和切割速度下的切割深度和切縫寬度,分析了各參數(shù)對切割深度及切割質(zhì)量的影響,對存在的問題提出了改...

摘要:通過實驗研究了紫外激光切割晶圓的工藝,測得不同激光功率和切割速度下的切割深度和切縫寬度,分析了各參數(shù)對切割深度及切割質(zhì)量的影響,對存在的問題提出了改進的意見及方法,為實際應用中參數(shù)的選擇和工藝的改進提供了參考。并依用戶要求對晶圓樣品進行實際切割,經(jīng)用戶鑒定達到了使用要求。

引言 日常生活中,手機、數(shù)碼相機、電腦、家電中的PCBFPC上面都布滿集成電路,它是采用一定的工藝,把電路中的元器件和布線制作在半導體晶片上,然后封裝為一個整體,使之成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu),這樣整個電路的裝配密度高、體積小、功耗低、引出線少、可靠性高、便于大規(guī)模生產(chǎn)。其中半導體晶片的原材料是硅,二氧化硅經(jīng)提煉提純后,制成高純度的多晶硅,再將多晶硅融解、拉晶制成硅晶棒,硅晶棒經(jīng)過研磨、拋光和切片后即得到制作集成電路的基本原材料——硅晶圓片。將晶圓片經(jīng)過沉積、蝕刻、加溫、光阻處理、涂布、顯影等數(shù)百道工序,在硅晶片上加工制作成具有特定電路功能的IC產(chǎn)品,晶圓制造就完成了。由于工藝需要及為了提高制作速率和降低成本,通常是在晶圓上制作集成電路芯片陣列,然后采用切割工藝將其分割。切割完畢后再進行焊接和封裝,經(jīng)過測試后就可以上市或者送到相應的客戶手中用于生產(chǎn)各式產(chǎn)品了。

晶圓切割的目的是將晶圓上一顆顆晶粒切割分離,傳統(tǒng)方式是采用鉆石刀切割,但由于硅是脆性材料,極易碎裂,接觸式加工極易使邊緣破裂,交叉部分更為嚴重,導致成品率低,原材料的損耗大,有時還可能造成隱性裂紋影響電性參數(shù)。且隨著電子產(chǎn)品“輕、薄、短、小”的市場趨勢,晶圓的厚度也不斷減薄,變的更為脆弱,因此鉆石刀切割的破片率大量增加,此階段晶圓價格昂貴,百分之幾的破片率就足以使利潤全無;另一方面當成品晶圓覆蓋有金屬薄層時,問題更加復雜,金屬碎屑會包裹在鉆石刀鋒上,使切割能力大大下降,嚴重的會有造成破片碎刀的后果。其切割效果如圖1所以,崩邊現(xiàn)象明顯,尤其是交叉部分破損更為嚴重。這樣機械加工方式已經(jīng)遇到無法克服的困難,此時人們自然想到用激光來加工。

 


 

1 鉆石刀切割晶圓切邊狀況

激光切割屬非接觸加工,無應力,因此切邊平直整齊,無損壞;不存在刀具磨損問題,因此無耗材,降低使用成本;不會損傷晶圓結(jié)構(gòu),電性參數(shù)優(yōu)于機械切割方式;切割速度快,切割深度容易控制,可以在維持速度不變的條件下,加大輸出功率來增大切割厚度,工作效率大大提高;切縫寬度小,這意味著可以在同樣尺寸的晶圓上作出更多的產(chǎn)品,提高產(chǎn)量和降低成本;激光可以切割任意形狀,如六角形晶粒,突破了鉆石刀只能以直線式加工的限制,使晶圓設計更為靈活方便。因此激光切割顯然是晶圓切割的一條必走之路。

另外,IC在日常應用、科學研究和軍事領(lǐng)域都已經(jīng)成為不可或缺的用品,隨著應用范圍及需求用量的擴大,多年來晶圓生產(chǎn)及晶圓代工一直以強勁的勢頭發(fā)展,經(jīng)濟效益更是逐年高速增長,但是長期以來激光切割晶圓的技術(shù)一直被國外所壟斷,其設備昂貴的價格令廠商望而卻步,而國內(nèi)激光切割晶圓技術(shù)雖在逐步發(fā)展但并不成熟,只能依賴于國外的技術(shù)支持,因此研究激光切割晶圓技術(shù)在打破國外壟斷、發(fā)展自主創(chuàng)新技術(shù)和提高產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益等方面都有積極且重要的意義。

1 實驗原理與系統(tǒng)

1.1激光切割原理#p#分頁標題#e#

激光經(jīng)過聚焦后照射到材料上,使被切割材料溫度急速升高,然后使之熔化或汽化。隨著激光與被切割材料的相對運動,在切割材料上形成切縫從而達到切割的目的。在切割晶圓時通常選擇紫外激光作為切割光源,與YAGCO2激光通過熱效應來切割不同,紫外激光直接破壞被加工材料的化學鍵,從而達到切割目的, 這是一個“冷”過程,熱影響區(qū)域?。涣硗庾贤饧す獾牟ㄩL短、能量集中,切縫寬度小,因此在精密切割和微加工領(lǐng)域具有廣泛的應用[2]。另外在實際應用中激光切割晶圓有兩種,一是劃片切割,即切割深度只需硅片厚度的1/31/4,由于應力作用只需稍加外力,晶圓就可以很容易地沿切縫裂開;二是穿透切割,要求將晶圓切穿并分離。晶圓切割首先是晶圓黏片,它是在晶圓背面貼上黏性薄膜并用鋼制框架支撐,然后進行切割。

1.2實驗設備及過程

實驗所使用的設備為木森科技的WaferCut350,其主要性能參數(shù)如表1所示:

激光系統(tǒng)

JDSU Q301-HD

 

工作面積

300mmx300mm

激光波長

355nm

XY平臺定位精度#p#分頁標題#e#

±3μm

光束模式

TEM00

XY平臺重復精度

±1μm

最大功率

10w

平臺旋轉(zhuǎn)精度

±0.001°

脈沖范圍#p#分頁標題#e#

0~250kHz

定位檢測分辨率

0.5μm

1  實驗設備的主要參數(shù)

 其工作光路圖如圖2所示:

 


 

2 工作光路圖

對于晶圓切割來說,我們關(guān)心的是切割深度和切割質(zhì)量,而晶圓切割質(zhì)量主要從切縫寬度、切割側(cè)壁質(zhì)量、切縫邊緣的光潔度幾方面來衡量。其中切縫寬度容易觀察和測量,是一個重要的衡量標準。激光是切割中所用的“刀”,是最關(guān)鍵的部分,直接影響切割深度和切割質(zhì)量,其主要參數(shù)為光斑直徑、功率及重復頻率、切割速度和材料性質(zhì)等,本文研究這幾個參數(shù)對切割深度及切縫寬度的影響,并做出理論分析,為實際應用提供參考依據(jù)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1光斑直徑的影響

激光切割的切縫寬度同光束模式、偏振性和聚焦后光斑直徑有直接的關(guān)系。實際切割中采用TEM00模,圓偏振,但激光的模式通常都并非理想的基模,當功率增大或者使用時間過長時會產(chǎn)生變化。光斑直徑是指光強降落到中心值的1/e2的點所確定的范圍,這個范圍內(nèi)包含了光束能量的86.5%,理想情況下直徑范圍內(nèi)的激光可以實現(xiàn)切割,范圍外的不與材料發(fā)生作用,則切縫寬度等于光斑直徑。但實際中由于材料的導熱性、熔點、沸點等參數(shù)的不同,以及激光功率的變化,切縫寬度是不等于光斑直徑的,它們的關(guān)系要依據(jù)激光能量的輸入和材料性質(zhì)而定。但在絕大多數(shù)情況下,切縫寬度是略大于光斑直徑,減小光斑直徑,就減小了切縫的寬度。

在晶圓切割中,聚焦后的光斑直徑當然是越小越好,這樣切縫寬度就會越小,相同的條件下就可以使晶圓做到更高的集成度。設激光的束腰半徑為ω#p#分頁標題#e#0,光束質(zhì)量因子為M2,激光波長為λ,聚焦鏡焦距為f,擴束鏡準直倍率為A,由激光原理[3]可得激光經(jīng)過擴束鏡后和聚焦鏡后

束腰半徑 



 

 焦深

式中激光的波長λ和光束質(zhì)量因子M2由激光器來決定,可以選擇短波長和較小M2的激光器來減小光斑尺寸,另一方面通過減小聚焦鏡的焦距和調(diào)整擴束鏡倍數(shù)來得到較小的光斑尺寸。但是減小聚焦鏡焦距的同時焦深會縮短,不過在劃片切割時并不需要太大的焦深,只有當穿透切割較厚的晶圓時需要考慮焦深的問題,因此要根據(jù)實際要求合理的選擇聚焦鏡焦距和擴束鏡倍數(shù)。

 2.2激光功率對切割的影響

實驗中設定激光重復頻率為20kHz,切割速度50mm/s,焦點位于晶圓表面,改變激光功率測得相應的切縫寬度和切割深度,得到關(guān)系如圖3所示。

 


 3 激光重復頻率為20kHz,切割速度50mm/s時,切縫寬度及切割深度隨激光功率的變化

激光功率是影響切割深度和切縫寬度的主要因素,從圖中可以看到,在其他參數(shù)固定不變時,切縫寬度和切割深度隨著激光功率的增加而增大。這是因為晶圓所獲得的能量E為功率P與時間t的乘積,當切割速度不變時,即激光照射時間恒定,隨著激光輸出功率增大,單位時間內(nèi)材料獲得的能量增加,切割的深度隨之增加。另一方面在,隨著激光功率的增大,熱影響區(qū)增加,同時直徑范圍外的能量也隨之增加,其作用不可忽略不計,這部分激光與材料發(fā)生作用,使切縫寬度增加。但由于其能量只占到全部的13.5%,所以其切割深度遠小于中心部位,通常會造成切縫截面的頂部呈漏斗狀,降低了切割質(zhì)量,可以使用光闌濾掉邊緣部分來解決此問題。

 2.3激光重復頻率對切割的影響

當激光功率一定時,晶圓受到照射的時間越長,獲得的能量就越多,紫外激光雖然屬于“冷加工”,但是還是存在一定的熱效應,又由于硅的導熱性能差,熱量會積累在切割處,燒蝕現(xiàn)象嚴重,解決方法之一是激光采用脈沖工作模式,縮短激光與晶圓的作用時間,這樣能量在極短的時間內(nèi)被帶入,不會發(fā)生連續(xù)激光加工(laser oem)過程中的過熱現(xiàn)象以及過多熔化現(xiàn)象。

實驗中發(fā)現(xiàn)當重復頻率小于10kHz時,切割時聲音尖銳刺耳,切割深度較淺,切縫較寬,隨著頻率的增加,切割時聲音變小,切割深度增加,切縫寬度也減小。當重復頻率達到#p#分頁標題#e#50kHz時,切割深度達到最大。頻率繼續(xù)上升時,切割深度再次減小。這是因為在其他參數(shù)不變的情況下,重復頻率越高,峰值功率越小,單脈沖與材料作用的時間越短,因此熱影響區(qū)越小,切縫寬度也就越小。當重復頻率較低時,雖然脈沖的峰值功率很高,但平均功率很低,所以造成了切縫較寬,切割深度卻不大的現(xiàn)象。隨著重復頻率的上升,脈沖峰值功率降低,但平均功率增加,在一個適當?shù)姆秶鷥?nèi),可以達到較小的切縫寬度和較大的切割深度。當重復頻率繼續(xù)上升時,雖然輸出的平均功率增加,但是脈沖的峰值功率下降到不足以使硅氣化,因此切割深度又變小。

2.4切割速度的影響 切割速度決定了生產(chǎn)效率,在保證切割質(zhì)量的前提下,盡量提高切割速度從而提高生產(chǎn)率,降低加工成本,對現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展是一個不容忽略的問題。

實驗中固定激光功率為5w,激光重復頻率為20kHz,焦點位于晶圓表面,改變切割速度測得相應切縫寬度和切割深度,如圖4所示。

 4 激光功率5w,重復頻率20kHz時,切縫寬度及切割深度隨切割速度的變化

從圖中可以看到,其他參數(shù)不變時,切縫寬度及切割深度都隨著切割速度的增大而減小。切割速度的變化意味著激光與材料的相互作用時間改變,即激光能量密度的改變。當切割速度較小時,激光能量密度過大,會使得切縫周圍的材料也被熔化或氣化,導致熔渣多切縫粗糙,切縫寬度過大,切割質(zhì)量較差。隨著切割速度增加,能量密度減小,切割深度也減小,當速度在一定的范圍內(nèi),激光能量密度適中,剛好使材料氣化,形成光滑均勻的切縫,切割質(zhì)量最好。但當速度繼續(xù)加快,超過一定值的時候,激光能量密度過小,材料獲得的能量不足以使其完全熔化或者氣化,就不能切割材料。

2.5激光功率、激光重復頻率及切割速度的共同影響

激光功率、切割速度和重復頻率共同決定了切割中晶圓獲得的能量的多少,即共同決定了切割深度和切縫寬度。另一方面激光以脈沖方式工作,利用極高能量密度在瞬間熔化和氣化材料,在晶圓上打一系列連續(xù)的孔從而實現(xiàn)切割。這樣光斑的重疊率是關(guān)鍵的參數(shù),重疊率是指相鄰光斑重疊面積占光斑面積的百分比,它對切邊的平直度有較大的影響。在切割過程中光斑變形很小,可以認為仍是圓形的,如圖5所示,重疊率越高則切邊越平滑質(zhì)量越好。光斑重疊率S與激光重復頻率、脈沖寬度和切割速度有關(guān),可以由簡單的幾何關(guān)系得出。因此在實際切割中要根據(jù)輸入能量和重疊率來合理的選擇參數(shù)來搭配。另外為了克服圓形光斑的不足,可以通過采用柱面聚焦鏡[4],將激光束變?yōu)榫€光源,光斑整形為矩形,這樣一方面可以進一步減小切縫寬度,而且還可以使切邊連續(xù),提高切割質(zhì)量。

5 不同重疊率下切割邊緣的區(qū)別

#p#分頁標題#e#2.6輔助及保護部分

在切割的過程中,熔體的濺射是不可控制的,少許熔融的高溫小顆粒以極高的速度從切割道中濺射出來,附著在切割道兩旁的晶圓表面上,在冷卻的過程中會和晶圓熔為一體,破壞了晶圓表面的結(jié)構(gòu),使之成為不可用的廢品。因此必須采取相應的保護措施,使高溫熔融的小顆粒在濺射到晶圓表面之前冷卻,或者在晶圓表面上加隔離層使熔融體無法與晶圓表面直接接觸。前者可以在切割時采用與激光同軸噴射的氣體或者液體冷卻,若采用氣體,熔融體冷卻后會成為粉塵附著在切縫兩旁,在之后的清洗工藝中即可除去,氣體同時還起到保護鏡組的作用,并且根據(jù)實驗,應采用不與硅發(fā)生反應的氣體,如氮氣或者惰性氣體。在吹起的過程中同時加入吸塵系統(tǒng),將切屑直接抽走效果會更好;若采用液體,通常使用去離子水,熔融體會在水中冷卻并被帶走。后者可以采用中性的液態(tài)薄膜作為隔離層,在切割完畢之后進行晶圓的清洗即可。

3 結(jié)論

對于劃片切割,在切割完畢需要進行裂片和擴晶;對于穿透切割,由于輕微的熱效應影響,切割完畢后晶粒不會自動分離,而是由極為微弱的附著力而黏連在一起,在擴晶中即將藍膜繃緊,晶粒就會在張力的作用下分開,井然有序排列于藍膜上,而框架的支撐避免了膠帶的褶皺與晶粒之互相碰撞,并利于搬運。之后由設備將一粒粒的晶粒取走進行后續(xù)工藝。

在此實驗中,用紫外激光對晶圓進行了切割測試,測得不同激光功率和切割速度下的切縫寬度及切割深度,對其做出理論分析,為實際應用中參數(shù)的選擇和工藝的改進提供了參考及依據(jù)。本實驗的結(jié)果也適用于其他類型的晶圓,如氮化鎵(GaAs)、碳化硅(SiC)、藍寶石等。另外還依據(jù)實驗結(jié)果及分析來選擇合適的參數(shù),對晶圓樣品進行切割,取得了很好的效果,經(jīng)用戶鑒定達到了實際應用的要求。如圖6(a)(b)所示,分別是劃片切割和穿透切割的斷面照片,(a)為劃片,其中上部為激光切割,下部為裂片,可以看到切割部分均勻整齊,裂片部分光滑平整,(b)為穿透切割,斷面均勻整齊。圖7為切割的正視圖,切邊光滑,無崩邊等損壞現(xiàn)象。

6  (a) 劃片切割的切割斷面           (b)穿透切割的切割短斷面 

7 激光切割晶圓正面圖

 

 

 

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