飞秒光纤激光器实现可靠的晶圆切割

ganmao336

在高扫描速度下，用高重复频率的飞秒光纤激光器切割晶圆，明显比用纳秒激光器切割的晶圆具有更高的断裂强度。

半导体芯片和封装正在向更高密度的互连方向发展。融入半导体芯片（如处理器和存储器）中的复杂的材料成份，对封装技术提出了新的要求。目前，传统的机械晶圆切割技术仍占据主导地位，但是当切割厚度小于100µm的晶圆时，机械晶圆切割方法会受到一定的限制。随着芯片中的线宽越来越窄，以及低k电介质绝缘薄膜的使用日益增多，传统的机械晶圆切割技术只能勉强满足下一代集成电路的生产需求。

在过去十年间，业界一直在研究激光晶圆切割技术，以克服传统的机械晶圆切割技术的局限性。研究发现，紫外（UV）纳秒激光器对具有脆弱的后端互连的晶圆进行切割时，在产量和可靠性方面都比传统的机械晶圆切割技术大为提高。但是，纳秒激光切割所产生的热效应将降低晶圆的断裂强度，从而降低了最终器件的寿命和可靠性。[1]为了解决这些问题，美国IMRA公司利用超短脉冲光纤激光器切割晶圆，与传统的机械切割技术相比，这种方法获得了更高的晶圆断裂强度，同时还能满足业界对产能和成本的要求（见图1）。

图1：利用飞秒激光器在高扫描速度下切割晶圆，切割效果因扫描速度的不同而不同。左、右两张图分别是以4m/s和80mm/s的扫描速度切割晶圆的效果图，很显然，扫描速度越高，切割效果越好。

切割挑战

尽管二极管泵浦固态（DPSS）紫外纳秒激光系统克服了半导体加工中的许多问题，但是纳秒激光切割所产生的热效应大大降低了晶圆的断裂强度。

晶圆的断裂压力为σ=3FL/2bh2，其中F为施加的压力或张力，L为跨度，b为晶圆的宽度，h为晶圆的厚度。利用图2所示的三点弯曲试验装置测量断裂压力，采用机械切割技术，晶圆的断裂压力通常是650MPa，断裂压力与施加力的方向无关。采用紫外纳秒激光技术，晶圆的断裂压力显著降低至440MPa（施加压力）和200MPa（施加张力）。使用三点或四点弯曲试验装置，激光切割晶圆在压力或张力情况下的断裂压力差减少，施加压力时断裂压力是250MPa，施加张力时断裂压力是174MPa，小于采用机械切割技术晶圆断裂压力的一半。[2]当切割速度大于100mm/s时，产量显著提高，但是断裂压力也随之显著降低，从而影响器件的封装，进而降低了整个设备的寿命。

图2：用于分析半导体晶圆断裂压力的三点弯曲试验装置

超短脉冲激光器可以消除纳秒激光脉冲在切割区域外所产生的热扩散。[3]但是，切割质量的改善通常需要很快的切割速度。研究表明，当激光对切割目标的影响较小时，可以获得高质量的切割端面。对于传统的Ti:sapphire飞秒激光系统，若产生能量为1mJ、重复频率为1kHz的超短脉冲，输入脉冲能量必须经过衰减或者使能量分布呈线聚焦。然而，即便Ti:sapphire飞秒激光系统处于最佳运行条件，切割厚度为50µm的硅晶圆时，其最高切割速度也只有5mm/s。[4]

超短脉冲的优势
利用超短脉冲切割晶圆的前提是激光的重复频率和平均功率可以改变。飞秒光纤放大器可用于改变超短脉冲激光的平均功率。高光学增益和高斜率效率，确保了超短脉冲激光在单一路径中保持着较高的平均功率，因而无需再生放大。低工作电压的全光纤声光调制器，可用于改变超短脉冲激光的重复频率，并且能很容易地获得数十兆赫兹的脉冲重复频率。

美国IMRA公司在一个紧凑的封装中，利用非线性脉冲压缩实现了光纤啁啾脉冲放大（FCPA）。[5]以FCPA为基础的飞秒激光器已经非常成熟，其性能和可靠性均能满足工业应用的需求。大纤芯光纤放大器通常输出单一横模，光束的传播取决于光纤的波导特性，因此其对热透镜效应并不敏感。尽管由于光纤的模场直径通常小于30µm，致使光纤放大器的最大输出脉冲能量受到非线性效应的限制，但该技术依然能产生能量大于10μJ的脉冲，并且在一个没有水冷的紧凑封装结构中，输出功率超过10W。[6]

图3是厚度为50µm的硅晶圆的断裂压力随扫描速度的变化曲线图，用于切割晶圆的超短脉冲的脉宽为700fs，能量为10μJ，重复频率为500kHz，扫描次数正比于扫描速度，平均切割速度为6mm/s。试验表明，扫描速度最大时，晶圆的断裂压力也最大。当扫描速度为4m/s时，断裂压力超过机械切割的断裂压力（780MPa）。当扫描速度为400mm/s时，断裂压力降至500MPa以下，与UV纳秒激光切割晶圆的断裂压力相当。当扫描速度降至80mm/s时，断裂压力降为253MPa。

图3：厚度为50µm的硅晶圆的断裂压力随扫描速度的变化曲线图。用于切割晶圆的超短脉冲的脉宽为700fs，能量为10μJ，重复频率为500kHz。断裂压力随扫描速度的增加而增加。

扫描电子显微镜（SEM）图片也显示：当扫描速度为4m/s时，晶圆的端面质量明显高于扫描速度为80mm/s时的端面质量。此外，高速扫描时产生的消融碎片的数量将显著减少，这也是高速扫描的一个重要优势。

使用超短脉冲切割晶圆具有与纳秒激光一样的热效应。众所周知，当高重复频率的超短脉冲用于材料处理时，热累积是一个非常严重的问题。[7]为了证明晶圆断裂压力和切割质量的下降是由瞬时热沉积造成的，研究人员采用一对时间间隔为25ns的超短脉冲进行切割试验，脉冲的重复频率为500kHz，能量为10μJ，扫描速度为4m/s。在双脉冲切割情形下，断裂压力减小至390MPa，切割端面较为粗糙，并且产生了许多明显的碎片（见图4）。因此，使用超短激光脉冲切割晶圆时，必须在纳秒时间内对热量沉积进行有效控制，并且选择合适的工艺参数，以避免为增加产量提高激光重复频率所导致的热累积效应。

图4：SEM图片表明，当采用“双脉冲”以4m/s的扫描速度切割晶圆时，端面质量较差，同时碎片明显增加。

研究表明：利用超短脉冲光纤激光器，在高速扫描和高脉冲重复频率下切割晶圆，热效应显著降低。这是光纤激光器的一个明显优势，飞秒激光将在下一代微电子器件制造领域中发挥重要作用。

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