作者：韓卓申科VS^1,2，伊凡諾夫VI³，呂鴻圖^2,4，納烏莫夫A S^2,4，王薇媛⁴摘要：由于需以各種非金屬半導(dǎo)體材料晶圓制造使用價(jià)值低之微電子產(chǎn)品，對(duì)其加工高精度及品質(zhì)改善的要求更為嚴(yán)苛，因此研究效率高的晶圓切割方法有其必要性。本文將探討得以加工昂貴復(fù)雜之裝置的高效晶圓切割法，筆者透過(guò)實(shí)驗(yàn)證明應(yīng)用激光控制熱裂解法的效果，提出將該方法導(dǎo)入玻璃、硅、藍(lán)寶石及其他脆性非金屬材料精密切割的優(yōu)勢(shì)與成果。關(guān)鍵詞：微電子產(chǎn)品；激光切割半導(dǎo)體材料；激光切割晶圓；激光切割玻璃；激光控制熱裂解法(韓卓申科切割法)俄羅斯科學(xué)與創(chuàng)新發(fā)展的趨勢(shì)為對(duì)微米和納米技術(shù)領(lǐng)域之研發(fā)，并將其結(jié)果導(dǎo)入生產(chǎn)。由于現(xiàn)代電子產(chǎn)品發(fā)展突飛猛進(jìn)，使儀器和工藝設(shè)備尺寸縮小。微米和納米技術(shù)與制造微米、納米物體的方法直接相關(guān)，其尺寸至少在一個(gè)維度上不大于100μm或100nm。為制造以微米和納米技術(shù)為基礎(chǔ)之電子產(chǎn)品，采用的是經(jīng)充分驗(yàn)證之材料及新材料，擁有廣大潛力能為特定應(yīng)用取得可控制、有利的物理化學(xué)性質(zhì)。用于生產(chǎn)半導(dǎo)體器件之傳統(tǒng)晶圓材料均屬脆性，而印刷其上的結(jié)構(gòu)因物理特性加深后續(xù)生產(chǎn)制程難度。此外，精密器件加工復(fù)雜促使收益增加、開(kāi)發(fā)更為繁復(fù)的結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化半導(dǎo)體晶圓有效區(qū)域之應(yīng)用，同時(shí)又要維持售價(jià)與運(yùn)營(yíng)成本。目前將晶圓分離成芯片的主要技術(shù)皆建立于機(jī)械與激光切割基礎(chǔ)上，即鉆石劃線后裂片、帶外刀刃的鉆石圓盤(pán)鋸片切割、激光劃線后裂片、激光切割等。本文分析非金屬材料晶圓的切割技術(shù)和方法，闡述芯片品質(zhì)研究結(jié)果，并特別著重激光控制熱裂解(Laser Controlled Thermal Cracking，以下簡(jiǎn)稱(chēng)LCT)^[1-4]及其在制造各式電子產(chǎn)品的應(yīng)用^[5]。?現(xiàn)有晶圓切割技術(shù)與設(shè)備分析首先探討鉆石劃線后裂片，以及帶外刀刃的鉆石圓盤(pán)鋸片切割。半導(dǎo)體晶圓機(jī)械劃線直至1990年代未曾改變^[6]，刀具有硬質(zhì)合金刀輪、三角錐或四角錐臺(tái)等形式，皆以鑽石及其他硬質(zhì)合金製成，因其耐磨性最佳。機(jī)械劃線用角錐的稜劃線，輪流標(biāo)示刻槽，此法的應(yīng)用受限于有如應(yīng)力集中系數(shù)k之標(biāo)準(zhǔn)，透過(guò)施加彎矩決定在表面的最大彎曲應(yīng)力，可經(jīng)下列公式計(jì)算：

k?= (0.355 (t?- d) / r) + 0.85) / 2 + 0.08

(1)

其中，t：晶圓厚度；d：切割深度；r：鉆石粒徑。由此可知，晶圓愈厚所需的彎曲應(yīng)力愈大。可透過(guò)增加劃痕深度減少所需的彎曲應(yīng)力，但如此沿切割線的缺陷程度便會(huì)增加，且劃線工具上壓力提高可能導(dǎo)致材料分裂不受控制；另可加大鉆石粒徑，但同樣會(huì)影響芯片斷面品質(zhì)及其機(jī)械強(qiáng)度。半導(dǎo)體晶圓機(jī)械劃片和分割的設(shè)備廠商有法國(guó)JFP及Cefori、臺(tái)灣愛(ài)玻麗工業(yè)、英國(guó)Loadpoint等公司。在生產(chǎn)中最簡(jiǎn)易的晶圓切割法為鉆石圓盤(pán)鋸片切割。當(dāng)切割深度不超過(guò)1.5 mm，可使用帶外刀刃的鉆石圓鋸片將晶圓切割分離成芯片^[7]。有時(shí)采用間隔距離與欲切割芯片尺寸相等的鋸片組，或用配備雙軸之機(jī)器。根據(jù)不同任務(wù)，圓盤(pán)厚度為0.02～0.32 mm(20～320?μm)不等。鉆石圓盤(pán)切割之目的旨在實(shí)現(xiàn)寬度20 μm的鋸痕，然而，卻更常出現(xiàn)寬度達(dá)250?μm的鋸痕，關(guān)鍵在于刀片材料、鉆石顆粒粒度和密集度、旋轉(zhuǎn)與切割速度等眾多因素。帶外刀刃的鉆石圓盤(pán)鋸片切割缺點(diǎn)為刀具硬度G不高，該部分主要取決于其尺寸(含厚度和外徑)的比例，而硬度與主要操作因素相關(guān)，如下列關(guān)系式： ? ? ?(2)其中，K_m：(用來(lái)說(shuō)明材料性質(zhì)的)系數(shù)；W：轉(zhuǎn)數(shù)；V_cut：切割速度；m, n：常數(shù)。強(qiáng)化刀具硬度的方式有二：其中一種為采用厚切割鋸片，但將加大鋸口寬度并增加材料損失；另一種則為提高切割鋸片轉(zhuǎn)速，此時(shí)產(chǎn)生之離心力會(huì)給予額外的硬度，但隨著轉(zhuǎn)數(shù)增多，鋸片刀刃產(chǎn)生振動(dòng)，流體力學(xué)過(guò)程加強(qiáng)，也會(huì)導(dǎo)致切割區(qū)域缺陷數(shù)量、大小皆增加。制造切割晶圓的外刀刃鉆石圓盤(pán)鋸片設(shè)備和工具廠商有：ESTO(俄羅斯)、PLANAR(白俄羅斯)、Loadpoint(英國(guó))、ADT先進(jìn)切割科技(以色列)、迪思科及東京精密(日本)等。相較于機(jī)械法，透過(guò)激光劃線及切割晶圓的方法仍處于發(fā)展階段。隨著晶圓直徑加大、激光器更為便宜且產(chǎn)能增長(zhǎng)，其生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)也顯著提升。本文將探討激光切割晶圓的許多研究，包含使用具有各種波長(zhǎng)范圍輻射^{[8, 9]}、不同脈沖寬度(飛秒、皮秒至納秒^[10-13])與功率之激光。惟上述加工皆未將切割厚度200μm以上的晶圓列入考慮。已確知脈沖頻率愈高，切割速度愈快，為材料內(nèi)部能量分布增加所致。然每一發(fā)脈沖燒蝕深度的增加會(huì)引發(fā)如熔化、裂紋、非晶化和殘余應(yīng)力積累等熱影響。將晶圓分離為芯片時(shí)，這些熱影響導(dǎo)致芯片強(qiáng)度降低，損壞表層薄膜與敏感的電子器件。激光劃線時(shí)，切割道寬達(dá)2.5～100 μm，取決于輻射源、光學(xué)儀器及其他輔助系統(tǒng)；而速度變化可在5～300 mm/s范圍內(nèi)，決定性因素為加工材料之性質(zhì)、厚度及其他參數(shù)。為順利對(duì)劃線后之材料進(jìn)行機(jī)械劈裂，劃線深度必須超過(guò)材料厚度的30%，例如，日本迪思科公司官網(wǎng)即有激光劃線和激光切割非金屬材料設(shè)備介紹^[14]。有一項(xiàng)新技術(shù)是用激光透過(guò)熱沖擊對(duì)材料引起可控制的破壞。約莫13年前，由日本濱松公司開(kāi)發(fā)出來(lái)并取得專(zhuān)利之「隱形切割法」在晶圓切割實(shí)際應(yīng)用上前景可期。此方法是將部分透明的激光光斑聚焦在板材內(nèi)部接近晶圓表面之處，并沿著預(yù)定方向?qū)Σ牧弦l(fā)可控制的破壞。當(dāng)材料內(nèi)部具備的功率密度足夠，會(huì)形成一條微裂紋、點(diǎn)缺陷的線，與制作紀(jì)念品的玻璃半成品內(nèi)部3D激光打標(biāo)雷同^[15]，且如同任一種劃線法，施加內(nèi)部缺陷后必須再進(jìn)行劈裂作業(yè)。原則上隱形切割法因具備速度快、零污染、切割寬度近乎為零等優(yōu)點(diǎn)，而被視為理想的晶圓切割解決方案。據(jù)各方資料顯示，隱形切割速度可高達(dá)600 mm/s，關(guān)鍵因素在于材料及其厚度、激光器功率參數(shù)。激光控制熱裂解法(LCT法、韓卓申科切割法、Kondratenko切割法)80年代范德米爾．史戴潘諾維奇．韓卓申科教授在蘇聯(lián)發(fā)明LCT法^[16]，過(guò)去用于制造光電子玻璃產(chǎn)品。然而，近十年多種脆性非金屬材料的激光控制熱裂解法迅速發(fā)展，并應(yīng)用在各科技領(lǐng)域。許多關(guān)于LCT法應(yīng)用的出版品，以及發(fā)展該方法與制造成套工藝設(shè)備的專(zhuān)利^[1-4]皆可證實(shí)該論點(diǎn)。LCT制程基礎(chǔ)是激光光斑沿晶圓切割線進(jìn)行加熱，隨后再以致冷劑冷卻受熱處。激光輻射照射材料表面會(huì)使外層產(chǎn)生顯著的壓縮應(yīng)力，但不會(huì)造成斷裂。正因致冷劑促使局部劇烈冷卻，所形成之溫度梯度導(dǎo)致表面層產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，才得以使裂紋推進(jìn)(如圖1)。

1：加工晶圓

2：激光光斑

3：聚焦鏡

4：噴嘴

5：致冷劑

6：指定深度之微裂紋或貫穿裂紋

Qc：壓縮應(yīng)力

Qt：拉伸應(yīng)力

圖1　以LCT法生成微裂之示意圖加熱和冷卻之選配旨在于指定深度(占晶圓厚度10～50%處)形成微裂紋，或是直接切穿。此外，相較于傳統(tǒng)方法，切割速度也提高了多個(gè)數(shù)量級(jí)──厚度較薄的產(chǎn)品速度更可能超過(guò)1000 mm/s；由于前述性能，全世界首次將激光切割導(dǎo)入浮法玻璃之生產(chǎn)^[17,18]。浮法玻璃系指鋪在錫液表面上的熔融玻璃，全球多達(dá)80%平板玻璃皆以該方式制成，其切割通常采機(jī)械法，所形成之微裂紋及其他缺陷致使強(qiáng)度下降50～60%。LCT法除了生產(chǎn)效率極高、絕無(wú)缺陷(裂紋或缺口)之外，強(qiáng)度亦高于傳統(tǒng)方法五倍之多^{[19, 20]}。材料不論厚薄均能以LCT技術(shù)切割，如厚達(dá)20 mm之玻璃或僅50μm之薄藍(lán)寶石晶圓^[21-23]品質(zhì)均優(yōu)。無(wú)論直線或異形切割，鈮酸鋰、鉭酸鋰、碳化硅、砷化鎵、微晶玻璃、陶瓷、玻璃、石英或甚至鉆石的斷面皆相當(dāng)完美及平滑^[24]。由于毫無(wú)缺陷，也便不需保留余量以處理刀具遺下之缺陷。如由莫斯科廠藍(lán)寶石開(kāi)放式股份公司生產(chǎn)的RT-350和RT-500激光控制熱裂解設(shè)備^[25-27]用于晶圓切割，即為實(shí)現(xiàn)此方法之一例。運(yùn)用LCT法切割脆性材料時(shí)，邊緣強(qiáng)度比機(jī)械或激光劃線高出5～5.5倍，且不會(huì)對(duì)集成電路的技術(shù)操作參數(shù)產(chǎn)生負(fù)面影響^[28-30]。相對(duì)于傳統(tǒng)切割法無(wú)疑具有極大優(yōu)勢(shì)，但以LCT法沿交叉線切割有一定難度。LCT后高強(qiáng)度、無(wú)缺陷的晶圓斷面阻止裂紋在原切割線相交處推進(jìn)，因而開(kāi)發(fā)出得以克服此限制之方案，并獲取專(zhuān)利權(quán)^{[3, 4]}。韓卓申科教授是鴻海科技集團(tuán)的科學(xué)顧問(wèn)，該集團(tuán)為生產(chǎn)蘋(píng)果公司電子產(chǎn)品及旗艦小配件的全球領(lǐng)導(dǎo)者。利用LCT法開(kāi)發(fā)切割玻璃及藍(lán)寶石產(chǎn)品的技術(shù)設(shè)備為其主要合作方向。鴻海科技集團(tuán)2007年即成立研究生產(chǎn)車(chē)間，后發(fā)明以萬(wàn)用技術(shù)設(shè)備執(zhí)行異形激光切割和雙面倒角的制程^[31-33]，用于與蘋(píng)果公司iPhone、iPad和iMac等移動(dòng)設(shè)備相似的防護(hù)屏(如圖2)。圖2　移動(dòng)設(shè)備防護(hù)屏俄羅斯綠城TM激光和設(shè)備公司根據(jù)與專(zhuān)利權(quán)人簽訂之許可協(xié)議，導(dǎo)入在俄應(yīng)用LCT技術(shù)所累積的經(jīng)驗(yàn)。2014年出產(chǎn)之MLP1-1060/355試生產(chǎn)設(shè)備(如圖3)即適用于藍(lán)寶石與其他脆性非金屬材料晶圓LCT切割^[34]。圖3　俄羅斯設(shè)備MLP1-1060/355取LCT法切割晶圓后所得之藍(lán)寶石芯片斷面照片進(jìn)行比較(如圖4)，可見(jiàn)LCT明顯優(yōu)于其他熟知的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)；其切割速度介于30～500 mm/s間，視藍(lán)寶石厚度(30～1000 μm)而定。一般來(lái)說(shuō)，藍(lán)寶石在一個(gè)工藝周期內(nèi)即一刀切穿，僅在某些情況下會(huì)于占材料厚度10～30%處先行作出初始微裂，再以激光或機(jī)械劈裂完成切割，如藍(lán)寶石防護(hù)屏閉環(huán)切割便建議依前述方式操作。圖4　厚110μm的藍(lán)寶石芯片斷面接續(xù)探討以LCT法解決有機(jī)發(fā)光二極體(Organic Light Emitting Diode，以下簡(jiǎn)稱(chēng)OLED)硅晶圓切割質(zhì)量的問(wèn)題，尤以生產(chǎn)微型顯示器為主^{[8, 35-37]}。以玻璃基板封裝并帶有OLED的切割用硅晶圓成本相當(dāng)高。OLED微型顯示器領(lǐng)域的先驅(qū)有eMagine(美國(guó))、索尼(日本)、MicroOLED(法國(guó))、奧雷德(中國(guó))和TOPE Ltd.(俄羅斯)等制造商，采行傳統(tǒng)方法將硅晶圓切割成芯片，然即便最佳工藝參數(shù)也無(wú)法對(duì)OLED芯片進(jìn)行品質(zhì)管理，因而借助LCT開(kāi)發(fā)新的激光切割法，可由反面加工用防護(hù)玻璃封裝之硅晶圓。以感光度范圍介于1460～1625?nm(硅透射率?55%)的紅外線攝像機(jī)沿切割線瞄準(zhǔn)，以便識(shí)別硅晶圓工作面上用于對(duì)位的參考標(biāo)記。硅經(jīng)韓卓申科切割法一刀切穿后OLED結(jié)構(gòu)不會(huì)受損^[38,39]，切割時(shí)不致過(guò)熱，斷面光滑，而邊緣也毫無(wú)缺陷。將鉆石圓盤(pán)鋸片及LCT切割后之芯片斷面品質(zhì)進(jìn)行比較，并以型號(hào)XP-200的Ambios(美國(guó))表面光度儀測(cè)量芯片工作斷面的表面粗糙度(如圖5)，鋸片切割后為R_а=?23.407?μm，而LCT后則不大于R_а~0.005μm。圖 5　芯片斷面照及其表面輪廓圖結(jié)論將LCT法導(dǎo)入生產(chǎn)以半導(dǎo)體晶圓為基底的防護(hù)屏、顯示面板和現(xiàn)代電子產(chǎn)品等制程，可提高生產(chǎn)率及合格率。此成果來(lái)自LCT法相對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)之主要優(yōu)勢(shì)，即：(一)?沿切割線無(wú)缺陷，可由粗糙度值證明，通常超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手多個(gè)數(shù)量級(jí)。(二)?由于邊緣無(wú)缺陷，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，LCT之后產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度高出5倍之多。(三)?制程速度快，實(shí)際能力較其他方法高出數(shù)倍。(四)?晶圓工作表面上各元件和結(jié)構(gòu)不會(huì)惡化或改變。如今，韓卓申科切割法創(chuàng)始人及支持者持續(xù)在各行業(yè)和研究中將此技術(shù)發(fā)揚(yáng)光大，如英屬開(kāi)曼群島商納諾股份有限公司便致力于各種脆性非金屬材料切割技術(shù)，以及新一代設(shè)備之開(kāi)發(fā)、拓展與導(dǎo)入。¹俄羅斯科技大學(xué)物理與技術(shù)學(xué)院光學(xué)暨生物工程系統(tǒng)與技術(shù)教研室，莫斯科?107996E-mail:vsk1950@mail.ru²國(guó)際技術(shù)科學(xué)院，莫斯科?127051³有機(jī)和印刷電子技術(shù)股份有限公司，莫斯科?107497E-mail:ivi061@gmail.com⁴英屬開(kāi)曼群島商納諾股份有限公司材料激光加工實(shí)驗(yàn)室，臺(tái)北11493E-mail: jasber@nanoplustech.com(呂鴻圖)lasercutan@163.com(納烏莫夫??A S)wynadya@nanoplustech.com(王薇媛)參考文獻(xiàn)：［1］?［俄］韓卓申科VS. 非金屬材料切割法：俄羅斯聯(lián)邦，2024441［P］.1992-04-02.［2］?［英］韓卓申科VS. 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當(dāng)疫情肆劫時(shí)，這些激光企業(yè)在做啥？中國(guó)激光企業(yè)援助海外同行共同抗疫倡議書(shū)抗疫接力：廣東省激光行業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)員單位在行動(dòng)危中有機(jī)，今年激光企業(yè)活下去才是重點(diǎn)湖北“解封”，激光企業(yè)“重啟”征程?免責(zé)聲明：凡本公眾號(hào)注明來(lái)源非本公眾號(hào)的作品和圖片，均轉(zhuǎn)載自其它媒體，目的在于傳遞和分享更多信息，并不代表本媒贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)，版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。

總結(jié)

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