水刀激光切割芯片的污染问题—中国光学光电子行业网

　在大多数切割工艺过程中，利用水刀激光器(waterjet-guided laser)固有的冲洗特性，加上一个水膜设备，可以显著地降低微粒污染发生的几率。
　　对于使用激光进行的切割技术，切割半导体是一个挑战。直到最近，切割半导体的传统方法是研磨切割。然而，半导体设计的要求越来越高，对于薄片晶圆和化合物半导体，就不能再进行研磨切割了。这就需要新的切割方法。水刀激光器在几年前就是一个很好的切割方法，可以把薄薄的半导体切割成任意形状，包括砷化镓（GaAs），近期由于对微粒产生的关注，使大家对这种切割激光器更加重视。
　　实际上，在所有传统的切割工艺里，微粒的产生和再沉积是一个很严重的问题。微粒和尘埃（大小在0.1到5um）在加工过程时，布满了整个加工件的表面，特别是基于激光技术的工艺，细小的微粒极难于清除，而且具有很强的吸附力（如毛细作用、静电力和范德瓦耳斯力），难于擦除或用水清除。另外，传统的激光切割时，材料熔化的小液滴会“焊”到加工件的表面上，更加难以去除。
　　因为清除这些小微粒非常困难，并且代价昂贵（例如使用激光清除），有时甚至是不可能清除干净的。通常的做法是在加工过程中，尽量避免微粒接触到晶圆的表面。目前，多种独特的方法应用于不同的工艺中。水刀激光器由于具有可喷射的清水，从而比起其他激光加工方式会使微粒的数量大大减少。最近出现的晶圆无微粒切割法，是在整个切割过程中，通过在整个加工件上覆盖准确控制的薄水膜，从而达到减少微粒污染的目的。

传统的切割工艺
　　在研磨切割半导体时，在微粒粘到晶圆表面之前，通常使用强劲的DI水冲刷，以去除产生的微粒。这种方法意味着要增加切割的成本，因为DI水的用量非常之高。
　　传统的激光切割，微粒污染非常高。甚至在透明大气或自然真空条件下，半导体样本的洁净度仍不能达到要求通常，如果用激光切割半导体，必然要在晶圆表面的增加保护层。对于半导体来说，保护层一般是一层厚的感光树脂。微粒附着在保护层上，在切割后，通过腐蚀去除。这种方法也增加了成本，同时必须分两个步骤进行。
　　根据上面提及的，可以看出传统的激光切割不是一个好的方法。而且，越来越多的切割需要无受力和无微粒工艺，其特色是芯片的间隔宽度非常小，所以，必须使受到破坏的原材料区域最小（切割产生碎屑和激光切割产生热效应区域等都会破坏原材料）。切割薄硅和 III-V族晶圆的技术，都是基于市场占有率渐增的设备，切割器具都有问题。半导体行业正在寻找更好的技术。

水刀激光技术
　　激光微射流（LMJ）的概念是将脉冲激光束与低压水喷射结合起来，对各种材料进行切割、钻孔等作业。基本的原理是经过一个加压的水槽，聚焦激光束到一个喷口。从钻石喷嘴喷出低压水，通过水/空气界面发生内反射从而导出激光束，类似于常规的玻璃纤维水喷射好象就是一个稳定流动的长度可以变化的光波导管。它有三个基本功能：
1.将激光束导向加工件；
2.清除熔化的材料；
3.冷却加工件。
LMJ是快速有效的方法，切割薄片晶圆（完全切割）、划片和磨边（晶圆外部1-2 mm处会被切割掉，确保晶圆边缘无裂纹）。它可以应用在硅和III-V族半导体。

微粒污染和LMJ
　　与传统的激光技术比，水刀激光产生的微粒要少很多，因为水在把激光导向加工面的同时，也有效地清除了熔化的材料。但是，为了使微粒污染等级降得更低，直至接近零，就必须开发更新的洁净设备。
开发的目标是为了避免使用保护层这一步骤。使用水刀激光器技术，不能获得强力清洗的效果，因为微米级的水喷射是很微弱的，在接触到加工件表面前，是很稳定的圆柱形。
在使用LMJ切割时，部分高速喷射偏离形成薄水膜覆盖在样本表面。一旦切割样品，部分水膜会倒吸入真空卡盘。通常一部分水膜仍保留在芯片中间。当切割晶圆时，残留的水会蒸发，悬浮在水膜里的微粒于是接触到样本。但是，这些微粒污染比起其他传统激光技术是可以忽略的。

水膜装置
　　水刀切割工艺已经显示了良好的结果，再进一步开发新的更完善的系统，加工的晶圆洁净等级会大大提高。水膜装置保证了连续的水层，以一定的厚度覆盖在晶圆上。水层的存在防止了悬浮的微粒粘到晶圆的表面，在切割后清除水层同时也清除了悬浮的微粒。
通常低速水喷具的典型压力为0.5到2巴（接近大气的压力），喷嘴直径为0.5到4 mm。这种水喷射冲击到加工件的表面靠近切割点（激光水喷射击中的地方），形成一片水膜层区

水膜分为3个区域：
1. 区域1水膜的厚度由激光引导高速喷射的参数所决定，主要是流量。只有高速喷射形成区域1。
2. 区域2水膜的厚度（0.1到0.5 mm）主要决定于低速喷射的参数，即低速喷射冲击的角度（代表性45到90度）和它的输入压力。两个喷嘴形成区域2。
3. 区域3水膜厚度（0.5到5 mm）的形成取决于样品夹形状和液体的表面张力。
低速喷射出的液体适合特殊应用，加入缓冲液来调节PH值。液体膜通常可以保护晶圆表面的化学成分，保证晶圆避免受到静电的破坏（ESD）。另外一个优点是水膜装置实际形成的水，不会渗入晶圆表面区域1的液体膜内。
至少需要一个低速水喷源，当然也可以加入更多的水源。这有利于晶圆具有多个切割线，因为，实际上，固定芯片的真空装置会吸收水份，在整个切割过程中，从始至终都有吸力来清除水份。

定量微粒减少试验
　　下面的试验使用的是100μm 厚的裸硅晶圆，它在普通条件下放置了数周。试验之前，晶圆使用丙酮和异丙酮进行了擦拭，但是在光学显微镜下，仍可以看到有很多微粒。（见图4）

　　微粒记数使用的是LabView IMAQ视觉软件。图5显示一个输入图象和结果的例子。图6显示了没有使用水膜装置情况下的普通切割。切割参数是：激光的波长532 nm，平均功率24 W，脉冲循环是40 kHz；喷嘴直径50μm ；水喷压力350巴；芯片大小为2×2 mm2。
图6中可以看到微粒密度变化的用虚线表示的一条线。微粒密度产生变化取决于在切割完成后的水吸力。在切割完成时只有一部分水膜被清除，形成一个区域，少数微粒在切割点的附近，在此区域外由于粘合效应水滴存留，

　　比较最初的晶圆状态，微粒的数量没有增加。比较干切割和水膜切割，我们可以断定，使用水膜装置，微粒污染比使用普通的LMJ切割降低了至少90 %，比起其它激光切割，就更洁净了。这是第一次初步定量结果。要得到最后的分析结果，还必须使用非常洁净的晶圆，进行大面积的分析。

切割情况。
洁净样本的结果
在清除水层后，达到一个标准的清洁状态，在光学显微镜下没有发现污染物。为了详细证明，使用LMJ对三种不同的材料进行切割，然后确认表面质量，它们是：硅，砷化镓和金属。
行切割的样本。

硅 ―― 硅可以被完全切割或划线后折断。由图8可以看到材料的品质和洁净程度。显示对100μm 硅晶圆划线，使用Nd：YAG水刀激光器，波长为1064 nm，平均功率50 W，脉冲循环为50 kHz。喷嘴直径为40μm ，水刀激光束压力是400 bar。划线是以100 mm/s的速度一次性完成的。
砷化镓 ――（传统激光器切割砷化镓，会产生很多难以清除的碎片，甚至会破坏切割处临近的结构。使用水膜装置，可以保持砷化镓晶圆的清洁、无微粒。芯片污染物的等级与传统的切割工具的水平一样低，但是切割的速度要快得多。
　　使用Nd:YAG激光器完全切割薄砷化镓晶圆的结果，波长1064 nm，平均功率50 W，脉冲循环35 kHz。喷嘴直径为25μm，水压400巴。最终的切割速度是60mm/s。
金属 ―― 使用LMJ，金属可以被切割得很好。潜在的应用是不锈钢板钻孔。水喷射结合水膜装置可以避免沉积物，并且不会氧化。金属表面非常洁净。背面完全没有毛口，不需要后处理。
　　脉冲Nd:YAG激光器在薄不锈钢板（50μm ）上钻孔，波长1064 nm，平均功率55 W，脉冲循环700 Hz。水喷直径40μm ，水压300巴。平均钻孔速度是20,000孔/小时。

结论
　　在切割工艺中，污染是非常严重的问题。新装置的开发，完善了激光微射流所具有的清洗作用，使用薄水膜避免切割产生微粒的再沉淀很有效。水膜装置形成持续的水膜，即惰性液体膜，可以形成保护层对抗在加工过程中产生的微粒。大范围不同材料试验的结果表明，微粒的数量大大减少。加工的加工件很洁净，几乎不粘微粒。芯片污染等级低。

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