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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)展的趨勢為對微米和納米技術(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，以下簡稱LCT）[1-4]及其在制造各式電子產(chǎn)品的應(yīng)用[5]。
1 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JFP及Cefori、臺灣愛玻麗工業(yè)、英國Loadpoint等公司。
在生產(chǎn)中最簡易的晶圓切割法為鉆石圓盤鋸片切割。當(dāng)切割深度不超過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)，圓盤厚度為0.02～0.32 mm（20～320 μm）不等。鉆石圓盤切割之目的旨在實(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，Km：（用來說明材料性質(zhì)的）系數(shù)；W：轉(zhuǎn)數(shù)；Vcut：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)過程加強(qiáng)，也會導(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鋸片設(shè)備和工具廠商有：ESTO（俄羅斯）、PLANAR（白俄羅斯）、Loadpoint（英國）、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，其生產(chǎn)優(yōu)勢也顯著提升。
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)。為順利對劃線后之材料進(jìn)行機(jī)械劈裂，劃線深度必須超過材料厚度的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)是用激光透過熱沖擊對材料引起可控制的破壞。約莫13年前，由日本濱松公司開發(fā)出來并取得專利之「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)。
2 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使外層產(chǎn)生顯著的壓縮應(yīng)力，但不會造成斷裂。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）。
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──厚度較薄的產(chǎn)品速度更可能超過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，且不會對集成電路的技術(shù)操作參數(shù)產(chǎn)生負(fù)面影響[28-30]。相對于傳統(tǒng)切割法無疑具有極大優(yōu)勢，但以LCT法沿交叉線切割有一定難度。LCT后高強(qiáng)度、無缺陷的晶圓斷面阻止裂紋在原切割線相交處推進(jìn)，因而開發(fā)出得以克服此限制之方案，并獲取專利權(quán)[3, 4]。
韓卓申科教授是鴻海科技集團(tuán)的科學(xué)顧問，該集團(tuán)為生產(chǎn)蘋果公司電子產(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)車間，后發(fā)明以萬用技術(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LCT明顯優(yōu)于其他熟知的競爭技術(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。一般來說，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，以下簡稱OLED）硅晶圓切割質(zhì)量的問題，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）、索尼（日本）、MicroOLED（法國）、奧雷德（中國）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)也無法對OLED芯片進(jìn)行品質(zhì)管理，因而借助LCT開發(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)，以便識別硅晶圓工作面上用于對位的參考標(biāo)記。硅經(jīng)韓卓申科切割法一刀切穿后OLED結(jié)構(gòu)不會受損[38,39]，切割時(shí)不致過熱，斷面光滑，而邊緣也毫無缺陷。
將鉆石圓盤鋸片及LCT切割后之芯片斷面品質(zhì)進(jìn)行比較，并以型號XP-200的Ambios（美國）表面光度儀測量芯片工作斷面的表面粗糙度（如圖5），鋸片切割后為Rа= 23.407 μm，而LCT后則不大于Rа~0.005μm。
圖 5 芯片斷面照及其表面輪廓圖
3 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。此成果來自LCT法相對于競爭技術(shù)之主要優(yōu)勢，即：
(一) 沿切割線無缺陷，可由粗糙度值證明，通常超越競爭對手多個(gè)數(shù)量級。
(二) 由于邊緣無缺陷，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 107996
E-mail:vsk1950@mail.ru
2國際技術(shù)科學(xué)院，莫斯科 127051
3有機(jī)和印刷電子技術(shù)股份有限公司，莫斯科 107497
E-mail:ivi061@gmail.com
4英屬開曼群島商納諾股份有限公司材料激光加工實(shí)驗(yàn)室，臺北11493
E-mail: jasber@nanoplustech.com（呂鴻圖）
lasercutan@163.com（納烏莫夫 A S）
wynadya@nanoplustech.com（王薇媛）
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