硅晶圆激光多焦点隐切的光学系统设计开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1、课题背景

随着微电子产业的发展,无论是集成电路的封装还是芯片的制作,都对硅晶圆的激光划片和切割技术提出了更高的要求,有许多问题亟待解决。硅晶圆是半导体集成电路制作所用的硅晶片,是一种易碎材料。从提高经济效益的角度考虑,微电子产业制造厂通常在一块硅晶圆上制作许多个有相同功能的芯片阵列,并且在阵列之间留出一定的间隙,这个间隙称为切割线宽或者划片线宽。为了后续封装,再将单个芯片分离出来,这个过程就叫做硅晶圆的划片或者切割。显然,切割线宽越小,可有效利用的 晶圆面积越大;切割速度越快,工作效益越高;划片边缘损伤越小,芯片的可靠性越高。因此,切割或划片方式的选择和切割技术的研究和改进对产业的发展有重要的影响。

目前业界使用最普遍的晶圆切割方法是最传统的机械式的刀片切割技术,但是当晶圆厚度不断减小时,晶圆的脆性不断增加,在用刀片切割的过程中,由于难以承受高强度的刀片消磨,晶圆容易断裂,造成芯片破坏。同时,这种方法本身也存在一些不足:接触式切割的方法会使晶圆产生角崩和剥离;受到刀口尺寸的限制,切割宽度在100um以上,使晶圆有效面积变小;刀片会不定时断裂,再加上使用冷却液,增加了经济负担。此外,晶圆中加入低K介质后脆性增加,在使用刀片切割时更容易发生脱落、崩角、剥离现象。如果使用激光切割、划片技术,可以有效改善这些问题。

2、国内外研究现状

迄今为止,被广泛使用过的激光切割技术有传统激光切割技术,以及包括微水导激光切割技术、隐形激光切割技术、整形激光切割技术等在内的新型激光切割技术。

2.1 传统激光切割技术

传统激光切割技术使用的激光器波长从紫外到波长为10.6um的C02激光,脉冲宽度从微秒级到飞秒级,长波长的激光切割速度快,短脉冲的激光在切割时热效应区较小,但是脉冲越短的激光器价格越昂贵。国外有以C. Fornaroli 为代表的专家们,用波长为532 nm,脉冲宽度小于15 ps的激光来切割500 um厚的硅晶片。实验结果表明:切割宽度最小为17 um、有效切割速度最大为2. 5 mm/s。国内有王凯、梁庭、雷程等人利用CO2激光器对晶圆进行切割实验,研究了激光器频率、脉宽和切割速度对切缝的影响,最终切割速度能达到8mm/s,切面粗糙度满足要求,切缝小于 2mm。

传统激光切割技术的不足在于,由于材料与激光的热效应,晶圆中产生了微裂缝和热影响区,热影响区的产生减少了晶圆的有效使用面积,若微裂缝延伸到了芯片的保护范围,则影响芯片性能。为解决传统激光切割技术产生的问题,发展出了新型的激光切割技术。

2.2 微水导激光切割技术

微水导激光切割技术是一种新型的激光切割技术,用这种技术能减小热影响区。最先是瑞士Synova SA 公司在激光切割技术中运用了激光微水导概念,从而发明出了微水导激光切割设备。其设备由:光学聚焦系统、激光系统、激光在水柱中的全反射传播和压力水腔四部分组成。基本原理如图1所示:激光在一束水柱中通过全反射传播到工件上进行性加工,需要使用一束低压、超薄的水柱对激光起引导作用,同时在加工时起冷却作用,减小了激光加工的热影响区。

图1 微水导激光切割技术原理示意图

微水导激光切割是一种非接触式加工,水柱压力不大于0.1N,不会导致芯片断裂,而且与传统刀片切割相比,由于没有机械应力,切割过程中几乎没有产生微裂缝和裂口,也没有崩角、毛刺和碎片产生。

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