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切割晶圓及玻璃產品的現代技術與設備

激光制造網 來源:激光制造網2020-04-02 我要評論(0 )   

韓卓申科VS1, 2,伊凡諾夫VI3,呂鴻圖2, 4,納烏莫夫A S2, 4,王薇媛4摘要:由于需以各種非金屬半導體材料晶圓制造使用價值低之微電子產品,對其加工高精度及品質改善的...

韓卓申科VS1, 2,伊凡諾夫VI3,呂鴻圖2, 4,納烏莫夫A S2, 4,王薇媛4



摘要由于需以各種非金屬半導體材料晶圓制造使用價值低之微電子產品,對其加工高精度及品質改善的要求更為嚴苛,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雜之裝置的高效晶圓切割法,筆者透過實驗證明應用激光控制熱裂解法的效果,提出將該方法導入玻璃、硅、藍寶石及其他脆性非金屬材料精密切割的優勢與成果。


關鍵詞:微電子產品;激光切割半導體材料;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)


 


  俄羅斯科學與創新發展的趨勢為對微米和納米技術領域之研發,并將其結果導入生產。


  由于現代電子產品發展突飛猛進,使儀器和工藝設備尺寸縮小。微米和納米技術與制造微米、納米物體的方法直接相關,其尺寸至少在一個維度上不大于100μm100nm。為制造以微米和納米技術為基礎之電子產品,采用的是經充分驗證之材料及新材料,擁有廣大潛力能為特定應用取得可控制、有利的物理化學性質。


  用于生產半導體器件之傳統晶圓材料均屬脆性,而印刷其上的結構因物理特性加深后續生產制程難度。此外,精密器件加工復雜促使收益增加、開發更為繁復的結構,并優化半導體晶圓有效區域之應用,同時又要維持售價與運營成本。


  目前將晶圓分離成芯片的主要技術皆建立于機械與激光切割基礎上,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和方法,闡述芯片品質研究結果,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品的應用[5]。


1  現有晶圓切割技術與設備分析


  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。


  半導體晶圓機械劃線直至1990年代未曾改變[6],刀具有硬質合金刀輪、三角錐或四角錐臺等形式,皆以鑽石及其他硬質合金製成,因耐磨性最佳。機械劃線用角錐的稜劃線,輪流標示刻槽,此法的應用受限于有如應力集中系數k之標準,透過施加彎矩決定在表面的最大彎曲應力,可經下列公式計算:


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力愈大??赏高^增加劃痕深度減少所需的彎曲應力,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及其機械強度。


  半導體晶圓機械劃片和分割的設備廠商有法國JFPCefori、臺灣愛玻麗工業、英國Loadpoint等公司。


  在生產中最簡易的晶圓切割法為鉆石圓盤鋸片切割。當切割深度不超過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,或用配備雙軸之機器。根據不同任務,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現寬度20 μm的鋸痕,然而,卻更常出現寬度達250 μm的鋸痕,關鍵在于刀片材料、鉆石顆粒粒度和密集度、旋轉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,如下列關系式:


(2)

  其中,Km:(用來說明材料性質的)系數;W:轉數;Vcut:切割速度;mn:常數。



  強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速,此時產生之離心力會給予額外的硬度,但隨著轉數增多,鋸片刀刃產生振動,流體力學過程加強,也會導致切割區域缺陷數量、大小皆增加。


  制造切割晶圓的外刀刃鉆石圓盤鋸片設備和工具廠商有:ESTO(俄羅斯)、PLANAR(白俄羅斯)、Loadpoint(英國)、ADT先進切割科技(以色列)、迪思科及東京精密(日本)等。


  相較于機械法,透過激光劃線及切割晶圓的方法仍處于發展階段。隨著晶圓直徑加大、激光器更為便宜且產能增長,其生產優勢也顯著提升。


  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,為材料內部能量分布增加所致。然每一發脈沖燒蝕深度的增加會引發如熔化、裂紋、非晶化和殘余應力積累等熱影響。將晶圓分離為芯片時,這些熱影響導致芯片強度降低,損壞表層薄膜與敏感的電子器件。


  激光劃線時,切割道寬達2.5100 μm,取決于輻射源、光學儀器及其他輔助系統;而速度變化可在5300 mm/s范圍內,決定性因素為加工材料之性質、厚度及其他參數。為順利對劃線之材料進行機械劈裂,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即有激光劃線和激光切割非金屬材料設備介紹[14]。


  有一項新技術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出來并取得專利之「隱形切割法」在晶圓切割實際應用上前景可期。此方法是將部分透明的激光光斑聚焦在板材內部接近晶圓表面之處,并沿著預定方向對材料引發可控制的破壞。當材料內部具備的功率密度足夠,會形成一條微裂紋、點缺陷的線,與制作紀念品的玻璃半成品內部3D激光打標雷同[15],且如同任一種劃線法,施加內部缺陷后必須再進行劈裂作業。


  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點,而被視為理想的晶圓切割解決方案。據各方資料顯示,隱形切割速度可高達600 mm/s,關鍵因素在于材料及其厚度、激光器功率參數。


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發明LCT[16],過去用于制造光電子玻璃產品。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展,并應用各科技領域。許多關于LCT法應用的出版品,以及發展該方法與制造成套工藝設備的專利[1-4]皆可證實該論點。


  LCT制程基礎是激光光斑沿晶圓切割線進行加熱,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生顯著的壓縮應力,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致表面層產生拉伸應力,才得以使裂紋推進(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1050%處)形成微裂紋,或是直接切穿。此外,相較于傳統方法,切割速度也提高了多個數量級──厚度較薄的產品速度更可能超過1000 mm/s;由于前述性能,全世界首次將激光切割導入浮法玻璃之生產[17,18]。浮法玻璃系指鋪在錫液表面上的熔融玻璃,全球多達80%平板玻璃皆以該方式制成,其切割通常采機械法,形成之微裂紋及其他缺陷致使強度下降50~60%。


  LCT法除了生產效率極高、絕無缺陷(裂紋或缺口)之外,強度亦高于傳統方法五倍之多[19, 20]。材料不論厚薄均能以LCT技術切割,如厚達20 mm玻璃或僅50μm之薄藍寶石晶圓[21-23]品質均優。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。如由莫斯科廠藍寶石開放式股份公司生產的RT-350RT-500激光控制熱裂解設備[25-27]用于晶圓切割,即為實現此方法之一例。


  運用LCT法切割脆性材料時,邊緣強度比機械或激光劃線高出5~5.5倍,且不會對集成電路的技術操作參數產生負面影響[28-30]。相對于傳統切割法無疑具有極大優勢,但以LCT法沿交叉線切割有一定難度。LCT后高強度、無缺陷的晶圓斷面阻止裂紋在原切割線相交處推進,因而開發出得以克服此限制之方案,并獲取專利權[3, 4]。


  韓卓申科教授是鴻??萍技瘓F的科學顧問,該集團為生產蘋果公司電子產品及旗艦小配件的全球領導者。利用LCT法開發切割玻璃及藍寶石產品的技術設備為其主要合作方向。鴻??萍技瘓F2007年即成立研究生產車間,后發明以萬用技術設備執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等移動設備相似的防護屏(如圖2。


圖2 移動設備防護屏

 

  俄羅斯綠城TM激光和設備公司根據與專利權人簽訂之許可協議,導入在俄應用LCT技術所累積的經驗。2014年出產之MLP1-1060/355試生產設備(如圖3)即適用于藍寶石與其他脆性非金屬材料晶圓LCT切割[34]。

 

3 俄羅斯設備MLP1-1060/355


  LCT法切割晶圓后所得之藍寶石芯片斷面照片進行比較(如圖4),可見LCT明顯優于其他熟知的競爭技術;其切割速度介于30500 mm/s間,視藍寶石厚度(301000 μm)而定。一般來說,藍寶石在一個工藝周期內即一刀切穿,僅在某些情況下會于占材料厚度1030%處先行作出初始微裂,再以激光或機械劈裂完成切割,如藍寶石防護屏閉環切割便建議依前述方式操作。

圖4 厚110μm的藍寶石芯片斷面


  接續探討以LCT法解決有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode,以下簡稱OLED)硅晶圓切割質量的問題,尤以生產微型顯示器為主[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高。


  OLED微型顯示器領域的先驅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,采行傳統方法將硅晶圓切割成芯片,然即便最佳工藝參數也無法對OLED芯片進行品質管理,因而借助LCT開發新的激光切割法,可由反面加工用防護玻璃封裝之硅晶圓。以感光度范圍介于1460~1625 nm(硅透射率?55%)的紅外線攝像機沿切割線瞄準,以便識別硅晶圓工作面上用于對位的參考標記。硅經韓卓申科切割法一刀切穿后OLED結構不會受損[38,39],切割時不致過熱,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進行比較,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  結論


LCT法導入生產以半導體晶圓為基底的防護屏、顯示面板和現代電子產品等制程,可提高生產率及合格率。此成果來自LCT法相對于競爭技術之主要優勢,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數量級。


(二) 由于邊緣無缺陷,與傳統技術相比,LCT之后產品機械強度高出5倍之多。

(三) 制程速度快,實際能力較其他方法高出數倍。


(四) 晶圓工作表面上各元件和結構不會惡化或改變。


如今,韓卓申科切割法創始人及支持者持續在各行業和研究中將此技術發揚光大,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,以及新一代設備之開發、拓展與導入。

 

 

1俄羅斯科技大學物理與技術學院光學暨生物工程系統與技術教研室,莫斯科 107996

E-mail:vsk1950@mail.ru

2國際技術科學院,莫斯科 127051

3有機和印刷電子技術股份有限公司,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驗室,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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晶圓切割LCT切割韓卓申科切割法

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