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MEMS晶圓切割方法—激光隱形切割

發布時間:
2020-04-16 09:28:35
作者:
半導體事業部 何杰
本篇文章屬于蘇州德龍激光股份有限公司(www.agen8.com)所有,如轉載請注明公司名稱和網址

    MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)即微電子機械系統,一般由微機械結構、微傳感器、微執行器和控制電路組成,MEMS是通過半導體工藝實現不同能量形式之間的轉換的一種芯片。根據能量轉換形式的不同,一般分為傳感器和執行器兩類,傳感器即感測到外界信號并將其轉換成所需的信號(一般是電信號)進行處理,應用有:慣性傳感器、硅麥克風等;執行器即將控制信號(一般是電信號)轉化為其他形式的能量(一般是機械能)輸出,應用有:光學系統、RF MEMS等。

    MEMS的制造主要采用Si材料,它與IC的不同在于,IC是電信號的傳輸、轉換及處理,而MEMS是電信號和其他形式能量間的轉換(以機械能為典型),所以在MEMS制造中往往需要利用半導體工藝在Si上制作懸梁、薄膜、空腔、密封洞、針尖、微彈簧等復雜的機械結構,這些微機械結構容易因機械接觸而損壞、因暴露而沾污,能承受的機械強度遠遠小于IC芯片。基于這樣的特點,MEMS晶圓的劃片方法不同于典型IC的劃片。典型IC砂輪劃片是通過砂輪刀片高速旋轉來完成材料的去除,從而實現芯片切割。由于刀片的高速旋轉,往往需要使用純水進行冷卻和沖洗,那么刀片高速旋轉產生的壓力和扭力,純水的沖洗產生的沖擊力以及切割下來的Si屑造成的污染都容易對MEMS芯片中機械微結構造成不可逆的破壞。所以典型IC的砂輪劃片不適用MEMS晶圓的劃片。
 


圖1 激光隱形切割在玻璃中的應用切割示意圖


    激光隱形切割作為激光切割晶圓的一種方案,很好的避免了砂輪劃片存在的問題。如圖1所示,激光隱形切割是通過將脈沖激光的單個脈沖通過光學整形,讓其透過材料表面在材料內部聚焦,在焦點區域能量密度較高,形成多光子吸收非線性吸收效應,使得材料改性形成裂紋。每一個激光脈沖等距作用,形成等距的損傷即可在材料內部形成一個改質層。在改質層位置材料的分子鍵被破壞,材料的連接變的脆弱而易于分開。切割完成后通過拉伸承載膜的方式,將產品充分分開,并使得芯片與芯片之間產生間隙。這樣的加工方式避免了機械的直接接觸和純水的沖洗造成的破壞。目前激光隱形切割技術可應用于藍寶石/玻璃/硅以及多種化合物半導體晶圓。

圖2 硅材料透射光譜的特性


    硅材料透射光譜的特性,見圖2,硅材料對紅外透過率很高,所以硅的隱形切割設備,通過選用短脈沖紅外激光器,將激光脈沖聚焦到硅襯底內部,實現隱形切割。激光隱形切割是非接觸式切割,解決了砂輪切割引入外力沖擊對產品破壞的問題。不過一般設備的激光隱形切割形成的改質層區域會使材料變得酥脆,還是會形成少量細小硅碎屑掉落,雖然碎屑數量遠少于砂輪切割,如前文所述,MEMS晶圓因為無法通過清洗的方法去除細小硅碎屑,故這些碎屑將對芯片造成破壞,影響良率。德龍激光生產的硅晶圓激光切割設備,見圖3,選用自制的紅外激光器和自主開發的激光加工系統,實現硅晶圓的隱形切割,該設備能夠很好的控制隱形切割后碎屑的產生,從而滿足高品質MEMS晶圓切割的要求,保證切割良率。德龍激光的硅晶圓激光切割設備自推向市場后,得到了國內多家量產客戶的認可和好評,設備在多個MEMS制造廠內批量切割諸如硅麥克風/電熱堆/陀螺儀等MEMS產品。實物切割效果圖見圖4。


  
圖3 德龍硅晶圓激光切割設備外觀圖



                                

圖4 MEMS產品切割效果圖




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