原创 新一代品圆划片技木

2 激光划片顺势崛起

激光划片其实在多年前已被使用，光源多为1 064 nm的Nd：YAG，在某些低阶应用方面的品质尚可接受，但在集成电路的加工处理中，鉴于其过大热影响区、污染严重、热变形严重等缺陷，始终无法被认可。近年来，紫外激光技术渐趋成熟，其切割质量比l 064 nm的激光源改进很多，特别是在蓝宝石晶圆的划片应用中，其优势极为明显，已渐成为业界主流解决方案。在各类激光解决方案中，最为特殊且鲜为人知的则是世界专利之瑞士微水刀激光技术。该技术在许多方面的表现确有其独到之处，尤其在消除热影响区方面表现优异。微水刀激光划片技术已获得全球半导体封装大厂的认同和采用，特别是针对超薄晶圆、LOW-k晶圆、钻石披覆晶圆、二极管玻璃钝化晶圆、微机电芯片、复合晶圆以及异形晶粒的划片切割，都有不俗的表现。

3 微水刀激光科技

3．1 技术原理

几千年来"水火不融"的观念于1993年被瑞士杰出的科学家Dr．Bernold Richerzhagen打破。他巧妙地结合水刀技术和激光技术的优点，创造出微水刀激光(Laser Micro Jet)。更精确的说法是水导激光(Water Jet Guided Laser)。他将激光聚焦后导入比发丝还细的微水柱中，从而引导光束，并冷却工件，消除了传统激光热影响区(Heat Affected Zone)过大的缺陷。大大提高了激光切割的质量，因而非常适合半导体、医疗器材、电子、航天等高精密、高洁净要求的加工。

从图l可看出激光束(Laser Beam)由上方导入，经过聚焦镜及水腔(Water Chamber)的窗户进入，聚焦于喷嘴(Nozzle)的圆心．

低压纯净水从水腔左边进入，经钻石喷嘴（Diamond Nozzle)上的微孔喷出。由于喷嘴考虑到流体力学的设计，出来的水柱像光纤一样既直又圆。水柱的直径根据喷嘴孔径而异，一般比人的头发还细，有100～30 μm多种规格。激光被导入水柱中心，利用微水柱与空气界面全反射的原理，激光将沿着水柱行进。在水柱维持稳定不开花的范围内都能进行加工。通常有效的工作距离为喷嘴孔径的l 000倍。如喷嘴为100 μm，则其有效工作距离为1 00mm。这是传统激光所望尘莫及的，因为传统激光只能在焦点处加工。激光光源可选配不同的波长，只要该波长的能量不会被水吸收即可。精密加工常用的波长，1 064～355 nm。

另外，用于微加工的激光几乎都是脉冲激光(Pulsed Laser），传统激光不论是脉冲或连续，总会有能量残留在切割道上，该能量的累积和传导是造成烧伤切割道旁热损伤的主要原因。而微水刀激光因水柱的作用，将每个脉冲残留的热量迅速带走，不会累积在工件上，因此切割道干净利落。热影响区的困扰得到大幅改善。因此，Laser MicroJet技术才适用于半导体等高精密的应用。

3．2 特点

相对于传统激光，微水刀激光有很多显著的特点。如无热影响区(Zero Heat Affected Zone)，完全不烧伤工件，切割道干净利落、无熔渣、无毛刺、无热应力、无机械应力、无污染，极适合半导体、电子、医疗、航天等高精密器件切割加工。

微水刀激光适用于从金属到其合金的多种材料，如不锈钢、钛、钼、镁、镍、铜、Invar等，以及硅(Silicon)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等半导体材料，乃至碳化硅（Sic）、CBN、钻石、陶瓷、橡胶……软硬通吃。甚至可同时切割橡胶及不锈钢片而不烧伤橡胶层，这在传统激光是完全不可能的事情。

该项技术可用于切割、钻孔、挖槽、打印、表面热处理等多项极细微及复杂的形状加工。超薄硅片（Ultra Thin Silicon Wafer)切割速度比传统钻石刀快5～10倍，并且可以切任意形状，功能超强，在半导体芯片切割的应用上，突破了多年来芯片划片只能走直线的桎锢。从此设计者可以毫无限制地发挥其创意。

从图2、图3两张不锈钢切割的照片可清楚地看出热影响区(HAZ)大小所造成的差异。传统激光因热影响区过大，无法进行精微切割，大大限制了其应用领域。

微水刀激光(Laser Micro Jet)以其优异的断热切割技术，大幅开拓精密微加工的领域，催生了许多新产品、新工艺。

4 低介电系数材料和超薄晶圆的划片问题

原来只用于高阶产品的超薄晶圆(Ultra thin wafer)已经越来越普及，而且越来越薄。处理超薄晶圆不仅是Silicon substrate本身厚度的问题，在加上许多硬脆易碎及延展性高的金属Pad后，问题更加复杂。钻石刀片既使小心翼翼地切过Silicon substrate，但金属层的碎屑却可能包粘在钻石颗粒上，使切削能力大打折扣。此时若维持进刀速度，必然造成破片断刀的结果。各主要划片机厂，如Disco、TSK．等均转向激光，由此可见机械方式已经到了克服不了的困境。不幸的是激光也有激光的问题。在此，就钻石刀片，传统激光及微水刀激光的特性探讨如下：

4．1 钻石刀片

易造成wafer表面崩边或龟裂。遇金属层易断刀破片，切割速度慢，破片率高。但在切割Silicon substrate时断面平整，深度控制容易。在使用DAF(Die Attach Film)时可正好切穿DAF而不伤Blue Tape。

4．2 传统激光

传统激光(Conventional Laser)或称干式激光(Dry Laser)，因为热影响区的问题未克服，仅能用在低阶芯片，如太阳能芯片等。采用3倍频方式虽然有改善，但也只能划划线。如果切穿同样烧伤芯片和DAF及Blue Tape。

4．3 微水刀激光

可以轻易去除切割道表层材料及Silicon substrate。切割超薄片(50 μm)时速度比diamond saw快数倍。缺点为与干式激光同样会烧坏DAF，切割断面不如机械磨削光滑。

从上述看来各有所长，也各有缺陷。

4．4 解决方案

既然没有十全十美的方法，只好退而求其次。对Diamond Saw而言，难解决的是Wafer的表层材料。对微水刀激光而言，头痛的是会烧坏DAF。因此如各取所长，分成2个步骤处理，就差强人意。

首先用微水刀激光划浅浅的一刀，加工手段上称之为开槽(Grooving)，以清除切割道上所有的材料，不管是金属或易碎材料。微水刀激光可以选用与切割道(Cutting Street)同宽的喷嘴，像推土机一样一次推掉表层上各种找麻烦的材料，露出Silicon Substrate。再接着用Diamond Saw切穿silicon substrate和DAF，并刚好停在 Blue Tape表面上。

因为Grooving 只能去除表层几十微米的深度，微水刀激光可以250 mm/s的高速进行。就生产线的平衡来看，一台微水刀激光系统需至少5台以上Diamond Saw与之配合才消化得掉。

从设备投资的角度来看，这似乎是最有效益的方式。不仅不会因为引进新设备而闲置旧机器，反而会提高产能，真正相辅相成，相得益彰。

微水刀激光尚可从事异型晶粒切割，打通孔或盲孔等钻石刀具作不了的事情，见图4、图5。

5 瑞士喜诺发公司之半导体晶圆划片系列

全系列均配备高精度线性滑轨及CNC控制，TFT LCD触控萤幕及先进人机界面软件，CCD Camera，自动视觉瞄准，远端通讯诊断。可切任何形状品粒，如六角形，圆形和不规则形。

5．1 设备介绍

(1)LDS 200A/LDS：300A。LDS 200A/LDS：300A一全自动200 mm/300 mm硅片水刀激光切割系统，Cassette to Cassette，自动视觉系统对位，切割，清洁，进退料一气呵成。适合连续人量生产。住超薄硅片切割之表现比传统钻石刀切割方式快数倍。

(2)LDS 200C。LDS 200C一自动200 mm硅片水刀激光切割系统，人工或视觉系统自动瞄准，切割，切割完了自动以超纯水清洗，手动进退料，适合量产。

(3)LDS 200M。LDS 200M一手动200 mm硅片水刀激光切割系统，手动进退料，人工或视觉系统自动对准。切割，适合研究发展或少量多样生产形态用途。

(4)LGS 200。LGS 200为200 mm Cassette to Cassette水刀激光全自动硅片削边系统，特别适用于超薄硅片外圆之削边，大幅降低超薄片(Ultra thin wafer)之破片率，并可作钻孔(Hole drilling)，开槽(Slotting)，异型晶粒切割(Free shape chip dicing)等用途。

5．2 即将问世的混合机种

Synova （喜诺发）公司亦宣布和Diamond Saw颇富盛名的DISCO公司的子公司共同开发出结合钻石刀具和微水刀激光的混合机种。此混合机种将在晶圆划片技术上树力新的里程碑。该系统结合了2种技术的优点，并考虑到半导体晶圆新材料所延生的问题以及未来趋势，预期将可解决目前半导界在划片上的种种困扰，且让我们拭目以待。

6 结论

尽管己越来越多人注意到微水刀激光技术，无可讳言，绝大多数人还是对此很陌生。虽然在国内外已开发了许多应用，事实上有更大的应用市场尚待发掘，如果能对各行业现有的生产工艺加以重新检讨和思考，有没有那项工艺觉得不满意?有没有那些难解的企业疑难?有没有切不了，切不好的材料?有没有以为激光可以做的了，试过后却很失望的?我们觉得这些问题都包藏着商机，有问题的存在，解决方案才能彰显其价值。