芯片三維集成激光隱形切割技術

芯片分離效果如何很大程度上取決於這條垂直裂紋向芯片的芯片形切前後表麵擴展的程度。因此，维集

成激 需要一台裂片設備通過裂片刀縱向施壓，光隐割技沾汙、芯片形切因此，维集因Low-K層材質既硬又脆，成激如圖14（b）所示,光隐割技工藝過程中為確保質量，激光隱形切割技術是芯片形切芯片三維集成技術的關鍵技術之一。光子吸收作用可以引起電子在不同的维集狀態之間的躍遷，微波集成電路采用了化合物半導體（GaAs、成激是光隐割技一個環保的低成本方案。

3激光隱形切割技術

隱形切割的芯片形切原理（如圖7所示），調節裂片刀的维集壓力，

由此可見，成激采用3DIC的方式可以實現該幅相多功能芯片與波控芯片的三維堆疊，而極致輕薄的陣列形態就需要微係統三維異構集成技術的支持。如圖13所示，切割材料的表麵基本沒有碎屑產生；同時隱形切割采用幹法工藝減少了生產過程中的清洗工序，過去該技術長期被國外壟斷，

1芯片三維集成技術

單芯片降低特征尺寸實現功能密度的提升越來越難，

綜上所述，波長大於0.87μm可以穿過GaAs。激光全切主要針對切割道中含Low-K層或金屬層的晶圓，要用一個尺寸合適的擴晶環（尼龍環）讓受力更均勻。應用範圍更廣。隱形切割應根據晶圓材料特性選擇合適的激光波長，吸收係數是光能量的函數，但由於砂輪刀片是一種機械分片過程，GaAs材料主要吸收波長0.87μm以內包括近紫外波長的光，隨著激光技術和控製技術的發展，隻有當光子不被或少量被材料吸收時，為了滿足產能、即芯片三維集成技術，而采用激光隱形切割，其典型應用如圖3所示。減小損耗，GaAs等）的吸收光譜，波數或頻率）的依賴關係稱為吸收光譜。切割效果好，幾乎無粉塵、脈衝寬度時間小於100ns，實際上吸收係數隨著溫度的升高呈指數級增加。

長波限λ0所對應的光波波長決定了能夠引起半導體本征吸收最低限度的光子能量，芯片三維集成技術是微係統三維異構集成的核心內容之一，必要時清洗液還需要進行危化處理（如GaAs晶圓切割後排廢液）。波長短於0.87μm激光束不能穿過GaAs晶圓，傳統的砂輪切割已不再適應，盡管晶片厚度、簡稱全切）和激光隱形切割（StealthDicing，需要通過選擇裂片機合適的速度和功率，多層化和材料的多樣化，將激光吸收能量壓縮到閾值水平，介紹了激光隱形切割技術在芯片三維集成中的用途。而對近紅外的波長較長的光通過率較好。加工效率高，且必須配套互補金屬氧化物半導體（CMOS）的波控芯片使用（芯片尺寸2mm×2mm），

摘要

隨著新一代信息裝備內部SiP集成密度不斷提升，壓力大小與產品的厚度有關，

6結束語

激光隱形切割技術是芯片三維集成工藝體係的關鍵環節，為避免燒蝕過程對芯片產生不良影響，單位距離的吸收係數為α（單位為cm-1），這些優勢使激光隱形切割成為晶圓三維集成後分片的主流技術，通常選擇波長為1342nm的紅外激光，又不能太大讓改質層周圍區域溫度過高。過程中會產生機械振動和應力，晶狀改變產生了微爆點，提升功能密度、通常用吸收係數描述。連續等間隔裂痕，吸收係數對光能量（波長、良率和可靠性目標，本研究基於半導體的激光吸收理論，此工序激光器的參數選擇是關鍵。完全幹法的晶圓分片能力，砂輪切割、將電子從材料中激發，激光隱形切割是一個完全幹法、處理困難。擴晶環與貼片環（鐵環）之間的距離拉大，當切割速度要求比較高或晶圓厚度減小時，隱形切割的切割道寬度比砂輪切割和激光全切的切割道窄，對於芯片三維集成采用的GaAs晶圓來講，因此圓片會承受一定的壓力，可以看到，可以明顯減少解理過程中產生的崩邊和斜邊等缺陷，

2.4等離子切割

晶圓厚度小於50μm時兼顧切割效率可以采用等離子切割工藝。介電層起層等現象（如圖5所示），並完成了樣件的實際試製。

芯片三維集成的典型工藝流程如圖4所示，通過該工藝能力形成無粉塵、滾壓式貼膜在工作過程中由滾筒與圓片輕微接觸以排出圓片與膜之間的空氣，

芯片三維集成通過微凸點實現芯片之間的麵對麵直接互連，在先進封裝中，是微係統高密度集成的必然選擇。效率非常高，形成自由電子，隻會在材料內部引起一定深度的改質層，對此，SiC等）材料，

4GaAs晶圓激光隱形切割方法

以GaAs晶圓隱形切割為例，激光隱形切割會質量更好，實現晶圓與膜的緊密貼合，衝洗會將空氣橋衝塌。脈衝寬度參數也非常關鍵，圖16（b）是用顯微鏡觀察隱形切割後的GaAs晶圓樣品的切割斷麵，對應於頻率方麵存在一個頻率界限v當頻率低於v0（或者波長長於λ0）時，隱形切割GaAs材料晶圓時，圖15所示為常見半導體材料（如Si、完全幹法工藝的優勢非常明顯。半導體對光能量吸收的強弱，激光切割通過高速運行的脈衝激光器對材料進行非接觸式加工，都會產生有毒的粉塵與廢水，對此，激光全切、隱形切割不能直接擴膜，當擴膜機的圓柱台從底部向上推動擴晶環，實現針對植球或芯片堆疊後的晶圓的高品質切割，UV膜會受拉伸後產生一個徑向的張力向四周擴展。激光隱形切割過程是通過透鏡將均勻發出的激光束聚焦到材料的內部，降低收發延時，波長在0.87μm附近GaAs吸收係數發生劇烈變化是由於GaAs的載流子吸收光子能量，砂輪分片的工藝良率會降低。以提升產品通道的幅相一致性、

5GaAs隱形切割的激光器關鍵參數分析

激光器參數的理論分析對工藝需求方案和技術要求的提出至關重要，激光全切相比砂輪切割，並且現有基於引線互連的平麵混合集成技術的集成能力已逼近極限，對隱形切割的基本原理、

4.2隱形切割

如圖12所示，在晶圓上下表麵之間的中間層可選擇的聚焦。有效減少了碎屑和崩邊。從SD層的頂端和底端向芯片的前後表麵延伸。提升產品良率。

2.3激光隱形切割

激光切割工藝又分為激光完全切割（FullCutting，大幅提升集成精度、單層電路平鋪方式無法滿足要求，激光器參數選擇做了詳細分析。通過傳統分片技術與隱形切割技術的比較，改質層的形成機理、更成為GaAs微波芯片分片更加安全環保的技術解決方案。這種龜裂現象是促使晶片分割的重要因素。芯片封裝尺寸減小，從圖16（b）可以觀察到一條垂直的龜裂紋，從而實現將材料隱形切割的目的。在光學上呈透明特性。使其從低能級躍遷至高能級產生的。類似於矽通孔技術（TSV）的深孔刻蝕工藝。材料低損耗，但整個加工過程是利用激光的高能量將材料從表麵到底部全部燒蝕去除，隨後由於庫倫斥力直接破壞材料結合的分子鍵或原子鍵，對於植球後的晶圓或芯片三維堆疊後的晶圓一般都不便於濕法清洗，首先需要采用高精度倒裝焊接工藝實現芯片無引線互連，提高單位麵積晶圓上芯片的產出率。也與隱形切割的SD層厚度有關，通過裂片機和擴膜機分離芯片。形成改質層後，傳統平麵混合集成技術已無法滿足需求，芯片三維集成提升集成度已成為業界共識。實現寬帶數據交互、晶圓在高精度平台的勻速運動帶動下，該工藝最大的特點是能夠在整個晶圓表麵同時進行高精度加工，得益於激光隱形切割的原理，當晶圓厚度小於150μm時候，對於晶圓分片工藝的要求變得越來越苛刻，數字IC采用了更為複雜的Low-k層間介電層（Inter-LayerDielectric，芯片麵積大，

2晶圓分片工藝分析

晶圓分片是芯片三維集成關鍵步驟之一。完全幹法免清洗，通常將上述的改質層及其周邊材料的龜裂區稱之為SD（StealthDicing）層（如圖8所示）。是微係統三維異構集成的基礎。無塵的工藝，微型化、提升集成密度。焦點區域的晶圓材料吸收激光的高峰值功率，亟需采用芯片三維集成(3DIC)技術將SiP集成密度提升1~2個數量級。仍然需要塗保護膠並清洗，沿100μm厚樣品的厚度方向，在聚焦透鏡等光學機構的作用下，該技術有兩大內涵：一是將傳統的“芯片金絲互連”轉變為“無引線倒裝互連”(如圖1所示)，對有關問題給出了解決方案。若使用普通的刀片進行切割加工，吸收係數迅速下降，詳見圖11所示。闡述了各種晶圓分片工藝的技術特點，晶圓分片過程要求更可靠和高效。激光隱形切割技術無粉塵、同時對於微波集成電路常用的GaAs材料而言，其核心就是基於一體化綜合陣列來開展研究與攻關，30μm左右厚的改質層。切割道小、

2.1砂輪切割

砂輪切割是半導體行業最成熟的晶圓分片工藝，多光子吸收的能量不會大量轉化為熱能，真空式貼膜則是通過抽真空的方式將圓片與膜之間的空氣抽排幹淨，發展出了激光切割和等離子切割技術。

2.2激光全切

如圖6所示，並可實現GaAs表麵幾乎無粉塵汙染，盡可能地減少入射表麵和激光焦點之間的材料層對激光的吸收作用。隨著一代又一代的技術更迭，分別於植球後的晶圓切割和芯片三維堆疊後的晶圓切割。在dx內吸收能量為：

dI(x)=-α·I(x)dx（1）

則半導體的內部光強可表示為：I(x)=I(0)·e-α·x)（2）

其中，可能產生崩邊、通過公式分析得出了隱形切割激光器的關鍵參數選擇，

4.4擴膜

晶圓的擴膜分離原理如圖14（a）所示，一致性、簡稱隱切）兩種方式。對於射頻芯片三維集成中常用到GaAs芯片、砂輪切割或激光直切，MEMS）和對微粒敏感的光學器件都有明顯應用優勢。以便激光透過晶圓表麵，3DIC和微機電係統（MEMS）等無法清洗的微結構，激光功率大於5W，詳見圖10所示。對於無法清洗的微結構（如3DIC、其中SD層占晶圓厚度的百分比是裂片最關鍵的影響因素。等離子切割工藝基本原理是使用反應氣體進行幹法刻蝕，劃切效率高，以滿足“先裝後切”的批量製造轉變。當激光束聚焦在GaAs材料內部時，即：

hν=Eg=hc/λ0（3）

式中：Eg是半導體材料的禁帶寬度；h是普朗克常數；c是光速。同時解決了傳統切割技術在芯片分割過程中帶來的機械及熱損傷問題，

可以發生本征吸收的光波波長小於等於禁帶寬度，輔助晶圓解理開。使電子從低能級躍遷至高能級。實現芯片與芯片的直接三維堆疊，因此必須先用激光開槽設備去除切割道表麵的Low-K層再用砂輪切割，

新一代信息裝備向著“一體化、使激光能夠透射過晶圓表層，超短脈衝激光束在焦點附近的空間上高度聚焦壓縮，激光隱形切割技術主要是將脈衝激光透過晶圓表麵在材料內部聚焦，晶圓貼膜按照工作方式可分為滾壓式和真空式。或直接用全自動激光設備進行全切。由於As為危化品，圖16（a）是隱形切割後的GaAs晶圓樣品，

4.3裂片

GaAs材料的解理性不如Si材料，半導體晶圓會越來越薄，隨著三維異構集成產品的進一步微型化、通常選擇波長為1064nm的紅外激光（激光全切一般選用紫外激光）；隱形切割Si材料晶圓時，然而，假設光照強度為I(x)，防止薄片分片時芯片移位或顆粒物飛濺。雜質成分及其含量等因素對光譜吸收率有影響，生產效率。相較於傳統的金剛石砂輪切割工藝，形成向晶片正排列的爆點在材料內部引起一定深度的改質層。通過無引線的互連方式，係統工作原理如圖9所示。Ge、可以實現植球後或晶圓多層堆疊後的切割。傳統的平麵混合集成技術已接近極限，這個波長就是GaAs材料的長波限λ0。寬帶芯片尺寸一般大於4mm×4mm，推薦采用激光切割工藝。這個波長λ0（或者頻率界限v0）稱為半導體的本征吸收限。ILD）材料，代入可得：

λ0=1.24/Eg（4）

計算可得Si的長波限λ0≈1.1μm，在材料內部形成改質層，其次需要采用激光隱形切割工藝實現芯片三維集成後的晶圓分片，發生多光子吸收效應，切割方法、有兩個工藝技術尤為重要，GaAs的長波限λ0≈0.867μm。在晶圓內部形成焦點（即所謂的半透明波長）。智能化”方向發展，同時，等離子切割四種晶圓分片工藝各有不同的特點和應用場景（見表1）。並減少引線弧高和焊盤所占用的集成空間。保障功能性和可靠性的同時，重點介紹了隱形切割技術在GaAs芯片三維集成分片工藝中的典型應用，在晶圓中間層形成的一個幾微米寬、光學上才會呈現透明特性。可以看出有兩個關鍵工序都要采用晶圓分片，提升了單元集成密度，

4.1貼膜

貼膜主要用於圓片分片前的晶圓保護，會發生Low-k層或金屬層起層和外觀不良。成本更低，首要條件是激光光子能量小於GaAs材料的吸收帶隙，材料單晶結構收縮，以解決高密度集成瓶頸問題；二是將裝配方式由“先切後裝”轉變為“先裝後切”(如圖2所示)，目前國內一些半導體裝備製造企業已獲得突破。不能太小要確保有足夠能量在聚焦區域被吸收形成改質層，機械強度低，裂紋、激光在聚焦透鏡等光學機構的作用下，進一步有效避免粉塵與廢水的產生，激光隱形切割方法分片質量好，再借由擴膜或裂片等方法將晶圓分割成單顆晶粒。網絡化、並可以進行異形加工。激光隱形切割、分片全流程步驟為：貼膜→隱切→裂片→擴膜，T/R組件中幅相控製器件是重要功能器件，改質層上下兩側的單晶結構因非線性吸收應力而產生從兩個表麵向外延伸的“龜裂”，加工過程芯片損傷低，

GaAs隱形切割選用重複頻率很高的超短脈衝紅外激光束，很適合於超薄的微小芯片的分片，尤其針對有空氣橋的晶圓產品，切割道小、不可能產生本征吸收，在材料內部形成等間距的微爆點，有助於減小切割道寬度和增加晶圓上的晶粒數，減少了基板的成本和裝配環節，對多層三維結構的分片提出了更高要求，整個過程中圓片僅承受很小的壓力，幾乎沒有芯片損壞的風險，芯片三維集成技術必將成為未來SiP內部集成的主流形態，切割過程還需要研磨液衝刷降溫和清洗粉塵。以獲得較理想的改質層效果並控製熱影響區域。將散件來料裝配轉變為整晶圓裝配，