MEMS晶圆切割方法—激光隐形切割

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）即微电子机械系统，一般由微机械结构、微传感器、微执行器和控制电路组成，MEMS是通过半导体工艺实现不同能量形式之间的转换的一种芯片。根据能量转换形式的不同，一般分为传感器和执行器两类，传感器即感测到外界信号并将其转换成所需的信号（一般是电信号）进行处理，应用有：惯性传感器、硅麦克风等；执行器即将控制信号（一般是电信号）转化为其他形式的能量（一般是机械能）输出，应用有：光学系统、RF MEMS等。

MEMS的制造主要采用Si材料，它与IC的不同在于，IC是电信号的传输、转换及处理，而MEMS是电信号和其他形式能量间的转换（以机械能为典型），所以在MEMS制造中往往需要利用半导体工艺在Si上制作悬梁、薄膜、空腔、密封洞、针尖、微弹簧等复杂的机械结构，这些微机械结构容易因机械接触而损坏、因暴露而沾污，能承受的机械强度远远小于IC芯片。基于这样的特点，MEMS晶圆的划片方法不同于典型IC的划片。典型IC砂轮划片是通过砂轮刀片高速旋转来完成材料的去除，从而实现芯片切割。由于刀片的高速旋转，往往需要使用纯水进行冷却和冲洗，那么刀片高速旋转产生的压力和扭力，纯水的冲洗产生的冲击力以及切割下来的Si屑造成的污染都容易对MEMS芯片中机械微结构造成不可逆的破坏。所以典型IC的砂轮划片不适用MEMS晶圆的划片。

图1 激光隐形切割在玻璃中的应用切割示意图

激光隐形切割作为激光切割晶圆的一种方案，很好的避免了砂轮划片存在的问题。如图1所示，激光隐形切割是通过将脉冲激光的单个脉冲通过光学整形，让其透过材料表面在材料内部聚焦，在焦点区域能量密度较高，形成多光子吸收非线性吸收效应，使得材料改性形成裂纹。每一个激光脉冲等距作用，形成等距的损伤即可在材料内部形成一个改质层。在改质层位置材料的分子键被破坏，材料的连接变的脆弱而易于分开。切割完成后通过拉伸承载膜的方式，将产品充分分开，并使得芯片与芯片之间产生间隙。这样的加工方式避免了机械的直接接触和纯水的冲洗造成的破坏。目前激光隐形切割技术可应用于蓝宝石/玻璃/硅以及多种化合物半导体晶圆。

图2 硅材料透射光谱的特性

硅材料透射光谱的特性，见图2，硅材料对红外透过率很高，所以硅的隐形切割设备，通过选用短脉冲红外激光器，将激光脉冲聚焦到硅衬底内部，实现隐形切割。激光隐形切割是非接触式切割，解决了砂轮切割引入外力冲击对产品破坏的问题。不过一般设备的激光隐形切割形成的改质层区域会使材料变得酥脆，还是会形成少量细小硅碎屑掉落，虽然碎屑数量远少于砂轮切割，如前文所述，MEMS晶圆因为无法通过清洗的方法去除细小硅碎屑，故这些碎屑将对芯片造成破坏，影响良率。德龙激光生产的硅晶圆激光切割设备，见图3，选用自制的红外激光器和自主开发的激光加工系统，实现硅晶圆的隐形切割，该设备能够很好的控制隐形切割后碎屑的产生，从而满足高品质MEMS晶圆切割的要求，保证切割良率。德龙激光的硅晶圆激光切割设备自推向市场后，得到了国内多家量产客户的认可和好评，设备在多个MEMS制造厂内批量切割诸如硅麦克风/电热堆/陀螺仪等MEMS产品。实物切割效果图见图4。

图3 德龙硅晶圆激光切割设备外观图

图4 MEMS产品切割效果图

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半导体喜报！国产激光隐形晶圆切割技术，已领先世界！意义重大

图为中国激光晶圆切割机

在遭受了美国的半导体打压之后，中国如今已经意识到了半导体产业的重要性，正联合各方力量努力推进本国半导体产业发展，而就在前不久国产半导体行业再次传来喜报，一大关键技术取得了重大突破，原来中国企业成功开发出了国产的激光隐形晶圆切割技术，并打造出了目前全球切割精度最高的激光晶圆切割机，它的技术已领先全世界，切割精度达到了50纳米，比美国产品还高出近一倍，对于中国半导体产业来说意义重大，有专家表示在它获得突破之后，中国面临的难关就只剩光刻机一个了，摆脱美国制约胜利在望。

图为切割后的晶圆

这几年美国的制裁让很多人都开始关注半导体产业，而半导体芯片的制造非常复杂，需要大量设备和大量技术人才通力协作配合才能实现，光刻机只是其中的一部分负责，在已经制造好的圆形硅晶圆上蚀刻电路和晶体管，制作出芯片的雏形，而后晶圆还需要经过测试、切割和封装等多个流程才能加工成最终的产品，中国此次取得的突破就在晶圆的切割技术上，首先要知道的是芯片晶圆的面积远小于硅晶圆，一个硅晶圆上可以蚀刻成百上千片芯片，所有芯片都需要被切割下来才能进行封装。

图为切割后的芯片

芯片的制造精密度极高，切割也是如此，目前全球主流的芯片切割技术是激光隐形切割，这种技术可以将小功率的激光聚焦在一个直径仅有100多纳米的光斑上，形成巨大的局部能量将晶圆切割开，这样既可以避免大功率激光对成品芯片造成影响，又能实现高效率切割，而这次中国科学家成功研发出了目前全球切割精度最高的激光隐形晶圆切割机，最高切割精度达到了50纳米，比美国最先进产品高出了一倍还要多。

这款设备的突破意味着国产半导体产业的发展进入了新高度，此前中国半导体产业已经突破了几乎所有关键设备的研发，只剩下光刻机和切割机两款设备仍无法自行生产，2020年5月这家企业成功研发出了中国首台自主生产的晶圆切割机，而短短的一年多之后，这家公司又研发出了这台全球最强晶圆切割机，意味着晶圆切割这一技术难关已彻底被中国所攻克，光刻机是中国面临的最后阻碍了。

图为芯片晶圆测试

它的研发成功完美地体现了中国半导体产业实力的进步，虽然现在中国半导体仍然在遭受西方的制约，但中国这几年一直在加大力度扶持国内半导体产业的发展，曾经被认为难以攻克的很多关键设备如今都被中国一一攻克，曾经让西方所垄断的很多技术如今也已经被中国所掌握，国产半导体产业的胜利已近在眼前。

或许在不久国产光刻机诞生之后，西方半导体公司都将为曾经参与打压中国而后悔，虽然中国在很多技术上落后于西方，但凭借我们的人民的艰苦奋斗和万众一心精神，这些技术最终都将被突破和掌握，西方的任何封锁在中国人民的齐心协力面前都将被粉碎。

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