杨万波
武汉光谷量子技术有限公司 湖北武汉 430223
摘要：本文主要探究硅晶圆切割工艺。研究过程中，以激光隐形切割工艺为例，选择8寸硅晶圆，厚度450μm，99.9%纯硅为试验材料，光纤激光器为试验设备，结果表明激光功率、焦点位置、激光频率、光板重叠率、速度及加工次数均会影响切割效果，需结合实际情况，设置切割参数，从而为相关工作者提供参考。
关键词：硅晶圆；激光切割；切割工艺
前言：
硅晶圆作为常见半导体材料，采用单晶硅，纯度要求超过99.9999%，硅晶圆器件已经应用至各个领域，生产总量惊人。传统切割方式主要应用高速金刚石片进行接触式切割，易产生切割崩边、微裂纹大的情况，且刀轮多为U型与V型结构，无法做到刀片无限薄，不符合超窄切割道硅片需求。因此，在硅晶圆切割中，应当采取非接触式的激光切割加工工艺，以完成脆性材料加工。
1试验设备与方法
1.1试验材料
半导体晶圆材料选用单晶硅，试验中选用材料是8寸硅晶圆，厚度450μm，为99.9%纯硅。
1.2试验设备
试验设备选用光纤激光器（见图1），脉宽可变，波长1064nm，频率50-1000k，采取旁轴与同轴分别检测切割道与裂纹的机器视觉[1]。
图1 试验设备
1.3试验方法
本文采取隐形激光切割方式：（1）激光切割，完成后硅晶圆内部形成改质层，表面产生裂纹；（2）扩片，使用扩片机分开晶圆颗粒[2]。隐形切割作为特殊加工方式，激光波长超过1000nm，否则会提高吸收率导致硅材料表面吸收激光，无法使其进入内部。
2工艺参数分析
2.1激光功率
本次试验中，激光器功率通过镜片反射，衰减器衰减及聚光镜损耗后，透过效率约为90%，后续功率讨论均为激光器至表面材料功率。硅材料吸收激光波长1064nm效率较低，但聚焦光斑通常处于1-3微米范围，具有较大功率密度，通过试验测试可形成内部改质层，功率处于0.2-1.8W时不会破坏材料表面。
2.2焦点位置
材料表面聚焦激光中，空气折射率较低，实际焦点与理论焦点位置重合，硅材料由于折射率为3.87，透过硅片表面，激光会进入内部产生折射，Z轴方向非垂直入射将会偏移焦点。本次试验中，设置激光功率1W，扫描激光速度300mm/s,根据不同焦点实测切割光斑位置，获得位置对比见表1。
表1 实际焦点与理论焦点位置
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折射率影响了激光进入硅片的焦点，产生焦点偏移情况，所以实际加工中需根据硅片类型测试偏移焦点规律，以制定切割参数。
2.3激光频率、光斑重叠率、速度
激光主要是以脉冲模式工作，切割中光斑重叠率作为关键参数，重叠率是指光斑相邻重叠面积为光斑面积百分比，对切边切割深度与光滑度具有影响（见图1）。
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图1 光斑重叠率80%（左）和100%（右）状态
在光斑重叠率中，80%重叠率表明部分区域难以完全分离，100%重叠率具有良好裂纹直线度，所以，光板重叠率越大，则切割直线度质量也随之提升，光斑内部也会形成较宽改质层，提高截面光滑度。
2.4加工次数
不同厚度所对应的切割厚度也有所不同，切割次数不够，则无法使硅片底部自动裂开，手动掰开后则会影响整体形貌，进而导致切割失败（见表2）。
表2 硅片不同厚度切割次数
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在硅片厚度增大下，也增加了切割次数，根据实际测试，硅片内部每次激光造成的改质层深度为30-45μm，切割深度不同的硅片，则需要自下而上逐渐进给激光，距离等同于改质层深度，进而引导切割裂纹达到硅片表面。
3结论与讨论
隐形切割是指通过激光器发出特定波长激光，借助高数值孔径透镜在晶圆内部聚焦，使单晶硅改质，释放应力实现分离。通过上述试验可获得结论如下：
（1）硅晶片激光隐形切割对于激光器无较高功率要求，约为0.2-2W，功率过低无法改质层，功率过高会将硅表面破坏，对激光透过率造成影响，无法实现隐形切割。
（2）加工次数和硅材料厚度有关，在厚度增加下次数也随之增加，硅切割最大厚度2mm，超过该厚度则会降低激光吸收率，难以控制焦点。
（3）焦点位置属于切割硅晶片的重点，也是设备常见提高竞争力的关键，通常使用激光位移传感器进行硅片高度与平面度检查，以此调整纳米电机，补偿高度差，方可获得最佳切割效果。
总结：综上所述，激光隐形切割在工业上应用较为广泛，可提高单晶硅切割质量。因此，应当结合实际情况，控制激光器功率为0.2-2W，选择300mm/s速度与80-120kHz的重复频率，控制硅厚度不超过2mm，且在厚度增加下增加切割次数，通过硅片类型测试偏移焦点规律，以制定切割参数，进而获得最佳硅隐形切割效果。
参考文献：
[1]殷明威.浅析管式微滤膜在半导体切割或研磨废水中的应用[J].科技经济导刊,2020,28(15):86+104.
[2]李方华.晶圆背面硅腐蚀研究[J].工程技术研究,2019,4(08):110-111.
作者简介：姓名：杨万波（1987年7月-），性别：男，民族：汉，籍贯：湖北宜昌，职务/职称：无，学历：本科，单位：武汉光谷量子技术有限公司，研究方向：主要从事半导体晶圆的研磨抛光以及切割工艺制程控制和研究，单位所在的省市和邮编 ：湖北省武汉市 430223