摘要：随着超薄晶圆的广泛应用，其断裂强度成为晶圆使用过程中，日益受到关注的重要性能参数。最近的研究结果表明，与对硅片的背面腐蚀相结合，通过喷出的水柱作为激光波导的划片方法得到的晶圆比传统的机械锯划片法得到的晶圆断裂强度高很多。

　　由于其卓越的性能，如热传导强、可弯曲以及在叠层封装中的应用，超薄半导体晶圆正受到越来越广泛的关注。按照目前的情况推测，在未来两年里，超薄晶圆的市场份额将从现在的5%提升到30%。然而，由于其脆性较强，在例如转移之类的关键工艺步骤则需要谨慎操作以保证成品率。因此需要超薄管芯具有较高的断裂强度。
　　管芯的断裂强度主要受到下述三步后道工艺的影响：背面磨平、应力释放和划片。应力释放的方法——通常使用化学机械抛光（CMP）、旋转腐蚀、干法刻蚀或干法抛光——可以部分去除由背面磨光工艺在硅片背面造成的损伤。另外，划片工艺通常会在管芯边缘造成额外的损伤。然而，由于背面磨光和划片两步工艺带来的损伤相互叠加，很难测量出每一步工艺对硅管芯造成损伤的程度。在使用如研磨锯等普通的划片工具时，这种情况就更加突出。
　　尽管激光被看作晶圆划片方法中最好的一种，但传统的激光划片法仍然容易引起热损伤和引入沾污。一种新的防止损伤的激光划片技术——喷水波导激光束法（或成为微喷激光法）——基本上不对硅晶圆造成额外的损伤，得到硅管芯的断裂强度比其他方法得到的高很多。

　　喷水波导激光法
　　喷水波导激光法是在激光通过一个压力调制的水腔时，将激光束聚焦在一个喷嘴上（图1）。从金刚石喷嘴中喷出低压水柱，在其水/空气界面处由于折射率的原因可以形成光波导，光波在水柱里传输时发生全反射，其传输原理同普通的玻璃光纤类似。
　　除了可以实现光波导的功能外，同传统的激光划片法相比，喷水方法的主要优点是可以有效地去除所有的熔化残渣（防止其蒸发后再次沉积在晶圆上），并且可以使切口的边缘迅速冷却，因此边缘的热损伤区几乎可以忽略不计。除此之外还需要说明的是，喷出的水柱对被加工部件造成的机械压力非常之低（小于0.1 N）。
　　这种方法需要使用脉冲持续时间小于100msec的闪光灯泵脉冲Nd:YAG激光或者波长为1064、532或355 nm的短脉冲Q开光激光。喷水柱需要使用纯去离子水和过滤的水，其压力需要调制在50-500 bar范围内。喷嘴使用的材料是蓝宝石或者金刚石，可以产生一条长且稳定的水柱;喷嘴开口的直径范围在25-100mm。由于喷出的水柱“像头发丝一样细”，该类激光器消耗的水量非常小——约1 L/hr。目前这种喷水波导激光划片法的主要应用领域是硅和其他半导体材料制造的微机械的划片。

　　管芯断裂强度测试
　　目前，发明这项喷水波导激光技术的Synova公司和Infineon Technologies公司正在进行一项合作研究，其目的是确定应力释放和划片这两部工艺对管芯断裂强度的影响。一系列不同程度磨平和腐蚀的晶圆分别采用研磨锯和激光微喷技术划开，之后测量这些管芯的断裂强度并对结果进行分析。
　　本次研究中使用的晶圆是6英寸的硅裸晶圆。在背面磨平之后，将已经不同程度减薄的晶圆腐蚀到相同的最终厚度（见表）。之后将晶圆划成15 mm2大小的管芯（图2）。每个晶圆一半使用研磨锯法划片，另一半使用喷水波导激光技术划片。

　　通过微喷激光法划片得到的划片沟槽深度占整个晶圆厚度的80%，其余的部分自然断开，并且这种方法可以得到最佳的断裂强度。红外纤维激光（波长1064nm，平均功率为50-60 W）需要与直径为50 mm的喷嘴配合使用，可以产生46 mm的水柱，划刻沟槽的速度是50 mm/sec。图3所示的是微喷激光法得到的沟槽表面情况——沟槽的底部非常的规整而且切口很干净。
　　最后，每一个划好的管芯（共49个）都采用三点弯曲法测断裂强度。在管芯的正面中心位置逐渐施加于管芯表面垂直的力，管芯的两端放置在两个平行的圆棒上，受力时管芯逐渐弯曲，当所施加力的强度达到其断裂强度时，管芯最终发生折断。每一组不同腐蚀程度的管芯取其断裂强度的平均值并将结果列在图4。
　　测试的结果显示了背面应力释放对管芯断裂强度的影响。事实上，当晶圆没有腐蚀时（即完全没有应力释放的情况），背面磨平产生的损伤比较大，相比之下，划片过程造成的损伤可以忽略不计了。然而，由于腐蚀过程减少了对晶圆表面的损伤，在背面磨平之后，由于划片工艺造成的损伤就比较明显了。腐蚀深度为10 mm的情况下，使用研磨锯和微喷激光法划片造成的不同就已经比较显著了，这时管芯的断裂强度都已经非常高了。虽然随着腐蚀的深度继续增加（25 mm），研磨锯和微喷激光法的差别还会继续增大，可以看到即便只需一点轻微的腐蚀就可以增加管芯的断裂强度。但由于大部分的应力都集中在管芯表面很薄层的区域内，因此更深的腐蚀是不必要的。

　　结论
　　近年来在硅精细加工领域，喷水波导激光技术的应用已相当活跃。这种工艺清洁，不造成额外的损伤，包括可以忽略划片过程中带来的发热和机械应力。在微喷激光划片工艺之前采用应力释放方法，得到的管芯其断裂强度是采用普通研磨锯划片方法的1.5倍。随着喷水波导激光划片法可应用材料范围的迅速扩大，如硅、GaAs、InP和SiC，可以预见这种方法将会成为晶圆划片工艺的主流技术。