適用于超小尺寸半導體芯片的激光微納加工技術有哪些？

近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，微納加工技術逐漸成為半導體領域的重要工具。微納加工技術是一種基于微米和納米尺度的制造技術，可以制造出非常小的物品，例如：微米與納米級別的顆粒、線、薄膜等。該技術可以利用光刻、可控氣相沉積、離子束刻蝕等技術制造出微觀結構，這些結構可以形成半導體微器件、微機械系統(tǒng)、生物芯片、傳感器等高科技產品。

半導體芯片的小型化、智能化和低成本制造對于新型顯示、光通信、航空航天等領域的發(fā)展具有重要意義。半導體微納加工平臺主要涉及從清洗、光刻、刻蝕、擴散、鍍膜、后道等多步工藝及相關設備。為了提高電路系統(tǒng)的集成度，產業(yè)界對于半導體芯片的尺寸微縮化提出了更高的要求，但傳統(tǒng)技術難以滿足超小尺寸半導體芯片制造領域的微納加工、器件制造、系統(tǒng)檢測等發(fā)展需求，因此具有高精度、高效率特點的激光微納加工技術應運而生。目前適用于超小尺寸半導體芯片的激光微納加工技術有哪些？相對傳統(tǒng)技術而言，它們又具有哪些優(yōu)勢？

晶圓級半導體芯片切割

晶圓切割是半導體芯片制造中一道重要的工藝，屬于后道封裝的前序工藝。將整片晶圓按照芯片大小切割成單個芯片。切割方法分為傳統(tǒng)的金剛石刀片（砂輪）劃片和新型激光劃片。晶圓上的藍寶石襯底具有超高的硬度，因此采用傳統(tǒng)的金剛石切割技術在切割半導體芯片時具有較低的效率，并由此導致了高成本等問題，此外該技術的切割精度僅約為50 μm，無法滿足超小尺寸晶圓級半導體芯片切割的需求；采用傳統(tǒng)的等離子體切割技術時，盡管能夠實現較高效率和低成本的晶圓級半導體芯片切割，但該工藝具有的切割精度低、切割槽過大、切割過程中會產生有害氣體和電弧等問題，也不適合應用于半導體芯片制造領域；與傳統(tǒng)的金剛石和等離子切割技術不同，被認為是晶圓級半導體芯片理想切割工藝的紫外激光切割，可以通過聚焦光斑至晶圓表面，再通過高能量的光束實現半導體芯片切割，該過程中幾乎不會產生碎屑、切割成本較低，由于聚焦的光斑大小可調，因此該工藝還具有約為2.5 μm的超高切割精度，能在不損傷半導體芯片的情況下顯著提高切割效率和良率。常規(guī)的激光切割方式如圖1所示。

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圖1 晶圓級芯片紫外激光切割示意圖

激光剝離技術

激光剝離技術（LLO）通過脈沖激光輻照致材料燒蝕實現器件向終端基底的轉移。相比于化學剝離、機械剝離和離子束等其他高能束剝離，激光剝離技術具有能量輸入效率高、器件損傷小、設備開放性好、應用方式靈活等優(yōu)勢，已成為柔性電子器件制造的新興關鍵技術。

隨著柔性電子器件的蓬勃發(fā)展，激光剝離技術已經應用到多種類型器件的制造工藝中。生產中常用激光源為脈寬在納秒量級的紫外準分子激光或固體激光，激光能量密度多在102 mJ/cm2量級之內，可以保證厚度在幾十微米量級膜層的激光剝離效果，同時降低激光熱效應造成的剝離損傷。

通常情況下，襯底的導熱性、導電性不足會對半導體芯片的性能產生負面影響，進而阻礙顯示、通信等實際應用的發(fā)展。因此，實現將半導體芯片與藍寶石襯底分離的剝離技術吸引了人們的廣泛關注。目前，主流的半導體芯片和藍寶石襯底剝離技術主要包括以下三種：激光剝離法、化學反應剝離法和機械剝離法，由于化學反應剝離和機械剝離方法會引入化學試劑或碎屑污染，并且還面臨工藝效率低和高成本等問題，因此具有能量輸入效率高、器件損傷小、設備開放性好、應用方式靈活等優(yōu)勢的激光剝離方法，逐漸成為了柔性電子器件制造的關鍵一環(huán)。

圖3 半導體器件的激光剝離示意圖

半導體光電芯片缺陷檢測

半導體光電芯片的發(fā)光強度和均勻性，對于顯示應用的色域、亮度具有重要影響，因此，缺陷檢測技術的發(fā)展對于推進相關產業(yè)化進程也極具實際意義。傳統(tǒng)的電學檢測技術涉及扎針過程（將探針扎在芯片的電極上），因此會破壞半導體光電芯片的性能、影響實際的超高分辨顯示的產業(yè)化應用效果，并且隨著光電芯片的微型化，該過程的影響還愈發(fā)顯著，因此，采用激光實現半導體光電芯片的非接觸、高效率檢測吸引了人們的廣泛關注。如圖3所示為采用脈沖式激光實現微米級尺寸的micro-LED光電芯片（尺寸小于50×50μm2）的性能檢測示意圖：通過獲取基于特定波長激光激發(fā)的micro-LED發(fā)光光譜，可以分析micro-LED芯片的性能，進而實現正常性能micro-LED芯片的檢測和篩選；此外，搭載了微脈沖激光的激光檢測系統(tǒng)還能夠掃描去除不良的芯片，進而提高超高分辨顯示應用中的芯片良率。

圖3 采用脈沖式激光實現micro-LED光電芯片的性能檢測示意圖

激光修復集成式芯片

傳統(tǒng)的微米級修復技術具有高成本、低修復效率等缺點，因此難以實現集成電路中的半導體芯片修復，而激光修復技術具有的光輸出功率、光斑大小和穿透深度可調的優(yōu)勢，非常適用于集成電路制造過程中的電極金屬熔化/熔覆和損壞芯片替換。激光熔化技術主要采用高功率密度的激光，實現對金屬表面進行加熱和熔化，隨后通過材料基體的快速熱傳導和熱流模式將熔化的金屬快速固化，進而實現開裂電極的修復。

圖5 (a)集成電路及(b)微型顯示陣列的激光修復示意圖

總結與展望

激光微納加工是一種非接觸式、激光束能量及移動速度可調的高精度、高效率加工技術，可加工的材料包括具有高硬度、高脆性及高熔點特性的金屬、非金屬等。由于激光微納加工過程中不需要與半導體芯片進行直接接觸，不會產生作用于芯片的切削力，因此不會影響半導體芯片的幾何形狀；此外由于激光束的能量密度高、加工速度快，因此還非常適用于集成電路等具有宏量芯片的微納制造、加工和修復等領域，在與數控系統(tǒng)進行結合后，還能夠實現高效率、高質量、低成本的靈活加工。在未來，通過將激光器與人工智能檢測系統(tǒng)進行結合，實現半導體芯片的智能化加工、制造和修復，還將進一步賦能集成電路等領域的發(fā)展。

審核編輯：劉清