适用于超小尺寸半导体芯片的激光微纳加工技术有哪些？

 

近年来，随着科技的不断发展，微纳加工技术逐渐成为半导体领域的重要工具。微纳加工技术是一种基于微米和纳米尺度的制造技术，可以制造出非常小的物品，例如：微米与纳米级别的颗粒、线、薄膜等。该技术可以利用光刻、可控气相沉积、离子束刻蚀等技术制造出微观结构，这些结构可以形成半导体微器件、微机械系统、生物芯片、传感器等高科技产品。

半导体芯片的小型化、智能化和低成本制造对于新型显示、光通信、航空航天等领域的发展具有重要意义。半导体微纳加工平台主要涉及从清洗、光刻、刻蚀、扩散、镀膜、后道等多步工艺及相关设备。为了提高电路系统的集成度，产业界对于半导体芯片的尺寸微缩化提出了更高的要求，但传统技术难以满足超小尺寸半导体芯片制造领域的微纳加工、器件制造、系统检测等发展需求，因此具有高精度、高效率特点的激光微纳加工技术应运而生。目前适用于超小尺寸半导体芯片的激光微纳加工技术有哪些？相对传统技术而言，它们又具有哪些优势？

晶圆级半导体芯片切割

晶圆切割是半导体芯片制造中一道重要的工艺，属于后道封装的前序工艺。将整片晶圆按照芯片大小切割成单个芯片。切割方法分为传统的金刚石刀片（砂轮）划片和新型激光划片。晶圆上的蓝宝石衬底具有超高的硬度，因此采用传统的金刚石切割技术在切割半导体芯片时具有较低的效率，并由此导致了高成本等问题，此外该技术的切割精度仅约为50 μm，无法满足超小尺寸晶圆级半导体芯片切割的需求；采用传统的等离子体切割技术时，尽管能够实现较高效率和低成本的晶圆级半导体芯片切割，但该工艺具有的切割精度低、切割槽过大、切割过程中会产生有害气体和电弧等问题，也不适合应用于半导体芯片制造领域；与传统的金刚石和等离子切割技术不同，被认为是晶圆级半导体芯片理想切割工艺的紫外激光切割，可以通过聚焦光斑至晶圆表面，再通过高能量的光束实现半导体芯片切割，该过程中几乎不会产生碎屑、切割成本较低，由于聚焦的光斑大小可调，因此该工艺还具有约为2.5 μm的超高切割精度，能在不损伤半导体芯片的情况下显著提高切割效率和良率。常规的激光切割方式如图1所示。

 

图1 晶圆级芯片紫外激光切割示意图  

激光剥离技术

激光剥离技术（LLO）通过脉冲激光辐照致材料烧蚀实现器件向终端基底的转移。相比于化学剥离、机械剥离和离子束等其他高能束剥离，激光剥离技术具有能量输入效率高、器件损伤小、设备开放性好、应用方式灵活等优势，已成为柔性电子器件制造的新兴关键技术。

随着柔性电子器件的蓬勃发展，激光剥离技术已经应用到多种类型器件的制造工艺中。生产中常用激光源为脉宽在纳秒量级的紫外准分子激光或固体激光，激光能量密度多在102 mJ/cm2量级之内，可以保证厚度在几十微米量级膜层的激光剥离效果，同时降低激光热效应造成的剥离损伤。

通常情况下，衬底的导热性、导电性不足会对半导体芯片的性能产生负面影响，进而阻碍显示、通信等实际应用的发展。因此，实现将半导体芯片与蓝宝石衬底分离的剥离技术吸引了人们的广泛关注。目前，主流的半导体芯片和蓝宝石衬底剥离技术主要包括以下三种：激光剥离法、化学反应剥离法和机械剥离法，由于化学反应剥离和机械剥离方法会引入化学试剂或碎屑污染，并且还面临工艺效率低和高成本等问题，因此具有能量输入效率高、器件损伤小、设备开放性好、应用方式灵活等优势的激光剥离方法，逐渐成为了柔性电子器件制造的关键一环。

图3 半导体器件的激光剥离示意图

半导体光电芯片缺陷检测

半导体光电芯片的发光强度和均匀性，对于显示应用的色域、亮度具有重要影响，因此，缺陷检测技术的发展对于推进相关产业化进程也极具实际意义。传统的电学检测技术涉及扎针过程（将探针扎在芯片的电极上），因此会破坏半导体光电芯片的性能、影响实际的超高分辨显示的产业化应用效果，并且随着光电芯片的微型化，该过程的影响还愈发显著，因此，采用激光实现半导体光电芯片的非接触、高效率检测吸引了人们的广泛关注。如图3所示为采用脉冲式激光实现微米级尺寸的micro-LED光电芯片（尺寸小于50×50 μm2）的性能检测示意图：通过获取基于特定波长激光激发的micro-LED发光光谱，可以分析micro-LED芯片的性能，进而实现正常性能micro-LED芯片的检测和筛选；此外，搭载了微脉冲激光的激光检测系统还能够扫描去除不良的芯片，进而提高超高分辨显示应用中的芯片良率。

图3 采用脉冲式激光实现micro-LED光电芯片的性能检测示意图

激光修复集成式芯片

传统的微米级修复技术具有高成本、低修复效率等缺点，因此难以实现集成电路中的半导体芯片修复，而激光修复技术具有的光输出功率、光斑大小和穿透深度可调的优势，非常适用于集成电路制造过程中的电极金属熔化/熔覆和损坏芯片替换。激光熔化技术主要采用高功率密度的激光，实现对金属表面进行加热和熔化，随后通过材料基体的快速热传导和热流模式将熔化的金属快速固化，进而实现开裂电极的修复。

图5 (a)集成电路及(b)微型显示阵列的激光修复示意图

总结与展望

激光微纳加工是一种非接触式、激光束能量及移动速度可调的高精度、高效率加工技术，可加工的材料包括具有高硬度、高脆性及高熔点特性的金属、非金属等。由于激光微纳加工过程中不需要与半导体芯片进行直接接触，不会产生作用于芯片的切削力，因此不会影响半导体芯片的几何形状；此外由于激光束的能量密度高、加工速度快，因此还非常适用于集成电路等具有宏量芯片的微纳制造、加工和修复等领域，在与数控系统进行结合后，还能够实现高效率、高质量、低成本的灵活加工。在未来，通过将激光器与人工智能检测系统进行结合，实现半导体芯片的智能化加工、制造和修复，还将进一步赋能集成电路等领域的发展。

审核编辑：刘清