MEMS晶圓是怎么切割的？用高速砂輪刀片？NO,NO

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）即微電子機(jī)械系統(tǒng)，一般由微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器和控制電路組成，MEMS是通過(guò)半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)不同能量形式之間的轉(zhuǎn)換的一種芯片。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換形式的不同，一般分為傳感器和執(zhí)行器兩類，傳感器即感測(cè)到外界信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成所需的信號(hào)（一般是電信號(hào)）進(jìn)行處理，應(yīng)用有：慣性傳感器、硅麥克風(fēng)等；執(zhí)行器即將控制信號(hào)（一般是電信號(hào)）轉(zhuǎn)化為其他形式的能量（一般是機(jī)械能）輸出，應(yīng)用有：光學(xué)系統(tǒng)、RF MEMS等。

MEMS的制造主要采用Si材料，它與IC的不同在于，IC是電信號(hào)的傳輸、轉(zhuǎn)換及處理，而MEMS是電信號(hào)和其他形式能量間的轉(zhuǎn)換（以機(jī)械能為典型），所以在MEMS制造中往往需要利用半導(dǎo)體工藝在Si上制作懸梁、薄膜、空腔、密封洞、針尖、微彈簧等復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這些微機(jī)械結(jié)構(gòu)容易因機(jī)械接觸而損壞、因暴露而沾污，能承受的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于IC芯片。基于這樣的特點(diǎn)，MEMS晶圓的劃片方法不同于典型IC的劃片。典型IC砂輪劃片是通過(guò)砂輪刀片高速旋轉(zhuǎn)來(lái)完成材料的去除，從而實(shí)現(xiàn)芯片切割。由于刀片的高速旋轉(zhuǎn)，往往需要使用純水進(jìn)行冷卻和沖洗，那么刀片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力和扭力，純水的沖洗產(chǎn)生的沖擊力以及切割下來(lái)的Si屑造成的污染都容易對(duì)MEMS芯片中機(jī)械微結(jié)構(gòu)造成不可逆的破壞。所以典型IC的砂輪劃片不適用MEMS晶圓的劃片。

圖1 激光隱形切割在玻璃中的應(yīng)用切割示意圖

激光隱形切割作為激光切割晶圓的一種方案，很好的避免了砂輪劃片存在的問(wèn)題。如圖1所示，激光隱形切割是通過(guò)將脈沖激光的單個(gè)脈沖通過(guò)光學(xué)整形，讓其透過(guò)材料表面在材料內(nèi)部聚焦，在焦點(diǎn)區(qū)域能量密度較高，形成多光子吸收非線性吸收效應(yīng)，使得材料改性形成裂紋。每一個(gè)激光脈沖等距作用，形成等距的損傷即可在材料內(nèi)部形成一個(gè)改質(zhì)層。在改質(zhì)層位置材料的分子鍵被破壞，材料的連接變的脆弱而易于分開(kāi)。切割完成后通過(guò)拉伸承載膜的方式，將產(chǎn)品充分分開(kāi)，并使得芯片與芯片之間產(chǎn)生間隙。這樣的加工方式避免了機(jī)械的直接接觸和純水的沖洗造成的破壞。目前激光隱形切割技術(shù)可應(yīng)用于藍(lán)寶石/玻璃/硅以及多種化合物半導(dǎo)體晶圓。

圖2 硅材料透射光譜的特性

硅材料透射光譜的特性，見(jiàn)圖2，硅材料對(duì)紅外透過(guò)率很高，所以硅的隱形切割設(shè)備，通過(guò)選用短脈沖紅外激光器，將激光脈沖聚焦到硅襯底內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)隱形切割。激光隱形切割是非接觸式切割，解決了砂輪切割引入外力沖擊對(duì)產(chǎn)品破壞的問(wèn)題。不過(guò)一般設(shè)備的激光隱形切割形成的改質(zhì)層區(qū)域會(huì)使材料變得酥脆，還是會(huì)形成少量細(xì)小硅碎屑掉落，雖然碎屑數(shù)量遠(yuǎn)少于砂輪切割，如前文所述，MEMS晶圓因?yàn)闊o(wú)法通過(guò)清洗的方法去除細(xì)小硅碎屑，故這些碎屑將對(duì)芯片造成破壞，影響良率。德龍激光生產(chǎn)的硅晶圓激光切割設(shè)備，見(jiàn)圖3，選用自制的紅外激光器和自主開(kāi)發(fā)的激光加工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)硅晶圓的隱形切割，該設(shè)備能夠很好的控制隱形切割后碎屑的產(chǎn)生，從而滿足高品質(zhì)MEMS晶圓切割的要求，保證切割良率。德龍激光的硅晶圓激光切割設(shè)備自推向市場(chǎng)后，得到了國(guó)內(nèi)多家量產(chǎn)客戶的認(rèn)可和好評(píng)，設(shè)備在多個(gè)MEMS制造廠內(nèi)批量切割諸如硅麥克風(fēng)/電熱堆/陀螺儀等MEMS產(chǎn)品。實(shí)物切割效果圖見(jiàn)圖4。

圖3 德龍硅晶圓激光切割設(shè)備外觀圖

圖4 MEMS產(chǎn)品切割效果圖

來(lái)源:MEMS公眾號(hào)