本刊編譯整理

　　在快速發(fā)展的半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，精度和效率至關(guān)重要。隨著設(shè)備功能的不斷縮小，傳統(tǒng)的制造方法難以滿足對(duì)更精細(xì)結(jié)構(gòu)、更高產(chǎn)能和最小材料浪費(fèi)的需求。這正是激光微加工發(fā)揮關(guān)鍵作用的地方。

　　激光微加工能夠以傳統(tǒng)機(jī)械和化學(xué)工藝無法實(shí)現(xiàn)的規(guī)模，制造復(fù)雜的圖案、微結(jié)構(gòu)和精確改性。無論是用于鉆微孔、切割易碎基板，還是改進(jìn)光刻技術(shù)，激光技術(shù)都已成為當(dāng)下半導(dǎo)體制造商保持尖端性能和效率不可或缺的工具。

　　半導(dǎo)體制造中的激光微加工

　　激光微加工是一種非接觸、高度可控的工藝，它利用聚焦激光束在微米級(jí)精確去除或修改材料。這項(xiàng)技術(shù)在半導(dǎo)體制造中的優(yōu)勢(shì)，包括幾個(gè)方面。高精度：激光可實(shí)現(xiàn)微米和亞微米級(jí)的特征尺寸，這對(duì)先進(jìn)的半導(dǎo)體元件至關(guān)重要；非接觸式加工：與機(jī)械工具不同，激光不施加物理力，可減少應(yīng)力并消除工具磨損；熱影響最?。撼旒す饷}沖可最大限度地減少熱擴(kuò)散，從而避免損壞精密的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

　　材料多樣性：激光可加工硅、化合物半導(dǎo)體、陶瓷、聚合物和金屬，且污染最小；可擴(kuò)展性和自動(dòng)化：激光微機(jī)械加工可無縫集成到大批量生產(chǎn)線中，從而提高產(chǎn)量和收益。利用以上這些功能，半導(dǎo)體制造商通過激光微加工優(yōu)化生產(chǎn)效率，減少缺陷，并保持符合嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

　　激光微加工在半導(dǎo)體制造中的應(yīng)用

　　● 激光鉆孔，形成超精密微孔

　　傳統(tǒng)微孔加工技術(shù)主要包括機(jī)械加工、電火花、化學(xué)腐蝕、超聲波鉆孔等技術(shù)。這些技術(shù)各有特點(diǎn)，但已不能滿足微孔加工的更高需求。例如，機(jī)械加工對(duì)于高硬度、高脆性的材料效率很低，難以加工小于0.2mm的孔；電火花加工只能加工金屬材料。而半導(dǎo)體器件需要微孔——用于促進(jìn)層間電氣連接的微小互連孔。

　　隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，高精度微孔被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。其發(fā)展趨勢(shì)是直徑小、深度大、精度高、應(yīng)用范圍廣。激光微加工為鉆孔提供了最佳解決方案。這些優(yōu)勢(shì)包括高縱橫比：超快激光可鉆出多層半導(dǎo)體封裝所需的深窄孔；選擇性材料去除：激光鉆孔可確保在不同基底上實(shí)現(xiàn)精確的孔位置和直徑控制；清潔度更高：最小的碎屑和無毛刺孔邊提高了電路可靠性。

　　目前，激光鉆孔最常用的加工方法是振鏡掃描，可以是逐層圓掃描，也可以是螺旋掃描。然而，振鏡掃描的缺點(diǎn)是無法避免錐度。在制孔過程中，由于聚焦激光束的發(fā)散和多次反射，材料的燒蝕率會(huì)隨著孔深的增加而急劇下降。因此，在較厚的材料上制備具有較大縱橫比的微孔會(huì)更加困難。

　　因此，要獲得高深徑比（≥10:1）、高加工質(zhì)量、零錐度甚至倒錐度的微孔是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。針對(duì)這種需求，最合適的加工方法是使用旋轉(zhuǎn)切割頭模塊。旋轉(zhuǎn)切割頭不僅能使光束繞光軸高速旋轉(zhuǎn)，還能改變光束相對(duì)于材料表面的傾角β。通過改變β值，可以實(shí)現(xiàn)從正錐到零錐甚至倒錐的變化。目前，常用的旋轉(zhuǎn)切割頭模塊主要集中在四光學(xué)楔形掃描頭、多維棱鏡掃描頭和平行平板掃描頭。它們的光學(xué)原理相似，進(jìn)入聚焦透鏡的光束通過光學(xué)裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠揭坪蛢A斜。高速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使光束繞光軸旋轉(zhuǎn)。

　　綜上所述，激光旋轉(zhuǎn)切割鉆孔技術(shù)具有加工孔徑小、深徑比大、錐度可調(diào)、側(cè)壁質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。作為一種先進(jìn)的制孔方法，激光旋轉(zhuǎn)切割鉆孔技術(shù)與機(jī)械加工相結(jié)合，與電火花加工相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，有助于半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。

　　● 激光退火，提高半導(dǎo)體性能

　　半導(dǎo)體制造中，離子注入會(huì)破壞硅晶格結(jié)構(gòu)，需要通過高溫退火修復(fù)。退火是半導(dǎo)體器件制造最前端的一種熱處理工藝，用于降低硅電阻和激活注入晶體層的摻雜劑，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力松弛。退火是在添加金屬層之前進(jìn)行的，有助于為器件提供結(jié)構(gòu)合理的基礎(chǔ)。

　　但傳統(tǒng)爐管退火或快速熱退火存在熱預(yù)算高、熱擴(kuò)散大的問題，影響晶體管微縮。使用超短脈沖激光（納秒/皮秒級(jí)） 局部加熱硅片表面（僅幾微米深度），在極短時(shí)間內(nèi)（毫秒級(jí)）達(dá)到1000°C~1400°C高溫，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)退火，避免熱損傷。

　　具體來說，激光退火可在硅中形成高度活化的超淺結(jié)點(diǎn)，其邊界接近無擴(kuò)散。與基于燈管的短時(shí)間退火工藝相比，這種工藝能在產(chǎn)品晶圓中產(chǎn)生更均勻的溫度和應(yīng)力分布。這種先進(jìn)的退火工藝與同步、定時(shí)和電池壽命等器件性能直接相關(guān)。它還能降低漏電，提高產(chǎn)量。

　　隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)縮小到5納米和3納米，必須調(diào)整工藝以適應(yīng)更嚴(yán)格的熱預(yù)算。這對(duì)傳統(tǒng)的退火工藝來說具有挑戰(zhàn)性。器件的熱預(yù)算是一種時(shí)間/溫度計(jì)算。從本質(zhì)上講，溫度必須足夠高，以激活摻雜劑，但又不能太高，以免器件過熱。

　　另外，激光退火的主要優(yōu)勢(shì)在于其廣泛的可擴(kuò)展性和對(duì)不同應(yīng)用的適應(yīng)性。由于其獨(dú)特的硬件配置和實(shí)時(shí)過程控制能力，它長期以來一直是業(yè)內(nèi)大多數(shù)代工廠和IDM制造高性能邏輯器件的記錄工藝。激光退火還與應(yīng)變硅、硅鍺、高K和金屬柵等新材料兼容，并可擴(kuò)展到新的器件結(jié)構(gòu)。

　　例如，存儲(chǔ)器制造商已經(jīng)在DRAM應(yīng)用中使用激光退火，因?yàn)樗麄兠媾R著與邏輯制造商相同的挑戰(zhàn)。先進(jìn)的DRAM架構(gòu)需要更高的激活度和更淺的結(jié)，而傳統(tǒng)的退火工藝無法滿足這些要求。最后，激光退火還被證明有利于后端光刻應(yīng)用，例如取代熱板方法對(duì)光阻劑薄膜進(jìn)行退火處理。研究表明，烘烤法中由擴(kuò)散引起的線條粗糙度降低，從而使光刻圖案的圖像質(zhì)量更加逼真。

　　● 激光微調(diào)，精密校準(zhǔn)元器件

　　許多模擬和混合信號(hào)半導(dǎo)體器件都需要進(jìn)行制造后調(diào)整。在元件或電路制造的最后階段，電阻器微調(diào)采用激光燒蝕少量電阻器材料，通過減小電阻器的有效截面來增加電阻。厚膜和薄膜電阻器作為元件或電路的一部分制造，通常以陶瓷或硅為基底。薄膜電阻器的厚度通常小于1微米，而厚膜電阻器的厚度通常為10-30微米。

　　薄膜電阻器可以修整到更小的公差，并具有更好的穩(wěn)定性和溫度系數(shù)。厚膜電阻器的制造成本較低，如果防潮性能有問題或不需要更高的規(guī)格，則可使用厚膜電阻器。用于激光微調(diào)電阻器的切割或微調(diào)類型多種多樣。每種類型都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性，在選擇時(shí)要考慮到應(yīng)用要求、生產(chǎn)率、成本和預(yù)期公差。這些修整類型也可以組合使用。

　　目前，有部分企業(yè)可以提供飛針和探針卡測(cè)量選項(xiàng)以及定制測(cè)量解決方案。飛針系統(tǒng)非常適合產(chǎn)量低、混合度高的制造商，因?yàn)樗麄兿Ｍ苊馓结樋◣淼南拗?，以及制造和維護(hù)大量探針卡的高昂成本。對(duì)于大批量、低混合度的客戶來說，探針卡系統(tǒng)可提供盡可能高的速度。

　　被動(dòng)微調(diào)包括將單個(gè)電阻調(diào)整到所需的值，而主動(dòng)微調(diào)則改變整個(gè)電路的輸出，即傳統(tǒng)意義上的電壓、開關(guān)閾值或頻率。兩者都可用于紅外激光器和綠光激光器。有源微調(diào)器允許通過特定應(yīng)用的頂部探測(cè)、底部探測(cè)、飛針或定制夾具組合進(jìn)行測(cè)試連接。

　　總的來說，激光微調(diào)可通過有選擇地去除材料來實(shí)時(shí)調(diào)整電阻器、電容器和傳感器的值。這種高度受控的工藝可確保每個(gè)半導(dǎo)體器件都符合嚴(yán)格的性能規(guī)范，從而降低器件的變異性并提高總體產(chǎn)量。

　　● 激光打標(biāo)，用于可追溯性

　　在不斷發(fā)展的半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，精度和效率至關(guān)重要。激光打標(biāo)已成為硅晶片識(shí)別和可追溯性技術(shù)中不可或缺的多功能工具，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造中的元件識(shí)別和可追溯性。激光打標(biāo)是一種非接觸工藝，利用激光束改變材料表面，留下可見標(biāo)記。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)，用于標(biāo)記和識(shí)別硅晶片，是傳統(tǒng)標(biāo)記方法之外的一種高效、高精度的替代方法。

　　通過在晶圓和芯片上雕刻序列號(hào)、條形碼和QR碼，制造商可以確保質(zhì)量控制并遵守行業(yè)法規(guī)。激光打標(biāo)技術(shù)大大有助于優(yōu)化半導(dǎo)體制造工作流程。激光打標(biāo)的非接觸特性，降低了污染和損壞精密硅晶片的風(fēng)險(xiǎn)。這在潔凈室環(huán)境中尤為重要，因?yàn)樵谶@種環(huán)境中，即使是最輕微的雜質(zhì)也會(huì)影響微電子設(shè)備的性能。

　　晶片識(shí)別和跟蹤：激光打標(biāo)可直接在晶圓上提供永久序列號(hào)、批次ID和數(shù)據(jù)矩陣代碼。人類和自動(dòng)化系統(tǒng)均可掃描和讀取這些標(biāo)記，從而確保晶圓在整個(gè)生命周期內(nèi)的完全可追溯性；質(zhì)量控制和分類：激光標(biāo)記晶片可在質(zhì)量控制過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)晶片分類和分級(jí)。由于表面改動(dòng)極小，晶圓的結(jié)構(gòu)完整性也得到了保證。

　　目前，半導(dǎo)體制造中的激光打標(biāo)主要依靠Nd:YAG和CO2激光器等高精度激光源，在硅和其他材料上生成永久性、高對(duì)比度的標(biāo)記。這種非接觸式工藝是將激光束聚焦在晶片表面，引起受控反應(yīng)，改變材料，形成清晰、持久的標(biāo)記。

　　Nd:YAG激光器（1064納米）：是在硅晶片上創(chuàng)建精確、高對(duì)比度標(biāo)記的理想之選；CO2激光器（10600納米）：通常用于較大的標(biāo)記和條形碼，具有快速處理能力；紫外激光器（355納米）：適用于敏感半導(dǎo)體表面的超精細(xì)標(biāo)記，熱影響最小。

　　激光微加工的技術(shù)進(jìn)步

　　● 用于下一代半導(dǎo)體加工的超快激光器

　　飛秒激光器和皮秒激光器的引入徹底改變了半導(dǎo)體制造工藝。這些超快激光器具有以下優(yōu)勢(shì)：最小熱影響區(qū)。減少對(duì)敏感微結(jié)構(gòu)的熱損傷；更高的精度和控制。邊緣更銳利，材料完整性更高；加工速度更快，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)能生產(chǎn)線。

　　● 混合激光加工技術(shù)

　　激光加工領(lǐng)域的創(chuàng)新現(xiàn)在融合了混合方法，例如將激光微加工與增材制造、等離子刻蝕和離子束加工相結(jié)合。這種技術(shù)融合提高了效率，擴(kuò)大了可加工材料的范圍。

　　● 激光微加工中的人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)

　　人工智能驅(qū)動(dòng)的激光微加工工藝優(yōu)化是一種新興趨勢(shì)。通過利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，制造商可以提高精度和一致性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整激光參數(shù)。增強(qiáng)工藝自動(dòng)化，減少人工干預(yù)，降低生產(chǎn)成本。另外，還可以預(yù)測(cè)和預(yù)防缺陷，在異?，F(xiàn)象影響產(chǎn)量之前將其識(shí)別出來。

　　● 用于下一代集成的中間膜技術(shù)

　　中間件是異構(gòu)集成的關(guān)鍵推動(dòng)因素，可在硅或玻璃基板上以高密度和高精度組合芯片。先進(jìn)的封裝平臺(tái)：促進(jìn)復(fù)雜半導(dǎo)體元件的集成；硅和玻璃中間體：提供高速互連和更好的熱性能；對(duì)Chiplet架構(gòu)至關(guān)重要：支持向模塊化、可擴(kuò)展的半導(dǎo)體系統(tǒng)發(fā)展。

　　行業(yè)趨勢(shì)和市場(chǎng)增長

　　半導(dǎo)體行業(yè)正轉(zhuǎn)向更小、更強(qiáng)大的芯片，以滿足5G、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。這促使人們?cè)絹碓蕉嗟夭捎孟冗M(jìn)的封裝技術(shù)，其中激光微加工技術(shù)在創(chuàng)建超精細(xì)互連和微孔方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。另外，環(huán)保因素推動(dòng)了高能效激光技術(shù)的應(yīng)用，從而減少了材料浪費(fèi)和有害化學(xué)物質(zhì)的使用?；诩す獾母墒郊庸ぜ夹g(shù)，有助于滿足綠色制造計(jì)劃的法規(guī)要求。

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