摘要：  激光是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一門新興科學(xué)。它是一種具有亮度高、方向性好、單色性好等特點(diǎn)的相干光。

關(guān)鍵字：  激光，  微電子，  半導(dǎo)體

激光是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一門新興科學(xué)。它是一種具有亮度高、方向性好、單色性好等特點(diǎn)的相干光。

激光應(yīng)用于材料加工，使制造業(yè)發(fā)生了根本性變化，解決了許多常規(guī)方法無(wú)法解決的難題。在航天工業(yè)中，鋁合金用激光焊接的成功被認(rèn)為是飛機(jī)制造業(yè)的一次技術(shù)大革命。激光加工技術(shù)在汽車工業(yè)中的使用， 實(shí)現(xiàn)了汽車從設(shè)計(jì)到制造的大變化，優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)，減輕了汽車自重，最終使汽車性能提高，耗油量降低。激光精加工和激光微加工不僅促進(jìn)了微電子工業(yè)的發(fā)展，而且為微型機(jī)械制造提供了條件。另外，傳統(tǒng)加工方法大都為力的傳遞，因此加工速度受到限制，而激光加工更多地是光的傳遞，慣性小，柔性大，而且激光能量密度高，加工速度可以很快，激光加工被譽(yù)為“未來(lái)制造系統(tǒng)共同的加工手段”。總之激光加工技術(shù)在世界范圍內(nèi)的迅猛發(fā)展正在引起一場(chǎng)新的工業(yè)革命，最終使材料加工業(yè)從目前的電加工時(shí)代過(guò)渡到光加工時(shí)代 。

2012年在全球經(jīng)濟(jì)低迷不振的大環(huán)境下，激光器制造商在“經(jīng)濟(jì)余震”中所經(jīng)歷的不確定性和擔(dān)憂，在經(jīng)濟(jì)大衰退之后的幾年內(nèi)將依然存在。然而從長(zhǎng)遠(yuǎn)銷售預(yù)期來(lái)看，在很多幾乎不受地域或者全球性經(jīng)濟(jì)衰退影響的領(lǐng)域，激光正在作為一種成熟的、對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)發(fā)揮重要作用的技術(shù)，呈現(xiàn)出上揚(yáng)態(tài)勢(shì)。盡管預(yù)計(jì)全球債務(wù)危機(jī)將會(huì)限制2013年的某些資本設(shè)備支出，但是激光器有望憑借“能實(shí)現(xiàn)制造自動(dòng)化、提高效率、降低能耗，進(jìn)而使企業(yè)在經(jīng)濟(jì)風(fēng)暴中更具競(jìng)爭(zhēng)力”的優(yōu)勢(shì)脫穎而出。

半導(dǎo)體制造業(yè)發(fā)展迅速，“綠色”技術(shù)無(wú)疑具有光明的未來(lái)，這就要求有新的激光加工工藝與技術(shù)來(lái)獲得更高的生產(chǎn)品質(zhì)、成品率和產(chǎn)量。除了激光系統(tǒng)的不斷發(fā)展，新的加工技術(shù)和應(yīng)用、光束傳輸與光學(xué)系統(tǒng)的改進(jìn)、激光光束與材料之間相互作用的新研究，都是保持綠色技術(shù)革新繼續(xù)前進(jìn)所必須的。2013年激光技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)將會(huì)取得怎樣的成績(jī)呢?

半導(dǎo)體市場(chǎng)：黯然神傷

雖然智能電子設(shè)備組件的微加工將繼續(xù)為光纖激光器制造商帶來(lái)利好勢(shì)頭，但是主要依賴于半導(dǎo)體資本設(shè)備采購(gòu)的激光器制造商，將在2013年遭遇坎坷。

“隨著半導(dǎo)體行業(yè)從45nm轉(zhuǎn)向20nm甚至更高的節(jié)點(diǎn)，需要更多的制造步驟處理更多的層和新材料，這導(dǎo)致資本強(qiáng)度增加?！卑雽?dǎo)體設(shè)備暨材料協(xié)會(huì)(SEMI)行業(yè)研究與統(tǒng)計(jì)高級(jí)總監(jiān)Dan Tracy表示，“2010年和2011年，半導(dǎo)體行業(yè)在產(chǎn)能擴(kuò)充方面實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)挺恢復(fù)，同時(shí)也轉(zhuǎn)向了更加先進(jìn)的工藝技術(shù)。而2012年產(chǎn)能擴(kuò)張的減少，為半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)了更多不確定性，一些分析師預(yù)計(jì)2013年半導(dǎo)體行業(yè)的資本支出將出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)?！盩racy還補(bǔ)充道，半導(dǎo)體資本設(shè)備市場(chǎng)存在著周期性，最近報(bào)道的設(shè)備數(shù)據(jù)反映了2012年下半年更加低迷的行業(yè)狀況。2012年10月的訂單出貨比為0.75，訂單量約比2011年10月下跌20%。

“對(duì)于微電子行業(yè)來(lái)講，2012年將是一分為二的年頭，”相干微電子部門營(yíng)銷總監(jiān)David Clark表示，“預(yù)計(jì)2013年傳統(tǒng)消費(fèi)電子產(chǎn)品，如筆記本電腦、PC、數(shù)碼相機(jī)、硬盤驅(qū)動(dòng)器和電視機(jī)將非常不景氣，但是平板電腦和智能手機(jī)以及相關(guān)組件將會(huì)以驚人的速度增長(zhǎng)。這無(wú)疑是個(gè)好消息，因?yàn)檫@些移動(dòng)設(shè)備組件很多都是使用相干的激光器制造的，相干的這部分業(yè)務(wù)將會(huì)繼續(xù)強(qiáng)勁增長(zhǎng)?！盋lark補(bǔ)充說(shuō)，“如果基于Windows 8的超級(jí)本和平板電腦在企業(yè)市場(chǎng)獲得真正成功，相信這必將刺激2013年IC銷售額的限制增長(zhǎng)?！?/P>

IC Insihts公司也看到了類似趨勢(shì)，其預(yù)計(jì)2013年電子設(shè)備的銷售額將增長(zhǎng)5%，2012年的增長(zhǎng)率為3%。Clark對(duì)更長(zhǎng)遠(yuǎn)的趨勢(shì)也持樂(lè)觀態(tài)度，他表示，“4G-LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、互聯(lián)網(wǎng)流量的持續(xù)增長(zhǎng)、云計(jì)算的采用一級(jí)即將向450nm晶圓的遷移，所有這些都將促使未來(lái)幾年內(nèi)半導(dǎo)體資本支出方面出現(xiàn)重大投資。”

相干2012年第四財(cái)季(截至2012年9月29日)的銷售額，從上年同期的2.08億美元下降到1.89億美元;與上個(gè)季度相比，訂單量下降近23%。相比之下，Newport則由于研發(fā)市場(chǎng)和工業(yè)市場(chǎng)的強(qiáng)勁表現(xiàn)而實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的銷售額;當(dāng)然半導(dǎo)體資本支出的疲軟也使其受到了一定影響，其第四財(cái)季(截至2012年9月29日)微電子業(yè)務(wù)銷售額比上年同期下降了9.7%，降至1.1億美元。

作為一家主要為半導(dǎo)體行業(yè)提供光刻光源的供應(yīng)商，Cymer公司2012年第三季度(截至2012年9月30號(hào))的總營(yíng)收約為1.32億美元，基本與上年同期持平，但低于2012年第二季度1.49億美元的總營(yíng)收。2012年10月，Cymer公司被荷蘭ASML公司以大約26億美元的價(jià)格收購(gòu);2012年第三季度，Cymer出貨了27套紫外系統(tǒng)，并向ASML交付了其首款極紫外光源，曝光功率為30W。

Cymer公司和日本Gigaphoton公司是業(yè)界領(lǐng)先的極紫外光源制造商，依據(jù)摩爾定律，他們會(huì)繼續(xù)享受業(yè)務(wù)增長(zhǎng)。但是研究超短、超高功率激光脈沖(如用于光與物質(zhì)相互作用研究的極強(qiáng)光設(shè)施)的激光器制造商，正在尋求超越摩爾定律。

“早在2007年，來(lái)自美國(guó)能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)顧問(wèn)委員會(huì)的一份報(bào)告就顯示，當(dāng)集成電路制造達(dá)到分子級(jí)或納米級(jí)的時(shí)候，其將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越摩爾定律的限制。一個(gè)基于納米芯片的超級(jí)計(jì)算機(jī)，可以舒適地握在掌中，且耗電極低?！盋almar Laser公司營(yíng)銷總監(jiān)Tim Edwards說(shuō)，“這使得激光產(chǎn)業(yè)令人興奮不已——沒(méi)有激光發(fā)揮舉足輕重的作用，分子尺度的未來(lái)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。飛秒光纖激光器制造商始終致力于提升脈沖到脈沖之間的穩(wěn)定性，以滿足眼科、光譜、DNA分析、分子成像、薄膜太陽(yáng)能電池加工以及計(jì)量等應(yīng)用的苛刻要求，所有這些都提供了廣闊的科研激光市場(chǎng)，但是不知為何激光市場(chǎng)并未快速增長(zhǎng)?！?/P>

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光技術(shù)必將在未來(lái)的半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展中扮演越來(lái)越重要的角色。接下來(lái)為激光技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)的一些應(yīng)用：

1 激光技術(shù)在晶片/芯片加工領(lǐng)域的應(yīng)用[!--empirenews.page--]

1.1 在劃片方面的應(yīng)用

劃片工藝隸屬于晶圓加工的封裝部分，它不僅僅是芯片封裝的關(guān)鍵工藝之一，而是從圓片級(jí)的加工(即加工工藝針對(duì)整片晶圓，晶圓整片被同時(shí)加工)過(guò)渡為芯片級(jí)加工(即加工工藝針對(duì)單個(gè)芯片)的地標(biāo)性工序。從功能上來(lái)看，劃片工藝通過(guò)切割圓片上預(yù)留的切割劃道(street)，將眾多的芯片相互分離開，為后續(xù)正式的芯片封裝做好最后一道準(zhǔn)備。

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目前業(yè)界討論最多的激光劃片技術(shù)主要有幾種，其主要特征都是由激光直接作用于晶圓切割道的表面，以激光的能量使被作用表面的物質(zhì)脫離，達(dá)到去除和切割的目的。但是這種工藝在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大的能量，并導(dǎo)致對(duì)器件本身的熱損傷，甚至?xí)a(chǎn)生熱崩邊(Chipping)，被剝離物的沉積(Deposition)等至今難以有效解決的問(wèn)題。

與很多先行技術(shù)不同，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)砂輪式劃片機(jī)的全球領(lǐng)導(dǎo)廠商?hào)|京精密公司和日本著名的激光器生產(chǎn)商濱松光學(xué)聯(lián)合推出了突破傳統(tǒng)理念的全新概念的激光劃片機(jī)MAHOH。其工作原理摒棄了傳統(tǒng)的表面直接作用、直接去除的做法;而采取作用于硅基底內(nèi)的硅晶體，破壞其單晶結(jié)構(gòu)的技術(shù)，在硅基底內(nèi)產(chǎn)生易分離的變形層，然后通過(guò)后續(xù)的崩片工藝使芯片間相互分離。從而達(dá)到了無(wú)應(yīng)力、無(wú)崩邊、無(wú)熱損傷、無(wú)污染、無(wú)水化的切割效果。

1.2 在晶片割圓方面的應(yīng)用

割圓工藝是晶體加工過(guò)程中的一個(gè)重要組成部分。早期，該技術(shù)主要用于水平砷化鎵晶片的整形，將水平砷化鎵單晶片稱為圓片。隨著晶體加工各個(gè)工序的逐步加工，在各工序?qū)?huì)出現(xiàn)各種類型的廢片，將這些廢片加工成小直徑的晶片，然后再經(jīng)過(guò)一些晶片加工工序的加工，使其變成拋光片。

傳統(tǒng)的割圓加工方法有立刀割圓法、掏圓法、噴砂法等。這些方法在加工過(guò)程中對(duì)晶片造成的損傷較大，出片量相對(duì)較少。隨著激光加工技術(shù)的發(fā)展，一些廠家對(duì)激光加工技術(shù)引入到割圓工序，再加上較為成熟的軟件控制，可以在一個(gè)晶片上加工出更多的小直徑晶片。

2 激光打標(biāo)技術(shù)

激光打標(biāo)是一種非接觸、無(wú)污染、無(wú)磨損的新標(biāo)記工藝。近年來(lái)，隨著激光器的可靠性和實(shí)用性的提高，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和光學(xué)器件的改進(jìn)，促進(jìn)了激光打標(biāo)技術(shù)的發(fā)展。

激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光束對(duì)目標(biāo)作用，使目標(biāo)表面發(fā)生物理或化學(xué)的變化，從而獲得可見(jiàn)圖案的標(biāo)記方式。高能量的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速汽化，形成凹坑。隨著激光束在材料表面有規(guī)律地移動(dòng)同時(shí)控制激光的開斷，激光束也就在材料表面加工成了一個(gè)指定的圖案。激光打標(biāo)與傳統(tǒng)的標(biāo)記工藝相比有明顯的優(yōu)點(diǎn)：

(a)標(biāo)記速度快，字跡清晰、永久;

(b)非接觸式加工，污染小，無(wú)磨損;

(c)操作方便，防偽功能強(qiáng);

(d)可以做到高速自動(dòng)化運(yùn)行，生產(chǎn)成本低。

在晶片加工過(guò)程中，在晶片的特定位置制作激光標(biāo)識(shí)碼，可有效增強(qiáng)晶片的可追溯性，同時(shí)也為生產(chǎn)管理提供了一定的方便。目前，在晶片上制作激光標(biāo)識(shí)碼是成為一種潛在的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，廣泛地應(yīng)用于硅材料、鍺材料。

3 激光測(cè)試技術(shù)

3.1 激光三角測(cè)量術(shù)

微凸點(diǎn)晶圓的出現(xiàn)使測(cè)量和檢測(cè)技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，對(duì)該技術(shù)的最基本要求是任一可行的檢測(cè)技術(shù)必須能達(dá)到測(cè)量微凸點(diǎn)特征尺寸所需的分辨率和靈敏度。在50μm節(jié)距上制作25μm凸點(diǎn)的芯片技術(shù)，目前正在開發(fā)中，更小凸點(diǎn)直徑和更節(jié)距的技術(shù)也在發(fā)展中。另外，當(dāng)單個(gè)芯片上凸點(diǎn)數(shù)量超過(guò)10 000個(gè)時(shí)，晶圓檢測(cè)系統(tǒng)必須有能力來(lái)處理凸點(diǎn)數(shù)迅速增加的芯片和晶圓。分析軟件和計(jì)算機(jī)硬件必須擁有足夠高的性能來(lái)存儲(chǔ)和處理每個(gè)晶圓上所存在的數(shù)百萬(wàn)個(gè)凸點(diǎn)的位置和形貌數(shù)據(jù)。

在激光三角檢測(cè)術(shù)中，用一精細(xì)聚焦的激光束來(lái)掃描圓片表面，光學(xué)系統(tǒng)將反射的激光聚焦到探測(cè)器。采用3D激光三角檢測(cè)術(shù)來(lái)檢測(cè)微凸點(diǎn)的形貌時(shí)，在精度、速度和可檢測(cè)性等方面，它具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3.2 顆粒測(cè)試

顆料控制是晶片加工過(guò)程、器件制造過(guò)程中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，而顆粒的監(jiān)測(cè)也就顯得至關(guān)重要。顆粒測(cè)試設(shè)備的工作原理有兩種，一種為光散射法;另一種為消光法。

對(duì)于懸浮于氣體中的顆粒，通常采用光散射法進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)某些廠家利用這種工作原理生產(chǎn)了測(cè)試晶片表面顆粒的設(shè)備;而對(duì)于液體中的顆粒，這兩種方法均適用。

4 激光脈沖退火(LSA)技術(shù)

該技術(shù)通過(guò)一長(zhǎng)波激光器產(chǎn)生的微細(xì)激光束掃描硅片表面，在一微秒甚至更短的作用時(shí)問(wèn)內(nèi)產(chǎn)生～個(gè)小尺寸的局域熱點(diǎn)。由于只有上表面的薄層被加熱，硅片的整體依然保持低溫，使得此表面層的降溫速率幾乎和它的升溫速率一樣快。從固體可溶性的角度考慮，高峰值溫度能夠激活更多的摻雜原子，此外正如65 nm及以下工藝所求的那樣，較短的作用時(shí)間可以使摻雜原子的擴(kuò)散降到最低。退火處理的作用范圍可以限制在硅片上的特定區(qū)域而不會(huì)影響到周圍部位。

該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于多晶硅柵極的退火，在減少多晶硅的耗盡效應(yīng)方面取得了顯著的效果。K.Adachi等將閃光燈退火和激光脈沖退火處理的MOS管的Ion/Ioff進(jìn)行了比較，在pMOS-FET和nMOSFET中， 采用激光脈沖退火處理的器件的漏極電流要大10%， 器件性能的增強(qiáng)可以直接歸因于柵電極耗盡效應(yīng)的改善和寄生電阻的減小。