MEMS劃片技術(shù)的現(xiàn)狀與技術(shù)革新

　　0 引言

　　MEMS主要包括微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路等幾部分，是在融合多種微細(xì)加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科。MEMS是一種全新的必須同時(shí)考慮多種物理場混合作用的研發(fā)領(lǐng)域，相對于傳統(tǒng)的機(jī)械，它們的尺寸往往在微米和亞微米量級。制造上主要采用以Si為主的材料、集成電路(IC)的加工技術(shù)，可以在Si片指定位置上進(jìn)行蝕刻或生長附加材料層，從而形成一個(gè)特殊的功能結(jié)構(gòu)。MEMS芯片有的帶有腔體和薄膜、有的帶有懸梁，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，特別是表面工藝加工的器件，在很薄的薄膜上批量加工，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就更低，能承受的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于IC芯片。

　　基于MEMS結(jié)構(gòu)和特性，MEMS劃片比起典型的IC劃片或其他微電子元件的劃片更加困難，也對劃片設(shè)備和劃片工藝提出了更高的挑戰(zhàn)。

　　1 傳統(tǒng)的劃片方法

　　傳統(tǒng)的劃片都是通過劃片砂輪的高速旋轉(zhuǎn)研磨來完成對Si片的切斷，這種切割方法必然要伴隨冷卻和清洗的較高壓力的水流、劃片刀和Si片接觸產(chǎn)生的壓力和扭力、以及切割下來的Si屑對Si片本身造成的污染，而這幾點(diǎn)都對MEMS產(chǎn)品造成了致命的威脅。眾所周知，MEMS大都含有薄膜、高深寬比的結(jié)構(gòu)，無法抵擋劃片和清洗時(shí)的水流沖擊。此外，MEMS器件中常含有對污染物敏感的元件，只要這些元件受到輕微的污染，就可能導(dǎo)致整個(gè)MEMS的失效(例如MEMS麥克風(fēng))。另外，一些MEMS產(chǎn)品對靜電放電(ESD)特別敏感(如靜電執(zhí)行器)，有可能會(huì)造成自發(fā)的ESD失效。還有一種MEMS對劃痕的崩邊要求特別高(如影像傳感器)，少許的崩邊就有可能造成器件失效。

　　在當(dāng)前的工藝中，為了消除劃片中由于污染和元件脆弱性及敏感性對器件可靠性的影響，通常會(huì)采用以下幾種方法：

　　(1)在MEMS器件上加永久的保護(hù)層，從而在MEMS和惡劣的劃片環(huán)境間形成一個(gè)物理屏障。這樣能夠防止MEMS器件被Si屑污染，保護(hù)器件在切割和隨后的清洗中不受水流和氣流的沖擊。這種構(gòu)建永久保護(hù)層的方法有一個(gè)致命缺點(diǎn)，就是對一些需要接收超級敏感信號的MEMS，這種方法會(huì)造成敏感度的降低。

　　(2)構(gòu)建一個(gè)具有保護(hù)作用的臨時(shí)層，在劃片和清洗時(shí)將MEMS器件覆蓋，之后用化學(xué)的方法去除或沖洗掉臨時(shí)層。這很好地保持了MEMS本身的敏感性，從而得到了大量的應(yīng)用。

　　但是為了放置永久的保護(hù)層或者構(gòu)建可去除的臨時(shí)防護(hù)層都需要額外的制造步驟和工藝，這就需要額外的設(shè)備和耗材，浪費(fèi)了大量的人力和物力。并且這些措施也不能完全消除切割過程對MEMS的損害，導(dǎo)致成品率的下降，這就增加了制造器件的總成本，成了限制MEMS產(chǎn)品價(jià)格的瓶頸。

　　為了減少切割過程中對MEMS的損傷，工程技術(shù)人員想出了很多辦法：采用氣浮導(dǎo)軌和磁力馬達(dá)或加裝震動(dòng)傳感器來控制劃片過程中的振動(dòng)；改造切割和清洗的噴嘴裝置，由“水流”噴嘴裝置改為“霧化”噴嘴裝置，減少了水流對MEMS的損傷，同時(shí)提高清洗的效果；增加CO2發(fā)泡機(jī)來降低DI水的阻抗值，使靜電荷遠(yuǎn)離進(jìn)行劃片的晶圓，并且增加離子發(fā)生器來清除機(jī)械移動(dòng)所產(chǎn)生的靜電；增加一個(gè)即時(shí)的磨刀程序，定期修正刀鋒邊緣的形狀，同時(shí)使劃片刀去除超載的堆積物，以使劃片刀一直處于最佳的切割狀態(tài)等很多方法，但所有這些方法都不能解決研磨劃片對MEMS的損傷，從而限制了成品率的提高。

　　2 技術(shù)的革新

　　隨著科技的發(fā)展，越來越多的新技術(shù)應(yīng)用到半導(dǎo)體制造設(shè)備中來，特別是激光劃片技術(shù)的成熟應(yīng)用，促成了MEMS劃片工藝的技術(shù)飛躍，提高了產(chǎn)品的成品率，簡化了制造流程，降低了MEMS制造的成本。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，激光切割技術(shù)主要有濕式和干式兩種。

　　2.1 濕式激光切割

　　濕式激光切割的典型代表是微水刀激光技術(shù)。其融合了激光束和水刀的混合切割工藝，通過如發(fā)絲般纖細(xì)的水射流將激光束引導(dǎo)到晶圓上。利用空氣和水的折射率之間的區(qū)別，激光束可以在空氣一水的界面全反射，原理類似光纖(如圖1)。由于在工件上和工件之外實(shí)現(xiàn)了零偏差，因此促進(jìn)了多孔材料或分層材料的精確切割。此外，與標(biāo)準(zhǔn)的劃片方式相反，微水刀激光技術(shù)使用水射流來冷卻材料表面，避免了材料表面的熱損傷，從而獲得了理想的保護(hù)，減少了崩邊的發(fā)生(見圖2)。同時(shí)，水流也形成了一個(gè)自然的保護(hù)層，減少了附著和污染。

　　微水刀激光的特點(diǎn)使之很適合MEMS劃片。即使其加工速度很快也能確保高品質(zhì)的切割。切割速度受MEMS厚度影響；材料越厚，需要的激光脈沖能量越大。表1顯示其切割Si的典型速度，取決于晶圓厚度。之所以能做到?jīng)]有厚度限制，原因在于切割某一厚度晶圓的最大速度取決于激光的脈沖重復(fù)率、平均功率和峰值功率。再薄也可切，且越薄越快。比較各類劃片技術(shù)的另一重要參數(shù)是切割邊緣的破壞強(qiáng)度大小，機(jī)械變形會(huì)導(dǎo)致晶粒破裂。不少應(yīng)用表明微水刀激光對晶圓邊緣造成的損傷遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)刀片劃片。

　　微水刀激光的上述特性大幅度提升了器件的成品率和UPH(每小時(shí)產(chǎn)出量)，為MEMS的劃片增添了一種可靠的選擇。

　　但因?yàn)樵谇懈钸^程中有水流和Si屑的存在，使得在切割前還必須構(gòu)建永久或臨時(shí)的保護(hù)層。另外，使用微水刀激光技術(shù)切割MEMS Si片，還必須使用一種不會(huì)被激光切穿、卻能讓水流穿過的特殊膠帶“激光膠帶／LaserTape”用于貼片，這種膠帶成本比較高昂，而且種類比較少，這也限制了封裝企業(yè)的選擇，抵消了一部分良率提高所降低的成本。

　　2.2 干式激光切割

　　目前市場上有很多廠家生產(chǎn)很多不同功能的干式激光切割機(jī)，但實(shí)際上能應(yīng)用到半導(dǎo)體劃片的只有不可見激光切割技術(shù)(切割后Si片表面和背面都看不到切痕)。

　　這種激光劃片技術(shù)運(yùn)用多光子吸收的光學(xué)損傷現(xiàn)象——當(dāng)聚焦在材料內(nèi)部的激光強(qiáng)度迅速增強(qiáng)材料即被加工，從而在材料內(nèi)部形成一個(gè)改質(zhì)層，使材料由結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)合緊密的不易于分?jǐn)嗟恼w改變成結(jié)合松散、易于分?jǐn)嗟拇嗳跽w(如圖3)，然后通過擴(kuò)張貼片膜，利用貼片膜擴(kuò)展時(shí)的張力使每個(gè)芯片分開。

　　由于這種特殊波長和頻率的激光作用到Si片上的能量只有幾瓦甚至是毫瓦級，劃片完成后，只是在Si片內(nèi)部形成改質(zhì)層，在表面和內(nèi)部都沒有熔融材料，用眼睛也幾乎看不到刀痕。通常會(huì)采用紅外線顯微鏡(IR Camera)來觀察Si片的切割痕跡(如圖4所示)。在紅外顯微鏡下，通常改質(zhì)層的寬度只有1～2μm，這為芯片制造商縮小劃片道寬度，增加單位面積芯片數(shù)量以降低成本提供了較大的空間。目前應(yīng)用的最小劃道寬度只有20μm。

　　當(dāng)Si材料被激光加工時(shí)，這種激光幾乎沒有熱損傷，所以材料不需要冷卻，整個(gè)劃片過程都是在完全干燥的環(huán)境中進(jìn)行。同時(shí)不產(chǎn)生熔融材料，所以材料表面完全沒有沾污，這也很好地解決了MEMS怕沾污的問題。

　　這種激光切割方法可以實(shí)現(xiàn)很高的切割速度，且Si片越薄，效率越高。當(dāng)Si片較薄時(shí)，較少的改質(zhì)層(如圖5)就可以分?jǐn)嘈酒?，而Si片較厚時(shí)，就需要在同一個(gè)截面、不同的位置增加更多的改質(zhì)層來減少芯片間的連接力，使芯片易于分?jǐn)?如圖6)。所以這種劃片方法是沒有厚度限制的，每個(gè)改質(zhì)層可以有相同的速度，這種速度可以達(dá)到300 mm／s以上，芯片厚度決定所需改質(zhì)層的多少，改質(zhì)層的多少?zèng)Q定劃片的折合速度見表2。

　　激光加工完成后，由于材料基本上還是一個(gè)完整的整體，不能直接拿到抓片機(jī)上進(jìn)行抓片，而必須經(jīng)過一個(gè)擴(kuò)片的過程，以使相臨的芯片之間有合適的距離來滿足抓片機(jī)的抓片要求。通常的擴(kuò)片方法是擴(kuò)片盤上升使貼片膜擴(kuò)張，因?yàn)橛懈馁|(zhì)層的部分結(jié)合比較松散，輕微的張力就能使其斷開，所以隨著帖片膜的擴(kuò)張，芯片就被分開，分開后斷面光滑整潔，沒有崩邊(如圖5、6、7所示)。運(yùn)用這種加工方式，芯片斷面無微裂口和裂隙產(chǎn)生。試驗(yàn)表明，與刀片劃片方法相比，芯片的機(jī)械強(qiáng)度要高出很多(如圖8)。

　　因?yàn)榇朔N劃片方法是在非接觸的、完全干燥的環(huán)境中進(jìn)行，完全沒有熔融材料，沒有污染源，沒有機(jī)械損傷，所以不需要構(gòu)筑保護(hù)層，這即保持了MEMS產(chǎn)品的敏感度，提高了MEMS的品質(zhì)，又簡化了制造工藝，降低了生產(chǎn)成本。

　　3 結(jié)論

　　MEMS的應(yīng)用越來越廣泛，人們對MEMS尺寸、敏感度、品質(zhì)提出了越來越高的要求，使得傳統(tǒng)的劃片方法越來越不能滿足當(dāng)前的需求，新的激光技術(shù)的應(yīng)用，為MEMS劃片開拓出一片嶄新的前景，提高了MEMS劃片的成品率，降低了MEMS的生產(chǎn)成本。不久的將來，不可見激光劃片方法必將取代傳統(tǒng)的劃片方法成為MEMS劃片的主流。