本刊編譯整理

　　在快速發(fā)展的半導體制造領(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更精細結(jié)構(gòu)、更高產(chǎn)能和最小材料浪費的需求。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)機械和化學工藝無法實現(xiàn)的規(guī)模，制造復雜的圖案、微結(jié)構(gòu)和精確改性。無論是用于鉆微孔、切割易碎基板，還是改進光刻技術(shù)，激光技術(shù)都已成為當下半導體制造商保持尖端性能和效率不可或缺的工具。

　　半導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精確去除或修改材料。這項技術(shù)在半導體制造中的優(yōu)勢，包括幾個方面。高精度：激光可實現(xiàn)微米和亞微米級的特征尺寸，這對先進的半導體元件至關(guān)重要；非接觸式加工：與機械工具不同，激光不施加物理力，可減少應(yīng)力并消除工具磨損；熱影響最小：超快激光脈沖可最大限度地減少熱擴散，從而避免損壞精密的半導體結(jié)構(gòu)。

　　材料多樣性：激光可加工硅、化合物半導體、陶瓷、聚合物和金屬，且污染最小；可擴展性和自動化：激光微機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，并保持符合嚴格的質(zhì)量標準。

　　激光微加工在半導體制造中的應(yīng)用

　　● 激光鉆孔，形成超精密微孔

　　傳統(tǒng)微孔加工技術(shù)主要包括機械加工、電火花、化學腐蝕、超聲波鉆孔等技術(shù)。這些技術(shù)各有特點，但已不能滿足微孔加工的更高需求。例如，機械加工對于高硬度、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。而半導體器件需要微孔——用于促進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)勢包括高縱橫比：超快激光可鉆出多層半導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挑戰(zhàn)。針對這種需求，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)，還能改變光束相對于材料表面的傾角β。通過改變β值，可以實現(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。它們的光學原理相似，進入聚焦透鏡的光束通過光學裝置進行適當?shù)钠揭坪蛢A斜。高速電機的轉(zhuǎn)動使光束繞光軸旋轉(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。作為一種先進的制孔方法，激光旋轉(zhuǎn)切割鉆孔技術(shù)與機械加工相結(jié)合，與電火花加工相比具有明顯的優(yōu)勢，有助于半導體行業(yè)的發(fā)展。

　　● 激光退火，提高半導體性能

　　半導體制造中，離子注入會破壞硅晶格結(jié)構(gòu)，需要通過高溫退火修復。退火是半導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，以實現(xiàn)應(yīng)力松弛。退火是在添加金屬層之前進行的，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算高、熱擴散大的問題，影響晶體管微縮。使用超短脈沖激光（納秒/皮秒級） 局部加熱硅片表面（僅幾微米深度），在極短時間內(nèi)（毫秒級）達到1000°C~1400°C高溫，實現(xiàn)精準退火，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，其邊界接近無擴散。與基于燈管的短時間退火工藝相比，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。這種先進的退火工藝與同步、定時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)點縮小到5納米和3納米，必須調(diào)整工藝以適應(yīng)更嚴格的熱預算。這對傳統(tǒng)的退火工藝來說具有挑戰(zhàn)性。器件的熱預算是一種時間/溫度計算。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)勢在于其廣泛的可擴展性和對不同應(yīng)用的適應(yīng)性。由于其獨特的硬件配置和實時過程控制能力，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，并可擴展到新的器件結(jié)構(gòu)。

　　例如，存儲器制造商已經(jīng)在DRAM應(yīng)用中使用激光退火，因為他們面臨著與邏輯制造商相同的挑戰(zhàn)。先進的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光阻劑薄膜進行退火處理。研究表明，烘烤法中由擴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)，精密校準元器件

　　許多模擬和混合信號半導體器件都需要進行制造后調(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)點和局限性，在選擇時要考慮到應(yīng)用要求、生產(chǎn)率、成本和預期公差。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量選項以及定制測量解決方案。飛針系統(tǒng)非常適合產(chǎn)量低、混合度高的制造商，因為他們希望避免探針卡帶來的限制，以及制造和維護大量探針卡的高昂成本。對于大批量、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。

　　被動微調(diào)包括將單個電阻調(diào)整到所需的值，而主動微調(diào)則改變整個電路的輸出，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、底部探測、飛針或定制夾具組合進行測試連接。

　　總的來說，激光微調(diào)可通過有選擇地去除材料來實時調(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半導體器件都符合嚴格的性能規(guī)范，從而降低器件的變異性并提高總體產(chǎn)量。

　　● 激光打標，用于可追溯性

　　在不斷發(fā)展的半導體制造領(lǐng)域，精度和效率至關(guān)重要。激光打標已成為硅晶片識別和可追溯性技術(shù)中不可或缺的多功能工具，廣泛應(yīng)用于半導體制造中的元件識別和可追溯性。激光打標是一種非接觸工藝，利用激光束改變材料表面，留下可見標記。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于半導體行業(yè)，用于標記和識別硅晶片，是傳統(tǒng)標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、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)。激光打標技術(shù)大大有助于優(yōu)化半導體制造工作流程。激光打標的非接觸特性，降低了污染和損壞精密硅晶片的風險。這在潔凈室環(huán)境中尤為重要，因為在這種環(huán)境中，即使是最輕微的雜質(zhì)也會影響微電子設(shè)備的性能。

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

　　目前，半導體制造中的激光打標主要依靠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、高對比度的標記。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、持久的標記。

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

　　激光微加工的技術(shù)進步

　　● 用于下一代半導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體制造工藝。這些超快激光器具有以下優(yōu)勢：最小熱影響區(qū)。減少對敏感微結(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，擴大了可加工材料的范圍。

　　● 激光微加工中的人工智能與機器學習

　　人工智能驅(qū)動的激光微加工工藝優(yōu)化是一種新興趨勢。通過利用機器學習算法，制造商可以提高精度和一致性，實現(xiàn)自動實時調(diào)整激光參數(shù)。增強工藝自動化，減少人工干預，降低生產(chǎn)成本。另外，還可以預測和預防缺陷，在異常現(xiàn)象影響產(chǎn)量之前將其識別出來。

　　● 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。先進的封裝平臺：促進復雜半導體元件的集成；硅和玻璃中間體：提供高速互連和更好的熱性能；對Chiplet架構(gòu)至關(guān)重要：支持向模塊化、可擴展的半導體系統(tǒng)發(fā)展。

　　行業(yè)趨勢和市場增長

　　半導體行業(yè)正轉(zhuǎn)向更小、更強大的芯片，以滿足5G、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。這促使人們越來越多地采用先進的封裝技術(shù)，其中激光微加工技術(shù)在創(chuàng)建超精細互連和微孔方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。另外，環(huán)保因素推動了高能效激光技術(shù)的應(yīng)用，從而減少了材料浪費和有害化學物質(zhì)的使用。基于激光的干式加工技術(shù)，有助于滿足綠色制造計劃的法規(guī)要求。

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