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(chǎng)混合作用的研發(fā)領(lǐng)域，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械，它們的尺寸往往在微米和亞微米量級(jí)。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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)Si片本身造成的污染，而這幾點(diǎn)都對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)一些需要接收超級(jí)敏感信號(hào)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(chǎng)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(zhǎng)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(jí)，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(jiǎn)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(duì)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。