用于半导体制造的激光微加工技术——精度、效率和创新

在快速发展的半导体制造领域，精度和效率至关重要。随着设备功能的不断缩小，传统的制造方法难以满足对更精细结构、更高产能和最小材料浪费的需求。这正是激光微加工发挥关键作用的地方。

 

激光微加工能够以传统机械和化学工艺无法实现的规模，制造复杂的图案、微结构和精确改性。无论是用于钻微孔、切割易碎基板，还是改进光刻技术，激光技术都已成为当下半导体制造商保持尖端性能和效率不可或缺的工具。

 

半导体制造中的激光微加工

激光微加工是一种非接触、高度可控的工艺，它利用聚焦激光束在微米级精确去除或修改材料。这项技术在半导体制造中的优势，包括几个方面。高精度：激光可实现微米和亚微米级的特征尺寸，这对先进的半导体元件至关重要；非接触式加工：与机械工具不同，激光不施加物理力，可减少应力并消除工具磨损；热影响最小：超快激光脉冲可最大限度地减少热扩散，从而避免损坏精密的半导体结构。

材料多样性：激光可加工硅、化合物半导体、陶瓷、聚合物和金属，且污染最小；可扩展性和自动化：激光微机械加工可无缝集成到大批量生产线中，从而提高产量和收益。利用以上这些功能，半导体制造商通过激光微加工优化生产效率，减少缺陷，并保持符合严格的质量标准。

 

激光微加工在半导体制造中的应用

● 激光钻孔，形成超精密微孔
传统微孔加工技术主要包括机械加工、电火花、化学腐蚀、超声波钻孔等技术。这些技术各有特点，但已不能满足微孔加工的更高需求。例如，机械加工对于高硬度、高脆性的材料效率很低，难以加工小于0.2mm的孔；电火花加工只能加工金属材料。而半导体器件需要微孔——用于促进层间电气连接的微小互连孔。

随着工业技术的飞速发展，高精度微孔被广泛应用于各行各业。其发展趋势是直径小、深度大、精度高、应用范围广。激光微加工为钻孔提供了最佳解决方案。这些优势包括高纵横比：超快激光可钻出多层半导体封装所需的深窄孔；选择性材料去除：激光钻孔可确保在不同基底上实现精确的孔位置和直径控制；清洁度更高：最小的碎屑和无毛刺孔边提高了电路可靠性。

目前，激光钻孔最常用的加工方法是振镜扫描，可以是逐层圆扫描，也可以是螺旋扫描。然而，振镜扫描的缺点是无法避免锥度。在制孔过程中，由于聚焦激光束的发散和多次反射，材料的烧蚀率会随着孔深的增加而急剧下降。因此，在较厚的材料上制备具有较大纵横比的微孔会更加困难。

因此，要获得高深径比（≥10:1）、高加工质量、零锥度甚至倒锥度的微孔是一项挑战。针对这种需求，最合适的加工方法是使用旋转切割头模块。旋转切割头不仅能使光束绕光轴高速旋转，还能改变光束相对于材料表面的倾角β。通过改变β值，可以实现从正锥到零锥甚至倒锥的变化。目前，常用的旋转切割头模块主要集中在四光学楔形扫描头、多维棱镜扫描头和平行平板扫描头。它们的光学原理相似，进入聚焦透镜的光束通过光学装置进行适当的平移和倾斜。高速电机的转动使光束绕光轴旋转。

综上所述，激光旋转切割钻孔技术具有加工孔径小、深径比大、锥度可调、侧壁质量好等优点。作为一种先进的制孔方法，激光旋转切割钻孔技术与机械加工相结合，与电火花加工相比具有明显的优势，有助于半导体行业的发展。

● 激光退火，提高半导体性能
半导体制造中，离子注入会破坏硅晶格结构，需要通过高温退火修复。退火是半导体器件制造最前端的一种热处理工艺，用于降低硅电阻和激活注入晶体层的掺杂剂，以实现应力松弛。退火是在添加金属层之前进行的，有助于为器件提供结构合理的基础。

但传统炉管退火或快速热退火存在热预算高、热扩散大的问题，影响晶体管微缩。使用超短脉冲激光（纳秒/皮秒级） 局部加热硅片表面（仅几微米深度），在极短时间内（毫秒级）达到1000°C~1400°C高温，实现精准退火，避免热损伤。
具体来说，激光退火可在硅中形成高度活化的超浅结点，其边界接近无扩散。与基于灯管的短时间退火工艺相比，这种工艺能在产品晶圆中产生更均匀的温度和应力分布。这种先进的退火工艺与同步、定时和电池寿命等器件性能直接相关。它还能降低漏电，提高产量。

随着技术节点缩小到5纳米和3纳米，必须调整工艺以适应更严格的热预算。这对传统的退火工艺来说具有挑战性。器件的热预算是一种时间/温度计算。从本质上讲，温度必须足够高，以激活掺杂剂，但又不能太高，以免器件过热。

另外，激光退火的主要优势在于其广泛的可扩展性和对不同应用的适应性。由于其独特的硬件配置和实时过程控制能力，它长期以来一直是业内大多数代工厂和IDM制造高性能逻辑器件的记录工艺。激光退火还与应变硅、硅锗、高K和金属栅等新材料兼容，并可扩展到新的器件结构。

例如，存储器制造商已经在DRAM应用中使用激光退火，因为他们面临着与逻辑制造商相同的挑战。先进的DRAM架构需要更高的激活度和更浅的结，而传统的退火工艺无法满足这些要求。最后，激光退火还被证明有利于后端光刻应用，例如取代热板方法对光阻剂薄膜进行退火处理。研究表明，烘烤法中由扩散引起的线条粗糙度降低，从而使光刻图案的图像质量更加逼真。

● 激光微调，精密校准元器件
许多模拟和混合信号半导体器件都需要进行制造后调整。在元件或电路制造的最后阶段，电阻器微调采用激光烧蚀少量电阻器材料，通过减小电阻器的有效截面来增加电阻。厚膜和薄膜电阻器作为元件或电路的一部分制造，通常以陶瓷或硅为基底。薄膜电阻器的厚度通常小于1微米，而厚膜电阻器的厚度通常为10-30微米。

 

薄膜电阻器可以修整到更小的公差，并具有更好的稳定性和温度系数。厚膜电阻器的制造成本较低，如果防潮性能有问题或不需要更高的规格，则可使用厚膜电阻器。用于激光微调电阻器的切割或微调类型多种多样。每种类型都有其优点和局限性，在选择时要考虑到应用要求、生产率、成本和预期公差。这些修整类型也可以组合使用。

目前，有部分企业可以提供飞针和探针卡测量选项以及定制测量解决方案。飞针系统非常适合产量低、混合度高的制造商，因为他们希望避免探针卡带来的限制，以及制造和维护大量探针卡的高昂成本。对于大批量、低混合度的客户来说，探针卡系统可提供尽可能高的速度。

被动微调包括将单个电阻调整到所需的值，而主动微调则改变整个电路的输出，即传统意义上的电压、开关阈值或频率。两者都可用于红外激光器和绿光激光器。有源微调器允许通过特定应用的顶部探测、底部探测、飞针或定制夹具组合进行测试连接。

总的来说，激光微调可通过有选择地去除材料来实时调整电阻器、电容器和传感器的值。这种高度受控的工艺可确保每个半导体器件都符合严格的性能规范，从而降低器件的变异性并提高总体产量。

● 激光打标，用于可追溯性
在不断发展的半导体制造领域，精度和效率至关重要。激光打标已成为硅晶片识别和可追溯性技术中不可或缺的多功能工具，广泛应用于半导体制造中的元件识别和可追溯性。激光打标是一种非接触工艺，利用激光束改变材料表面，留下可见标记。这种技术广泛应用于半导体行业，用于标记和识别硅晶片，是传统标记方法之外的一种高效、高精度的替代方法。

通过在晶圆和芯片上雕刻序列号、条形码和QR码，制造商可以确保质量控制并遵守行业法规。激光打标技术大大有助于优化半导体制造工作流程。激光打标的非接触特性，降低了污染和损坏精密硅晶片的风险。这在洁净室环境中尤为重要，因为在这种环境中，即使是最轻微的杂质也会影响微电子设备的性能。

晶片识别和跟踪：激光打标可直接在晶圆上提供永久序列号、批次ID和数据矩阵代码。人类和自动化系统均可扫描和读取这些标记，从而确保晶圆在整个生命周期内的完全可追溯性；质量控制和分类：激光标记晶片可在质量控制过程中实现自动晶片分类和分级。由于表面改动极小，晶圆的结构完整性也得到了保证。

目前，半导体制造中的激光打标主要依靠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、高对比度的标记。这种非接触式工艺是将激光束聚焦在晶片表面，引起受控反应，改变材料，形成清晰、持久的标记。

 

Nd:YAG激光器（1064纳米）：是在硅晶片上创建精确、高对比度标记的理想之选；CO2激光器（10600纳米）：通常用于较大的标记和条形码，具有快速处理能力；紫外激光器（355纳米）：适用于敏感半导体表面的超精细标记，热影响最小。

 

激光微加工的技术进步

● 用于下一代半导体加工的超快激光器
飞秒激光器和皮秒激光器的引入彻底改变了半导体制造工艺。这些超快激光器具有以下优势：最小热影响区。减少对敏感微结构的热损伤；更高的精度和控制。边缘更锐利，材料完整性更高；加工速度更快，实现高产能生产线。

● 混合激光加工技术
激光加工领域的创新现在融合了混合方法，例如将激光微加工与增材制造、等离子刻蚀和离子束加工相结合。这种技术融合提高了效率，扩大了可加工材料的范围。

● 激光微加工中的人工智能与机器学习
人工智能驱动的激光微加工工艺优化是一种新兴趋势。通过利用机器学习算法，制造商可以提高精度和一致性，实现自动实时调整激光参数。增强工艺自动化，减少人工干预，降低生产成本。另外，还可以预测和预防缺陷，在异常现象影响产量之前将其识别出来。

● 用于下一代集成的中间膜技术
中间件是异构集成的关键推动因素，可在硅或玻璃基板上以高密度和高精度组合芯片。先进的封装平台：促进复杂半导体元件的集成；硅和玻璃中间体：提供高速互连和更好的热性能；对Chiplet架构至关重要：支持向模块化、可扩展的半导体系统发展。

 

行业趋势和市场增长

半导体行业正转向更小、更强大的芯片，以满足5G、人工智能和物联网应用的需求。这促使人们越来越多地采用先进的封装技术，其中激光微加工技术在创建超精细互连和微孔方面发挥着至关重要的作用。另外，环保因素推动了高能效激光技术的应用，从而减少了材料浪费和有害化学物质的使用。基于激光的干式加工技术，有助于满足绿色制造计划的法规要求。

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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