超快雷射多層複合基板切割技術

摘要(Abstract)  

多層複合基板切割技術廣泛的被使用於面板製程之玻璃切割與半導體製程之晶圓切割。行動穿戴式裝置的需求，使得高強度之多層複合基板成為未來的發展趨勢，為了建置此類新基板，更先進的切割技術之導入是勢在必行。雷射運用於多層複合基板切割其長時加工之穩定性高，由於切割道寬度很小，因此單片晶圓可切割出更多顆晶粒，因此提高生產效率。本文介紹雷射切割技術、雷射隱形切割技術，內容包含硬脆材料與多層複合基板之加工成果。最後，並介紹工研院投入超快雷射多層複合基板切割技術之開發成果。

Cutting Technology for multi-layer composite substrates has been widely used in glass slicing of TFT-LCD panel and wafer slicing of semiconductor process. Based on the needs of wearable devices, the high strength multi-layer composite substrates become one of the future trends. In order to establish these new substrates, building advanced cutting technologies is imperative. For cutting multi-layer composite substrates, laser has high stability during the cutting processes. Due to the narrow scribe lines, a wafer can be divided into more chips. Thus, the production rate of the chips can be increased. This article introduces laser dicing and stealth laser dicing technology, including the results of brittle and multi-layer composite substrates. Finally, the results of ultrafast laser cutting technologies for multi-layer composite substrates in Industrial Technology Research Institute (ITRI) are also introduced.

關鍵詞(Keywords) 

超快雷射、多層複合基板、超快雷射切割  

Ultrafast Laser, Multi-Layer Composite Substrates, Ultrafast Laser Cutting  

前言

在多層複合基板切割技術應用上，多用於顯示器面板之玻璃切割、軟性顯示器之複合軟板切割與半導體製程之晶圓切割，由此可知多層複合基板切割技術之商機無限。且物聯網產業之發展也將帶動穿戴行動裝置朝輕薄短小、複雜化發展，因此導入高強度、耐環境變化之多層複合基板也是未來的發展趨勢。

傳統多層複合基板切割的方式，是利用輪刀在材料上沿切割線劃過[1-3]，經上下兩道次切割，造成表面裂紋，而後再利用機械外力將材料加壓，使玻璃沿裂紋裂開。利用輪刀畫出的裂紋，會因加壓力量的大小而有不同的沿伸深度，決定了裂片的難易度。此種切割方式產生的預裂紋之方式是屬於機械式破壞，在裂片時會引發更多微細裂紋，會降低成品的機械強度。鑽石輪刀磨耗迅速、切割寬度有所侷限、仍需經過裂片製程、生產效率低，以上等等問題仍急需解決。

近期產業界導入摻釹釔鋁石榴石雷射(Nd:YAG雷射)、超快雷射進行晶片切割，相較於鑽石輪刀切割之技術，雖然雷射加工之設備成本較高，但是具有以下之特色：

1. 不受材料硬脆性質之影響。
2. 雷射切割屬於非接觸式加工，雷射光束損耗度低，長時加工之穩定性高。
3. 雷射光束特性易改變，因此切割道寬度可控制到很小。
4. 加工方式的安排，可以實現完全切割。

有鑑於此，工研院雷射中心投入多層複合基板之超快雷射切割技術開發，協助國內廠商發展自主化多層複合基板雷射切割設備。以下章節，首先將分別說明各研發單位對於雷射切割技術之開發成果；最後，介紹工研院雷射中心開發多層複合基板超快雷射切割技術的進展。

多層複合基板雷射切割之製程技術

傳統刀片切割法為機械性研磨加工，由於切割刀片有一定厚度，加工時將留下研磨區域，因此單一晶圓所能切割之晶片數量便因此縮減，且會產生無數的碎片，此將造成試片的汙染，碎片之產生與刀片研磨削除部分將導致晶粒合格效率降低，在晶粒尺寸非常小的情況下，此影響更加明顯。因此產業界運用雷射進行切割來改善此缺點。目前廣泛應用之技術可分為雷射切割技術與雷射隱形切割技術，以下分兩小節分別介紹。

1.雷射切割技術

雷射切割技術(laser dicing)，是在晶圓上用雷射照射1次或多次，將待切物全切割的切割方法，如圖1。其優點在於雷射全切割掃描速率快且無須裂片，所以可以提高生產效率。加工後之切割道寬度小，與刀片相比切割槽損失少，可以縮減晶粒間隔。在小型晶粒切割中，如加工道數較多的化合物半導體晶粒而言，透過減小晶粒間隔，1片晶圓可生產的晶粒數之提升更為顯著。雷射全切割法的缺點在於雷射所造成的熱應力效應，以至於加工後之晶粒變質，切割面變質會造成後段封裝品質不良，使得封裝後的IC元件產生功能異常的風險。為了提升硬脆與多層複合基板切割之品質，國際研發團隊主要針對運用之雷射種類、波長與製程參數進行優化。

義大利米蘭理工大學團隊開發多層複合基板之雷射切割技術[4]用於複合材料(鋰電池雙極板，中間層為厚數十μm之銅箔，上下兩層電極層厚120 μm)，兩部雷射規格分別為波長1064 nm，脈衝寬度250 ns與波長532 nm，脈衝寬度1 ns，切割速率最高達500 mm/s。德國漢諾威雷射中心(Laser Zentrum Hannover e.V.)[5]針對五部不同之雷射源[Rofin StarDisc (波長1030 nm，脈衝寬度1μs), Lumera Staccato(波長1064 nm，脈衝寬度12 ps), Trumpf TL20-FQ (波長1047 nm，脈衝寬度50 ns), Coherent Avia7 (波長355 nm，脈衝寬度20 ns), Coherent Avia20(波長355 nm，脈衝寬度為40 ns)]進行雷射切割220 μm厚之矽晶圓，以切割速率來看，Rofin StarDisc雷射之切割速率最快可達33.3 mm/s，Coherent Avia20雷射切割試片邊緣可得最佳平整度(Ra~0.838 μm)。中國廣東工業大學機電工程學院謝老師團隊[6]利用Nd:YAG脈衝雷射(波長532 nm)進行藍寶石基板全切割，在雷射能量150 μJ、掃描速率0.55 mm/s、掃描次數3次之參數下切割，得出溝槽深度148 μm，溝槽寬度19 μm是最佳之切割參數。德國弗勞恩霍夫雷射中心(Fraunhofer ILT)之團隊[7-8]分別運用波長355、532與1064 nm之脈衝雷射(其脈衝寬度為10 ps)用於切割矽晶圓，由實驗結果來看355 nm波長之雷射切割可得最大剝除溝槽深度為111.9 μm；而1064 nm波長之雷射可得最小之剝除溝槽寬度13.1 μm。法國奧爾良大學(Université d’Orléans)與意法半導體[9]針對微機電領域合作開發玻璃切割技術，利用355 nm波長之奈秒雷射切割200 μm厚之玻璃(Borofloat 33)，切割道寬度由傳統輪刀切割法之80 μm降低至15 μm，因此而增加每片晶圓可切割之晶粒數量，生產效率提升18%。

圖1  雷射切割技術在欲切割之晶圓經1次或多次掃描，將晶粒全切割