一种全切型晶圆芯粒分离方法与流程

本发明涉及半导体制造，尤其涉及一种全切型晶圆芯粒分离方法。

背景技术：

1、在半导体封装工艺中，晶圆切割是将已完成前道制程的晶圆分离为单个芯粒（芯片）的关键步骤。随着集成电路向高密度、小型化方向发展，晶圆厚度日趋减薄，切割道宽度不断缩小，且低介电常数（low-k）材料得到广泛应用，这些趋势对晶圆切割技术提出了严苛的要求。

2、当前主流的晶圆芯粒分离方案主要分为以下几类。

3、其一为直接刀轮切割，即将减薄后的晶圆直接以高速旋转的金刚石刀轮沿切割道完全切穿。该方法成本低廉，但在切割过程中易产生芯粒边缘崩边、微裂纹等缺陷，严重影响芯粒强度，且无法适用于低介电常数材料，亦难以满足超窄切割道和超薄晶圆的加工品质要求。

4、其二为激光隐切（stealthdicing，亦称隐形切割）工艺，即将可穿透晶圆的激光束聚焦于晶圆内部形成改质层，再通过扩膜等方式施加外力使晶圆沿改质层断裂分离。例如，中国专利cn115255682b公开了一种晶圆激光改质结构、方法及系统，在晶圆样品内部进行多层改质形成重复结构，以降低热影响区域的互相叠加，减少裂纹不受控拓展。中国专利cn120300072b公开了一种晶圆加工方法，采用第一激光隐切晶圆形成改质层，再采用劈刀从晶圆正面劈裂晶圆使其划分为单个晶粒，最后进行扩膜处理以使晶粒互相分离。然而，上述纯激光隐切方案存在以下共同缺陷：其一，隐切后形成的改质层区域为多晶硅，其断裂韧性远低于周围完好的单晶硅，使得芯粒侧壁存在薄弱区域，芯粒强度仍有不足；其二，多层改质虽然在一定程度上减少了热影响叠加，但改质层本身对芯粒侧壁力学性能的负面影响并未根本消除。

5、其三为激光开槽加刀轮切割的复合方案，即先以激光去除切割道表面的金属层和低介电常数介质层，再以刀轮完成剩余硅衬底的切割。例如，中国专利cn117564504a公开了一种用于晶圆的加工方法，以低能量值的激光对切割道进行开槽加工，以提高切割后芯片的抗应力能力。中国专利cn118720435a公开了一种基于多参数的晶圆激光开槽实现方法，根据切割道材质信息配置对应的激光类型，以提高开槽品质。上述方案虽然拓展了对低介电常数材料的适用性，但后段刀轮切割所引入的机械应力问题依然存在，崩边与强度损失仍无法避免。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、本发明的目的在于提供一种全切型晶圆芯粒分离方法，以解决现有技术中因刀轮切割引起的芯粒崩边、强度下降，以及对超窄切割道和超薄晶圆适应性不足的技术问题。

3、（二）技术方案

4、具体而言，本发明所述的一种全切型晶圆芯粒分离方法，包括以下步骤：

5、步骤s1：在晶圆正面贴附功能性保护膜；

6、步骤s2：自晶圆背面执行机械研磨工艺，将所述晶圆从其初始厚度减薄至预定的最终目标厚度；

7、步骤s3：采用绿光皮秒激光器，沿晶圆正面上预先排布的切割道进行开槽加工，以完全去除所述切割道内至少包含表面金属层和低介电常数介质层在内的多层材料组合，形成一条洁净的隔离沟槽；

8、步骤s4：采用红外纳秒激光，自晶圆背面对准切割道进行隐切加工，于晶圆内部形成改质层；

9、步骤s5：将完成了正面开槽和背面隐切双重激光加工的晶圆整体转移至扩膜设备中，通过对承载其背面的切割膜施加均匀、可控的径向拉伸力，使晶圆沿改质层处发生断裂，实现各芯粒的分离。

10、优选的，步骤s1中，功能性保护膜为紫外线固化型丙烯酸酯膜或聚烯烃膜基材中分散有硅烷偶联剂的保护膜，所述功能性保护膜的厚度为80μm-120μm。

11、优选的，步骤s4中，隐切加工包括：控制焦平面首先在晶圆内部由靠近背面一侧向靠近正面一侧进行多次扫描，然后进行至少一次焦平面穿透晶圆正面的扫描，最后进行一次焦平面穿透晶圆正面且穿透深度小于前一次的扫描，形成贯穿晶圆厚度方向的连续改质脆性带；且多次扫描对应的激光功率总体呈递减趋势。

12、其中，在靠近正面的最后一次或数次扫描中，穿透晶圆的激光能量在晶圆正面产生局部热效应和光生载流子效应，辐照暴露于沟槽侧壁顶部的功能性保护膜边缘，使所述硅烷偶联剂发生热-光协同反应，在芯粒侧壁近正面区域原位形成强化层。

13、优选的，靠近正面的扫描包括至少一次扫描，其焦平面位于晶圆内部距正面5μm至25μm的范围内；所述残余激光能量在晶圆正面沟槽侧壁处产生的局部温升为150℃至250℃。

14、进一步的，所述硅烷偶联剂为kh-570硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂在功能性保护膜中的质量分数为1%-5%。当质量分数低于1%时，强化层不连续，强度提升效果不明显；当质量分数高于5%时，保护膜的粘附力下降，易在研磨过程中发生脱粘。

15、优选的，步骤s3中，所述绿光皮秒激光的波长为532nm，开槽加工的光斑尺寸为5-8μm，激光功率为0.5w-1.5w，频率为1800-2200khz，扫描速度为50-150mm/s，扫描次数为2-4次；经加工后形成宽度为6μm-15μm、深度为2μm-3μm的沟槽。

16、优选的，步骤s4中，所述红外纳秒激光的波长为1135nm，隐切加工的光斑尺寸为2μm；所述隐切加工共执行3次至10次扫描，每次扫描的频率为80khz至120khz，扫描速度为300mm/s-500mm/s。

17、优选的，步骤s2中，晶圆减薄后的目标厚度为100μm至790μm；所述步骤s5中，扩膜处理的拉伸位移量为晶圆直径的3%-6%，顶升速率为0.05mm/s-0.2mm/s。

18、进一步地，所述强化层的形成机理为激光诱导光-热协同反应，具体包括以下过程：

19、（1）波长为1135nm的红外纳秒激光聚焦于晶圆内部时，焦点处功率密度达到106-107 w/cm2，硅材料通过双光子吸收等非线性过程产生电子-空穴对，其中约90%的激发能经非辐射复合转化为热能，使焦点区域在纳秒级时间内升温至200-350℃，形成局域高温点。单晶硅热导率约为150 w/(m·k)，该热量通过热传导向四周扩散。当焦点距沟槽侧壁20-30μm时，侧壁表面温升可达150-250℃，达到硅烷偶联剂水解缩合反应的活化温度区间。

20、（2）激光激发硅材料产生的大量光生电子-空穴对中，部分载流子扩散至沟槽侧壁表面，形成高密度的si·自由基和si-oh悬挂键。上述活性位点为硅烷偶联剂的接枝提供化学锚点，并对丙烯酸酯基的自由基聚合反应起引发作用。

21、（3）在上述热场与活性表面的共同作用下，暴露于沟槽侧壁的功能性保护膜中所含的kh-570硅烷偶联剂发生以下反应：

22、a.水解反应：kh-570（结构式为ch2=c(ch3)cooch2ch2ch2si(och3)3）的甲氧基与晶圆表面吸附的水分子反应，生成硅醇中间体：

23、ch2=c(ch3)cooch2ch2ch2si(och3)3 + 3h2o → ch2=c(ch3)cooch2ch2ch2si(oh)3 +3ch3oh

24、该水解反应为表面反应过程，完成单分子层接枝所需水量约为10-6 g/cm2量级。洁净环境中亲水性硅表面物理吸附的水分子量满足上述需求。

25、b.缩合接枝反应：硅醇中间体的si-oh基团与硅衬底表面的si-oh基团发生脱水缩合，形成si-o-si共价键，使强化层与芯粒侧壁实现化学键合：

26、≡si-oh + ho-si≡ → ≡si-o-si≡ + h2o

27、c.交联聚合反应：硅烷偶联剂分子末端的c=c双键在光生载流子引发下发生自由基聚合，形成三维交联聚丙烯酸酯网络：

28、nch2=c(ch3)coo-r → -[ch2-c(ch3)(coo-r)]n-

29、经上述反应，在芯粒侧壁原位形成由共价键合硅氧烷层与交联聚丙烯酸酯网络组成的复合强化层。

30、进一步的，本发明还提供一种专门用于实施上述方法的晶圆芯粒激光分离设备。具体包括：

31、晶圆承载台，用于固定贴附有切割膜的晶圆；

32、绿光皮秒激光设备，经光学和电学配置，专用于执行步骤s3所述的开槽加工；

33、红外纳秒激光设备，经光学和电学配置，专用于执行步骤s4所述的隐切加工；

34、光束传输与聚焦系统，包含反射镜、扩束器、分束器和高数值孔径聚焦物镜等元件，用于将两个激光设备输出的光束分别按照各自路径进行整形、变向和聚焦，使其精确作用于晶圆的正面切割道和内部指定深度；

35、三维精密运动平台，用于驱动所述晶圆承载台相对于固定的聚焦光斑，或者驱动光束传输与聚焦系统相对于固定的晶圆，或者二者协同，产生高精度的三维相对运动；

36、控制单元，其与上述各模块电连接，并且被编程以执行预设的工艺程序，从而控制所述绿光皮秒激光设备、红外纳秒激光设备、光束传输与聚焦系统及三维精密运动平台按照上述方法的步骤和参数协同工作，完成全自动化生产。

37、进一步的，本发明还保护一种半导体芯片，其是采用上述全切型晶圆芯粒分离方法从晶圆上分离而得的。

38、（三）有益效果

39、与现有晶圆芯粒分离技术相比，本发明所提供的一种全切型晶圆芯粒分离方法、设备及半导体芯片，具有以下显著的有益效果：

40、首先，本发明彻底摒弃了机械刀轮切割工序，采用正面绿光皮秒激光开槽与背面红外纳秒激光隐切相结合的全激光复合工艺。这一根本性改进从根源上消除了刀轮切割过程中机械应力导致的芯粒边缘崩边、微裂纹和残余应力问题，分离后的芯粒侧壁完整光滑，无刀轮加工痕迹。

41、其次，本发明对激光隐切的扫描策略进行了针对性优化，采用先在晶圆内部由背面向正面逐步扫描、再进行最深穿透扫描、最后进行稍浅穿透扫描的方式，同时配合激光功率总体递减的控制逻辑。与传统由浅至深的扫描方式相比，该策略避免了已形成的浅层改质层对后续激光的散射和能量衰减，确保每一层改质都能在纯净的单晶硅环境中完成，最终在晶圆厚度方向形成连续、均匀、高密度的改质脆性带。这一优化不仅解决了厚晶圆改质不连续的问题，也进一步提升了芯粒侧壁的力学性能。

42、最后，本发明的工艺适应性显著优于现有技术。采用绿光皮秒激光进行正面开槽，切割道最小宽度可窄至30μm，比传统刀轮切割方案减少了40%以上，有效提高了晶圆面积利用率。同时，本方法可稳定处理厚度在100μm至790μm范围内的晶圆，覆盖了从超薄消费电子芯片到厚型功率器件的绝大多数应用场景，大幅拓宽了工艺适用范围，降低了企业的设备投入成本。