半导体激光切割工艺专利技术浅析

禹业晓

摘要：研究了激光切割半导体的应用价值和特点，分析了截止2016年10月涉及半导体激光切割工艺的专利申请，并针对相关专利申请的国内外来华申请量趋势、主要国外来华国家和来华申请人以及切割工艺种类进行了分析研究。

关键词：半导体；激光切割；特点；复合切割

1半导体激光切割的应用价值和特点

近年来，我国电子信息产业一直保持着高速发展的强劲势头，已成为我国国民经济的第一支柱产业，目前我们生活中随处可见的手机、电脑、电视、汽车等无不需要集成电路的支撑，同时也积极推动着集成电路产业的发展。而集成电路需要半导体作为载体存在，其需要在半导体晶圆上集成电路，从而形成应用于各种产品的芯片。随着晶圆上器件集成度的增加、芯片尺寸减小、切槽宽度减小，芯片厚度越来越薄，晶圆制程中应用到更多新材料，这些都对芯片制造中的划片工序提出了更高的要求。

划片工序是将集成电路整片晶圆分割成单个芯粒的工艺过程，传统的晶圆切割主要有刀轮切割和化学刻蚀，其中刀轮切割切槽宽、机械应力大易崩边、破片；而化学切割速度慢、易污染材料，二者均有不可避免的局限性，后来激光切割技术应用到晶圆切割中，激光具有相关性好、亮度高、单色性好等特点，特别能够满足晶圆切割要求。具有以下特点：1）非接触加工不易产生裂纹及应力，不存在刀具磨损使晶圆表面结构损伤；2）可以切割任意图形；3）光斑可调，速度快、切槽窄，可实现亚微米级切割，且经加工的晶圆切缝光滑，不存在隐形裂痕。

2 半导体激光切割工艺概述。

半导体的激光切割工艺可以分为复合切割和纯激光切割。

纯激光切割是指在切割过程中仅采用激光束将半导体切断而不借助其他外力或刻蚀而将加半导体切断。目前，由于现有激光束的能量限制，以及半导体的切断中本身需要尽量降低输入，纯激光切割技术很难一次就能将半导体切断，通常需要激光束来回多次对半导体照射而一层层将其割断，纯激光切割仅少量用于切割厚度较薄，对精度要求不高的应用中。

复合切割是在切割过程中采用激光束照射工件前或后，或照射工件的同时，配合其他外力或刻蚀将半导体切断。其相对于纯激光切割，能加工厚度较大的半导体，并且能在一定程度上降低热输入对半导体的影响。根据复合切割技术原理又可把复合切割分为隐形切割、激光划片+机械断裂、激光辐照+冷却、机械划片+激光分离、化学刻蚀+激光分离。

隐形切割是将能穿透材料的特定波长的激光束聚焦到材料内部，在焦点附近形成机械损伤层或应力层，实现了材料的“内部”切割。隐形切割具有高速切割、高质量、低切口损失、完全干性的过程等特点。

激光划片+机械断裂是指在切割过程中采用激光束照射晶圆，在晶圆表面形成分离槽，然后通过机械外力沿着分离槽将晶圆分离，该划片方法将传统切割方法和激光切割结合在一起，利用两种切割方法的优点对半导体芯片切割。

激光辐照+冷却技术是指沿预定线以点状激光束照射加热半导体，并对加热部位喷射冷煤，形成垂直裂痕，也即通过产生于加热点周围的压缩应力与产生于冷却点周围的拉伸应力间的应力差，形成垂直裂痕从而使工件断开。

机械划片+激光分离是指在切割过程中采用机械外力在晶圆表面形成分离槽，然后通过激光照射分离槽将晶圆分离，该但机械划片过程一般产生较大应力。

化学刻蚀+激光分离是指在切割过程中采用化学方法在晶圆表面形成刻蚀槽，然后通过激光照射刻蚀槽将晶圆分离。

3半导体激光切割工艺专利分析

图1国内和国外来华申请量趋势图

随着激光技术不断发展和激光技术深入半导体行业，激光切割技术开始用于切割半导体。由图1可知，自2000年以后，随着国内改革开放以及带来的经济科学技术的发展，国内制造业开始发展壮大，且作为最大消费市场，潜力巨大，国外申请人开始在国内布局专利，尤其浜松光子新开发出隐形切割技术后，开始大量进入中国进行相关核心技术保护，随后日本其他企业也跟随浜松光子进入中国进行大量的专利布局，而且申请量较大，布局许多专利形成了一个专利池。而国内也开始了相关技术的研究，但直到2003年才开始进行专利布局，但基本核心技术基本掌握在日本企业手中，国内企业院校只能布局一些外围专利，随后几年有了一些零星的申请，直到2010年后，受到下游产业链，芯片，电子产品芯片，太阳能电池等需求增长的推动，国内申请量开始稳定增长。而对于国内申请人，由于半导体产品需求量的增加，而且自身由于缺乏相关技术，靠技术和设备进口带来的生产成本的增加，促使国内申请人开始在2006年前后进行该领域的研发投入并转化为专利成果，并从2006年开始申请量保持着增长的态势。

图2专利申请量排名靠前的国外来华申请人申请量份额图

如图2所示申请量排名前八的国外来华申请人申请量约占总申请量的85%，显示了较大程度的优势与集中。在申请量排名靠前的国外来华申请人中，来自日本的浜松光子和株式会社迪思科排第一、第二，分别占比34%和33%，具有绝对的优势，排名第三的三星钻石占比13%，也具有较强的优势。此外，在靠前排名中，除了日本的日亚化学、松下电器、株式会社藤仓，美国的伊蕾克托、韩国的三星电子也在这一技术领域进行了专利布局。

图3激光切割工艺技术申请量分布

由图3可以看出，激光切割工艺技术的复合切割和纯激光切割中前一类型，占据总申请量的79%，说明了复合切割技术作为市场的技术主流，在实际生产应用较为广泛，而复合切割技术分支中排名第一、第二的隐形切割和激光划片+机械断裂技术分别占比60%和30%，以绝对优势占据前两位，也说明了这两种技术为企业生产应用中的主流技术。

4总结

通过上述分析可知，半导体的激光切割工艺的核心技术主要包括复合切割和纯激光切割两大类，而复合激光切割技术中研究应用较多的为隐形切割和激光划片+机械断裂，这两种技术为企业生产应用中的主流技术，但基本掌握在日本的浜松光子和株式会社迪思科企业中。