李曼， 彭川， 馮晨， 侯煜， 宋琦， 石海燕， 王秋明， 張紫辰

（1.中國科學(xué)院微電子研究所， 北京 100029；2.空軍裝備部駐蕪湖地區(qū)軍事代表室， 安徽 蕪湖 241000；3.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院， 北京 100007）

0 引言

隨著芯片功能的提升和材料的換代， 芯片結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、 器件的敏感性也變得更高。 基于低介電常數(shù)（Low-K） 材料覆蓋的晶圓制備工藝是目前業(yè)界發(fā)展的重點(diǎn)。 由于Low-K 材料中存在金屬互連層， 導(dǎo)致傳統(tǒng)刀輪的機(jī)械加工方法往往會帶來飛濺、 崩邊、 材料分層和焊盤腐蝕等問題， 已經(jīng)無法滿足窄切割道、 切割道帶有測試圖形等大尺寸晶圓切割的需求。 當(dāng)前先進(jìn)半導(dǎo)體制造工藝開始逐步地引入專用激光開槽工藝以實(shí)現(xiàn)晶圓的分離， 該技術(shù)主要利用激光的高精度、 非接觸和加工路徑靈活可控等優(yōu)點(diǎn)， 去除切割道表面Low-K 材料， 再采用襯底材料去除工藝， 實(shí)現(xiàn)切割效果的提升。

國內(nèi)芯片激光開槽技術(shù)目前整體仍處于起步階段， 自主可控設(shè)備的產(chǎn)品較少， 研究熱點(diǎn)主要圍繞不同材料的加工， 開展激光光斑的能量分布與槽型的實(shí)驗(yàn)。 在選擇工藝參數(shù)的過程中， 多采用工藝迭代的方式找出滿足需求的加工方案， 對芯片激光開槽工藝質(zhì)量定性評價(jià)和穩(wěn)定性研究的工作開展相對較少， 在面向應(yīng)用的市場環(huán)境下， 工藝技術(shù)質(zhì)量穩(wěn)定性決定了工藝技術(shù)能力和產(chǎn)品質(zhì)量水平。

1 激光開槽工藝質(zhì)量評價(jià)要求及評定準(zhǔn)則

1.1 激光開槽質(zhì)量評價(jià)要求

利用激光輻射的高能量密度、 時(shí)間上的超短脈沖效應(yīng)和空間上的高分辨率等特性， 可對芯片做到快速無應(yīng)力釋放加工效果， 實(shí)現(xiàn)開槽形貌的高精度控制。 開槽形貌是指在不影響器件性能的前提下，對槽型寬度、 深度及整體輪廓的控制槽型， 趨近于實(shí)際的加工需求。 隨著芯片開槽工藝的實(shí)施，Low-K 與襯底材料層接觸面處的凹槽寬度（有效寬度） 應(yīng)大于機(jī)械劃片刀面的本征寬度。 為了提高加工效率， 激光開槽深度的理想效果為恰好去除Low-K 層并將襯底暴露出來。 因此， 在機(jī)械劃片涉及區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)Low-K 金屬材料的全部去除， 是高質(zhì)量、 高效率Low-K 材料激光開槽工藝的核心要求。

若凹槽呈近似“V” 形， 需在切割道允許寬度范圍內(nèi)加大上表面槽寬和開槽深度； 若開槽形貌槽形結(jié)構(gòu)近似“凵” 形， 槽壁更加陡直， 則既能較大地提高加工效率， 又能保證后續(xù)加工需求， 進(jìn)而提高產(chǎn)品良率。 槽型形貌特征為上表面槽寬、 槽壁夾角、 開槽深度和底部波動距離， 且開槽深度需穩(wěn)定地覆蓋Low-K 厚度。 激光開槽工藝質(zhì)量評價(jià)是多指標(biāo)的綜合評價(jià)， 需要實(shí)際工藝需求的研判。

1.2 激光開槽質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)

激光開槽工藝質(zhì)量控制核心要求是將Low-K及其包含的金屬層材料全部去除， 從而達(dá)到機(jī)械劃片刀面活動范圍寬度， 如圖1 所示。 開槽深度的有效判據(jù)為： 開槽深度H 大于Low-K 厚度Hl與底部波動Δh 之和為槽深有效， 即H＞Hl+Δh。

圖1 開槽指標(biāo)參數(shù)示意圖

開槽寬度的有效判據(jù)為： 機(jī)械劃片刀面活動范圍寬度即開槽有效寬度W＇ 大于有效寬度目標(biāo)值WT為槽寬有效， 即W＇＞W(wǎng)T。

2 激光開槽工藝質(zhì)量控制

將影響開槽工藝質(zhì)量的原因稱為工藝質(zhì)量因素。 工藝質(zhì)量因素可以分為可控因素和隨機(jī)因素（不可控因素） 兩類。 在明確質(zhì)量評價(jià)要求及評定準(zhǔn)則后， 分類別地建立質(zhì)量控制方案， 形成一套完整的激光開槽工藝質(zhì)量控制策略模型。

2.1 可控因素質(zhì)量控制

2.1.1 方案設(shè)計(jì)

日本田口玄一（Taguchi） 博士開發(fā)的正交試驗(yàn)方法， 當(dāng)前已成為質(zhì)量設(shè)計(jì)的重要工具[4]。 通過正交試驗(yàn)分析激光開槽質(zhì)量影響因素對質(zhì)量特性波動的影響， 為工藝穩(wěn)定性優(yōu)化和工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考與指導(dǎo)。

a） 明確目的， 確定指標(biāo)

1） 目的

利用與工藝質(zhì)量目標(biāo)相關(guān)的可控因素正交表進(jìn)行試驗(yàn)， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)按極差法分析同一因素不同水平試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果的波動性。 極差值越大說明該因素的不同水平對指標(biāo)的波動影響越大， 應(yīng)作為主要控制對象（主要因素）。

2） 指標(biāo)

開槽深度為： H＞Hl+Δh， Hl=5 μm， WT=20 μm。

開槽有效寬度W＇、 Low-K 厚度Hl、 上表面寬度/槽寬W、 開槽深度H、 底部波動Δh 和槽壁夾角θ 之間的關(guān)系可近似地表示為：

凹槽特征數(shù)據(jù)測量具有一定的主觀性， 所有的數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)一歸類為試驗(yàn)隨機(jī)誤差。

b） 因素分析

在激光開槽工藝中， 以連續(xù)或重復(fù)脈沖方式工作， 光路經(jīng)過擴(kuò)束、 整形后激光束聚焦成微米級光斑， 焦點(diǎn)處光斑處達(dá)到一定的功率密度， 被吸收的激光輻射使材料發(fā)生相變， 顯示出氣化、 蒸發(fā)和孔洞等現(xiàn)象。 隨著光束與被作用區(qū)域的材料形成的相對移動， 特定的溝槽結(jié)構(gòu)即可呈現(xiàn)。其中， 激光平均能量密度對開槽效率和開槽質(zhì)量具有重要的影響。 比如： 為達(dá)到開槽深度， 激光加工過程需要多次重復(fù)掃描， 此過程的輔助參數(shù)還包括單脈沖能量、 激光頻率、 掃描速度、 加工掃描次數(shù)和脈寬等。

c） 制定因素水平表

激光光源選用飛秒綠光， 經(jīng)光路整形為方形平頂光斑。 針對掃描速度、 激光頻率、 單脈沖能量、 掃描次數(shù)和脈寬5 個(gè)因素， 每個(gè)因素取4 個(gè)水平， 采用正交表L16（45）開展正交試驗(yàn)。 每項(xiàng)試驗(yàn)取10 組結(jié)果的數(shù)據(jù)平均值記做該項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果。 如表1 所示。

表1 激光開槽試驗(yàn)因素水平表

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

激光開槽試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示， Low-k 材料芯片正交試驗(yàn)激光開槽表面形貌圖如圖2 所示， 上表面槽寬——極差分析表如表3 所示， 槽深——極差分析表如表4 所示， 槽壁夾角——極差分析表如表5 所示， 底部波動——極左分析表如表6 所示。

表3 上表面槽寬-極差分析表

表4 槽深-極差分析表

表5 槽壁夾角-極差分析表

表6 底部波動-極差分析表

圖2 Low-K 材料芯片正交試驗(yàn)激光開槽表面形貌圖

表2 激光開槽試驗(yàn)結(jié)果

從表3 中可以看出， 影響激光上表面槽寬穩(wěn)定性因素的主次順序?yàn)镃＞B＞D＞A＞E。 16 組試驗(yàn)中僅第4、 7、 8、 12、 16 組方案可實(shí)現(xiàn)開槽深度有效。根據(jù)公式（1） 計(jì)算第4、 7、 8、 12、 16 組的有效開槽寬度依次為32.776、 27.296、 27.273、 22.352、21.180 μm， 均大于WT。 為取上表面槽寬極差最小者為優(yōu)， 因此最優(yōu)組合為A2B4C3D2E1。

從表4 中可以看出， 影響激光開槽深度指標(biāo)穩(wěn)定性因素的主次順序?yàn)锽＞C＞A＞D＞E。 對開槽深度指標(biāo)而言，保證開槽深度H大于Low-K 厚度值Hl+Δh， 且超差和底部波動越小越好； 小于Hl+Δh 開槽失敗，此指標(biāo)對衡量開槽是否成功評價(jià)重要度最高。 因此最優(yōu)組合為A4B4C1D3E2。

從表5 中可以看出， 影響槽壁夾角指標(biāo)穩(wěn)定性因素的主次順序?yàn)锽＞A＞E＞D＞C。 對槽壁夾角而言夾角越小越好， 保證開槽深度有效的前提下，A1B4C4D4E4槽壁夾角最小。 因此最優(yōu)組合為A1B4C4D4E4。

從表6 中可以看出， 影響槽型底部波動指標(biāo)穩(wěn)定性因素的主次順序?yàn)锽＞D＞A＞E＞C。 對底部波動指標(biāo)而言， 開槽深有效且波動值越小越好， 因此最優(yōu)組合為A2B4C3D2E1。

2.1.3 綜合質(zhì)量波動影響分析

基于以上槽型特性評價(jià)指標(biāo)重要程度及5 個(gè)因素對各個(gè)指標(biāo)的影響次序分析， 激光開槽整體評價(jià)影響因素的主次順序?yàn)锽＞C＞A＞D＞E， 即激光頻率影響最大， 單脈沖能量其次， 掃描速度和掃描次數(shù)影響程度接近， 脈寬影響最小。 在面向具體的生產(chǎn)需求時(shí)， 可依據(jù)影響因素的主次順序B＞C＞A＞D＞E來優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)， 有效地制定最佳工藝參數(shù)。

2.1.4 方案分析

a） 正交試驗(yàn)綜合平衡分析

當(dāng)指標(biāo)重要性不同時(shí)， 首先選取重要性高的指標(biāo)影響較好的水平； 當(dāng)指標(biāo)重要性相近時(shí)選取對大多數(shù)指標(biāo)影響較明顯的水平。

其中， 當(dāng)開槽深度小于Low-K 厚度（5 μm）時(shí)開槽失??； 開槽深度大于Low-K 厚度（5 μm）時(shí)， 指標(biāo)重要程度依次為開槽寬度＞槽壁夾角＞開槽深度＞底部波動。

1） 因素A 掃描速度

對開槽寬度為第四影響因素（屬次要因素），對槽壁夾角為第二影響因素， 對開槽深度和底部波動均為第三影響因素， 故A 選取第一水平。

2） 因素B 激光頻率

對開槽寬度為第二影響因素， 對其他指標(biāo)均為第一影響因素， 故B 選取第四水平。

3） 因素C 單脈沖能量

對開槽寬度為第一影響因素， 對開槽深度為第二影響因素， 對底部波動和槽壁夾角均為最次要因素（可不做考慮）， 故C 選取第三水平。

4） 因素D 掃描次數(shù)

對開槽寬度為第三影響因素， 對開槽深度和槽壁夾角為第四影響因素， 對底部波動為第二影響因素， 故D 選取第二水平。

5） 因素E 脈寬

對開槽寬度和開槽深度均為最次要因素（可不做考慮）， 對槽壁夾角為第三影響因素， 對底部波動為第四影響因素， 因此E 對所有的指標(biāo)均不是主要因素， 故E 可選第四水平或根據(jù)生產(chǎn)情況任選， 不做重點(diǎn)考慮。

經(jīng)綜合平衡分析， 最后得到的參數(shù)組合為A1B4C3D2E4， 掃描速度為1 000 mm/s， 激光頻率為2 000 kHz， 單脈沖能量為11.78 J。 開槽形貌槽寬/槽 寬 極 差 為38.961 μm/4.864 μm， 槽 深 為12.557 μm， 底 部 波 動 為1.147 5 μm， 夾 角 為128.43°， 有效寬度為33.647 μm。

b） 專家系統(tǒng)評定

建立專家評分系統(tǒng)（如表7 所示） 以綜合評定激光開槽工藝質(zhì)量。 總評分P 可表示為：

表7 專家系統(tǒng)評分準(zhǔn)則

總評分P≤2 時(shí)， 判定方案等級為一級（不采用）； 2＜P≤6 時(shí)， 方案等級為二級（待優(yōu)化）； 6＜P≤10 時(shí)， 方案等級為三級（方案可行）。 總評分分?jǐn)?shù)相同時(shí)， 增大Pw權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)、 公式（1） - （2） 和專家系統(tǒng)評分準(zhǔn)則， 有效的試驗(yàn)方案評分情況如表8 所示。

表8 專家系統(tǒng)評分

經(jīng)專家系統(tǒng)評定方案A2B4C3D2E1與方案A1B4C3D2E4均可滿足要求， 相對最優(yōu)方案為A2B4C3D2E1。 比較兩個(gè)方案發(fā)現(xiàn)， 改變因素A、 E的水平對開槽質(zhì)量影響不大， 與綜合質(zhì)量波動影響分析中的結(jié)論（激光開槽整體評價(jià)影響因素的主次順序?yàn)锽CADE） 一致。

2.2 隨機(jī)因素質(zhì)量控制方案

減少不可控因素（隨機(jī)因素） 的影響， 從而保證工藝質(zhì)量特性穩(wěn)定， 激光加工系統(tǒng)健壯、 可靠。從激光開槽工藝活動分析， 引入不可控工藝質(zhì)量因素的途徑主要有人員因素、 環(huán)境因素和操作規(guī)程因素3 種。

2.2.1 重視人員的可靠性

人員的生理健康、 責(zé)任意識、 技術(shù)水平和對作業(yè)質(zhì)量的認(rèn)知程度差異， 會對質(zhì)量控制產(chǎn)生直接或間接影響。 因此， 要加強(qiáng)操作人員的責(zé)任意識、 質(zhì)量意識和職業(yè)道德教育； 加強(qiáng)專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，提高專業(yè)作業(yè)能力水平； 完善規(guī)章制度， 加強(qiáng)管理機(jī)制， 杜絕人為差錯(cuò)， 建立有效的防錯(cuò)和糾錯(cuò)基本途徑。

2.2.2 加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)控

激光器輸出特性與溫度因素有直接的對應(yīng)關(guān)系， 當(dāng)環(huán)境溫度出現(xiàn)波動時(shí)， 易造成激光波長漂移、 激光功率不穩(wěn)定等情況出現(xiàn)。 激光開槽工藝技術(shù)精度已達(dá)到微米量級， 溫度波動易造成設(shè)備部件的機(jī)械件表面微形變， 引起加工定位點(diǎn)機(jī)械漂移現(xiàn)象出現(xiàn)[2]。 環(huán)境濕度影響設(shè)備的電性能質(zhì)量， 進(jìn)而影響激光開槽平臺的運(yùn)行質(zhì)量穩(wěn)定性。 周圍環(huán)境的振動導(dǎo)致光路失準(zhǔn)而產(chǎn)生危險(xiǎn)的光束漂移， 影響工藝平臺光路穩(wěn)定性。 環(huán)境粉塵易加重芯片材料表面多余物的幾率， 而材料表面雜質(zhì)造成的高度起伏， 也會觸發(fā)系統(tǒng)頻繁調(diào)整焦點(diǎn)高度， 在高速激光掃描過程中引入隨機(jī)誤差。

實(shí)時(shí)地監(jiān)控工藝環(huán)境溫濕度， 將其納入軟件安全防護(hù)監(jiān)控程序， 保證開槽設(shè)備周圍無振頻設(shè)備和其他熱源。 激光開槽過程中除塵功能持續(xù)地運(yùn)行，防止工藝過程對材料表面造成二次污染。同時(shí)， 激光開槽工藝之前檢查工藝平臺硬件環(huán)境及芯片本身的潔凈情況， 加工平臺是否有多余物需要清理、 芯片表面是否有污染物， 保證安全運(yùn)行環(huán)境條件。

2.2.3 構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)操作規(guī)程

構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)方式是減少質(zhì)量波動的有效手段[2]， 首先， 在標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)過程中要策劃建立工藝質(zhì)量控制文件， 如工藝規(guī)范、 檢驗(yàn)規(guī)范等， 明確工藝技術(shù)要求、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則； 其次， 在工藝實(shí)施過程中要堅(jiān)決落實(shí)工藝標(biāo)準(zhǔn)化方式作業(yè)，規(guī)范執(zhí)行所有的操作工序， 從管理及制度方面加強(qiáng)防錯(cuò)設(shè)計(jì)。

2.3 模型建立與評審

建立質(zhì)量控制系統(tǒng)策略模型如圖4 所示， 為了確定質(zhì)量控制模型的有效性， 確保過程和結(jié)果的有效性， 對質(zhì)量控制模型及最優(yōu)參數(shù)組合方案進(jìn)行評審。 參與評審人員包括方案設(shè)計(jì)人員、 質(zhì)量控制人員和專家代表等， 做好評審結(jié)果記錄保留工作。

圖4 工藝質(zhì)量穩(wěn)定性控制模型

2.4 驗(yàn)證分析

在嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量控制策略的前提下實(shí)施驗(yàn)證，經(jīng)評審后確認(rèn)最終控制方案參數(shù)組合為A2B4C3D2E1。 對Low-K 芯片進(jìn)行重復(fù)激光開槽試驗(yàn)驗(yàn)證， 選取10 組不同位置的芯片進(jìn)行測量， 結(jié)果如表9 所示， 從表9 中可以看出， 上表面開槽寬度平均分布為39.977-4.448+2.819μm， 開槽深度平均分布為12.μm， 底部波動平分布為1.μm，槽壁夾角平均分布為127.°， 有效寬度平均分布為32.μm。 系統(tǒng)整體質(zhì)量穩(wěn)定性控制運(yùn)行有效。

表9 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

3 結(jié)束語

激光開槽工藝質(zhì)量穩(wěn)定性是衡量激光開槽工藝能力的重要準(zhǔn)則。 通過加強(qiáng)人機(jī)可靠性和質(zhì)量管理建設(shè)提升開槽工藝的穩(wěn)定性。 以開槽寬度、 槽壁夾角、 開槽深度和底部波動距離表征Low-K 芯片槽型形貌特征。 對形貌特征指標(biāo)質(zhì)量穩(wěn)定性影響因素分類制定控制策略。 采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行質(zhì)量波動分析， 影響開槽綜合質(zhì)量因素的主次順序依次為激光頻率＞單脈沖能量＞掃描速度＞掃描次數(shù)＞脈寬。提出了一套專家系統(tǒng)評定法， 綜合地選擇最優(yōu)參數(shù)組合方案， 結(jié)論均為A2B4C3D2E1， 掃描速度為1 500 mm/s， 激光頻率為2 000 kHz， 單脈沖能量為11.78 J， 掃描次數(shù)為7 次， 脈寬為243 fs。 以此質(zhì)量控制模型為基礎(chǔ)， 可為不同種類晶圓的激光開槽工藝質(zhì)量控制提供重要的支撐。