俄羅斯科學與(yu) 創新發展的趨勢為(wei) 對微米和納米技術領域之研發，並將其結果導入生產(chan) 。

　　由於(yu) 現代電子產(chan) 品發展突飛猛進，使儀(yi) 器和工藝設備尺寸縮小。微米和納米技術與(yu) 製造微米、納米物體(ti) 的方法直接相關(guan) ，其尺寸至少在一個(ge) 維度上不大於(yu) 100µm或100nm。為(wei) 製造以微米和納米技術為(wei) 基礎之電子產(chan) 品，采用的是經充分驗證之材料及新材料，擁有廣大潛力能為(wei) 特定應用取得可控製、有利的物理化學性質。

　　用於(yu) 生產(chan) 半導體(ti) 器件之傳(chuan) 統晶圓材料均屬脆性，而印刷其上的結構因物理特性加深後續生產(chan) 製程難度。此外，精密器件加工複雜促使收益增加、開發更為(wei) 繁複的結構，並優(you) 化半導體(ti) 晶圓有效區域之應用，同時又要維持售價(jia) 與(yu) 運營成本。

　　目前將晶圓分離成芯片的主要技術皆建立於(yu) 機械與(yu) 激光切割基礎上，即鑽石劃線後裂片、帶外刀刃的鑽石圓盤鋸片切割、激光劃線後裂片、激光切割等。

　　本文分析非金屬材料晶圓的切割技術和方法，闡述芯片品質研究結果，並特別著重激光控製熱裂解（Laser Controlled Thermal Cracking，以下簡稱LCT）^[1-4]及其在製造各式電子產(chan) 品的應用^[5]。

1  現有晶圓切割技術與(yu) 設備分析

　　首先探討鑽石劃線後裂片，以及帶外刀刃的鑽石圓盤鋸片切割。

　　半導體(ti) 晶圓機械劃線直至1990年代未曾改變^[6]，刀具有硬質合金刀輪、三角錐或四角錐台等形式，皆以鑽石及其他硬質合金製成，因其耐磨性最佳。機械劃線用角錐的稜劃線，輪流標示刻槽，此法的應用受限於(yu) 有如應力集中係數k之標準，透過施加彎矩決(jue) 定在表麵的最大彎曲應力，可經下列公式計算：

其中，t：晶圓厚度；d：切割深度；r：鑽石粒徑。

　　由此可知，晶圓愈厚所需的彎曲應力愈大。可透過增加劃痕深度減少所需的彎曲應力，但如此沿切割線的缺陷程度便會(hui) 增加，且劃線工具上壓力提高可能導致材料分裂不受控製；另可加大鑽石粒徑，但同樣會(hui) 影響芯片斷麵品質及其機械強度。

　　半導體(ti) 晶圓機械劃片和分割的設備廠商有法國JFP及Cefori、台灣愛玻麗(li) 工業(ye) 、英國Loadpoint等公司。

　　在生產(chan) 中最簡易的晶圓切割法為(wei) 鑽石圓盤鋸片切割。當切割深度不超過1.5 mm，可使用帶外刀刃的鑽石圓鋸片將晶圓切割分離成芯片^[7]。有時采用間隔距離與(yu) 欲切割芯片尺寸相等的鋸片組，或用配備雙軸之機器。根據不同任務，圓盤厚度為(wei) 0.02～0.32 mm（20～320 µm）不等。鑽石圓盤切割之目的旨在實現寬度20 µm的鋸痕，然而，卻更常出現寬度達250 µm的鋸痕，關(guan) 鍵在於(yu) 刀片材料、鑽石顆粒粒度和密集度、旋轉與(yu) 切割速度等眾(zhong) 多因素。

　　帶外刀刃的鑽石圓盤鋸片切割缺點為(wei) 刀具硬度G不高，該部分主要取決(jue) 於(yu) 其尺寸（含厚度和外徑）的比例，而硬度與(yu) 主要操作因素相關(guan) ，如下列關(guan) 係式：

(2)

　　其中，K_m：（用來說明材料性質的）係數；W：轉數；V_cut：切割速度；m, n：常數。

　　強化刀具硬度的方式有二：其中一種為(wei) 采用厚切割鋸片，但將加大鋸口寬度並增加材料損失；另一種則為(wei) 提高切割鋸片轉速，此時產(chan) 生之離心力會(hui) 給予額外的硬度，但隨著轉數增多，鋸片刀刃產(chan) 生振動，流體(ti) 力學過程加強，也會(hui) 導致切割區域缺陷數量、大小皆增加。

　　製造切割晶圓的外刀刃鑽石圓盤鋸片設備和工具廠商有：ESTO（俄羅斯）、PLANAR（白俄羅斯）、Loadpoint（英國）、ADT先進切割科技（以色列）、迪思科及東(dong) 京精密（日本）等。

　　相較於(yu) 機械法，透過激光劃線及切割晶圓的方法仍處於(yu) 發展階段。隨著晶圓直徑加大、激光器更為(wei) 便宜且產(chan) 能增長，其生產(chan) 優(you) 勢也顯著提升。

　　本文將探討激光切割晶圓的許多研究，包含使用具有各種波長範圍輻射^{[8, 9]}、不同脈衝(chong) 寬度（飛秒、皮秒至納秒^[10-13]）與(yu) 功率之激光。惟上述加工皆未將切割厚度200µm以上的晶圓列入考慮。

　　已確知脈衝(chong) 頻率愈高，切割速度愈快，為(wei) 材料內(nei) 部能量分布增加所致。然每一發脈衝(chong) 燒蝕深度的增加會(hui) 引發如熔化、裂紋、非晶化和殘餘(yu) 應力積累等熱影響。將晶圓分離為(wei) 芯片時，這些熱影響導致芯片強度降低，損壞表層薄膜與(yu) 敏感的電子器件。

　　激光劃線時，切割道寬達2.5～100 µm，取決(jue) 於(yu) 輻射源、光學儀(yi) 器及其他輔助係統；而速度變化可在5～300 mm/s範圍內(nei) ，決(jue) 定性因素為(wei) 加工材料之性質、厚度及其他參數。為(wei) 順利對劃線後之材料進行機械劈裂，劃線深度必須超過材料厚度的30%，例如，日本迪思科公司官網即有激光劃線和激光切割非金屬材料設備介紹^[14]。

　　有一項新技術是用激光透過熱衝(chong) 擊對材料引起可控製的破壞。約莫13年前，由日本濱鬆公司開發出來並取得專(zhuan) 利之「隱形切割法」在晶圓切割實際應用上前景可期。此方法是將部分透明的激光光斑聚焦在板材內(nei) 部接近晶圓表麵之處，並沿著預定方向對材料引發可控製的破壞。當材料內(nei) 部具備的功率密度足夠，會(hui) 形成一條微裂紋、點缺陷的線，與(yu) 製作紀念品的玻璃半成品內(nei) 部3D激光打標雷同^[15]，且如同任一種劃線法，施加內(nei) 部缺陷後必須再進行劈裂作業(ye) 。

　　原則上隱形切割法因具備速度快、零汙染、切割寬度近乎為(wei) 零等優(you) 點，而被視為(wei) 理想的晶圓切割解決(jue) 方案。據各方資料顯示，隱形切割速度可高達600 mm/s，關(guan) 鍵因素在於(yu) 材料及其厚度、激光器功率參數。

2  激光控製熱裂解法（LCT法、韓卓申科切割法、Kondratenko切割法）

　　80年代範德米爾．史戴潘諾維奇．韓卓申科教授在蘇聯發明LCT法^[16]，過去用於(yu) 製造光電子玻璃產(chan) 品。然而，近十年多種脆性非金屬材料的激光控製熱裂解法迅速發展，並應用在各科技領域。許多關(guan) 於(yu) LCT法應用的出版品，以及發展該方法與(yu) 製造成套工藝設備的專(zhuan) 利^[1-4]皆可證實該論點。

　　LCT製程基礎是激光光斑沿晶圓切割線進行加熱，隨後再以致冷劑冷卻受熱處。激光輻射照射材料表麵會(hui) 使外層產(chan) 生顯著的壓縮應力，但不會(hui) 造成斷裂。正因致冷劑促使局部劇烈冷卻，所形成之溫度梯度導致表麵層產(chan) 生拉伸應力，才得以使裂紋推進（如圖1）。

圖1　以LCT法生成微裂之示意圖

　　加熱和冷卻之選配旨在於(yu) 指定深度（占晶圓厚度10～50%處）形成微裂紋，或是直接切穿。此外，相較於(yu) 傳(chuan) 統方法，切割速度也提高了多個(ge) 數量級──厚度較薄的產(chan) 品速度更可能超過1000 mm/s；由於(yu) 前述性能，全世界首次將激光切割導入浮法玻璃之生產(chan) ^[17,18]。浮法玻璃係指鋪在錫液表麵上的熔融玻璃，全球多達80%平板玻璃皆以該方式製成，其切割通常采機械法，所形成之微裂紋及其他缺陷致使強度下降50～60%。

　　LCT法除了生產(chan) 效率極高、絕無缺陷（裂紋或缺口）之外，強度亦高於(yu) 傳(chuan) 統方法五倍之多^{[19, 20]}。材料不論厚薄均能以LCT技術切割，如厚達20 mm之玻璃或僅(jin) 50μm之薄藍寶石晶圓^[21-23]品質均優(you) 。無論直線或異形切割，铌酸鋰、鉭酸鋰、碳化矽、砷化镓、微晶玻璃、陶瓷、玻璃、石英或甚至鑽石的斷麵皆相當完美及平滑^[24]。由於(yu) 毫無缺陷，也便不需保留餘(yu) 量以處理刀具遺下之缺陷。如由莫斯科廠藍寶石開放式股份公司生產(chan) 的RT-350和RT-500激光控製熱裂解設備^[25-27]用於(yu) 晶圓切割，即為(wei) 實現此方法之一例。

　　運用LCT法切割脆性材料時，邊緣強度比機械或激光劃線高出5～5.5倍，且不會(hui) 對集成電路的技術操作參數產(chan) 生負麵影響^[28-30]。相對於(yu) 傳(chuan) 統切割法無疑具有極大優(you) 勢，但以LCT法沿交叉線切割有一定難度。LCT後高強度、無缺陷的晶圓斷麵阻止裂紋在原切割線相交處推進，因而開發出得以克服此限製之方案，並獲取專(zhuan) 利權^{[3, 4]}。

　　韓卓申科教授是鴻海科技集團的科學顧問，該集團為(wei) 生產(chan) 蘋果公司電子產(chan) 品及旗艦小配件的全球領導者。利用LCT法開發切割玻璃及藍寶石產(chan) 品的技術設備為(wei) 其主要合作方向。鴻海科技集團2007年即成立研究生產(chan) 車間，後發明以萬(wan) 用技術設備執行異形激光切割和雙麵倒角的製程^[31-33]，用於(yu) 與(yu) 蘋果公司iphoness、ipads和iMac等移動設備相似的防護屏（如圖2）。

圖2　移動設備防護屏

　　俄羅斯綠城TM激光和設備公司根據與(yu) 專(zhuan) 利權人簽訂之許可協議，導入在俄應用LCT技術所累積的經驗。2014年出產(chan) 之MLP1-1060/355試生產(chan) 設備（如圖3）即適用於(yu) 藍寶石與(yu) 其他脆性非金屬材料晶圓LCT切割^[34]。

圖3　俄羅斯設備MLP1-1060/355

　　取LCT法切割晶圓後所得之藍寶石芯片斷麵照片進行比較（如圖4），可見LCT明顯優(you) 於(yu) 其他熟知的競爭(zheng) 技術；其切割速度介於(yu) 30～500 mm/s間，視藍寶石厚度（30～1000 μm）而定。一般來說，藍寶石在一個(ge) 工藝周期內(nei) 即一刀切穿，僅(jin) 在某些情況下會(hui) 於(yu) 占材料厚度10～30%處先行作出初始微裂，再以激光或機械劈裂完成切割，如藍寶石防護屏閉環切割便建議依前述方式操作。

圖4　厚110μm的藍寶石芯片斷麵

　　接續探討以LCT法解決(jue) 有機發光二極體(ti) （Organic Light Emitting Diode，以下簡稱OLED）矽晶圓切割質量的問題，尤以生產(chan) 微型顯示器為(wei) 主^{[8, 35-37]}。以玻璃基板封裝並帶有OLED的切割用矽晶圓成本相當高。

　　OLED微型顯示器領域的先驅有eMagine（美國）、索尼（日本）、MicroOLED（法國）、奧雷德（中國）和TOPE Ltd.（俄羅斯）等製造商，采行傳(chuan) 統方法將矽晶圓切割成芯片，然即便最佳工藝參數也無法對OLED芯片進行品質管理，因而借助LCT開發新的激光切割法，可由反麵加工用防護玻璃封裝之矽晶圓。以感光度範圍介於(yu) 1460～1625 nm（矽透射率»55%）的紅外線攝像機沿切割線瞄準，以便識別矽晶圓工作麵上用於(yu) 對位的參考標記。矽經韓卓申科切割法一刀切穿後OLED結構不會(hui) 受損^[38,39]，切割時不致過熱，斷麵光滑，而邊緣也毫無缺陷。

　　將鑽石圓盤鋸片及LCT切割後之芯片斷麵品質進行比較，並以型號XP-200的Ambioses（美國）表麵光度儀(yi) 測量芯片工作斷麵的表麵粗糙度（如圖5），鋸片切割後為(wei) R_а= 23.407 μm，而LCT後則不大於(yu) R_а~0.005μm。

圖 5　芯片斷麵照及其表麵輪廓圖

3  結論

將LCT法導入生產(chan) 以半導體(ti) 晶圓為(wei) 基底的防護屏、顯示麵板和現代電子產(chan) 品等製程，可提高生產(chan) 率及合格率。此成果來自LCT法相對於(yu) 競爭(zheng) 技術之主要優(you) 勢，即：

(一) 沿切割線無缺陷，可由粗糙度值證明，通常超越競爭(zheng) 對手多個(ge) 數量級。

(二) 由於(yu) 邊緣無缺陷，與(yu) 傳(chuan) 統技術相比，LCT之後產(chan) 品機械強度高出5倍之多。

(三) 製程速度快，實際能力較其他方法高出數倍。

(四) 晶圓工作表麵上各元件和結構不會(hui) 惡化或改變。

如今，韓卓申科切割法創始人及支持者持續在各行業(ye) 和研究中將此技術發揚光大，如英屬開曼群島商納諾股份有限公司便致力於(yu) 各種脆性非金屬材料切割技術，以及新一代設備之開發、拓展與(yu) 導入。

¹俄羅斯科技大學物理與(yu) 技術學院光學暨生物工程係統與(yu) 技術教研室，莫斯科 107996

E-mail:vsk1950@mail.ru

²國際技術科學院，莫斯科 127051

³有機和印刷電子技術股份有限公司，莫斯科 107497

E-mail:ivi061@gmail.com

⁴英屬開曼群島商納諾股份有限公司材料激光加工實驗室，台北11493

E-mail: jasber@nanoplustech.com（呂鴻圖）

lasercutan@163.com（納烏(wu) 莫夫  A S）

wynadya@nanoplustech.com（王薇媛）

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