CN102468233B - 用激光切割半导体晶圆的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用激光切割半导体晶圆的制作方法，可以有效避免半导体晶粒上的组件在激光切割后因后续制作过程所产生的蚀刻底切现象，包含以下步骤：将保护层覆盖于晶圆表面；对晶圆进行激光切割并分离各晶粒单元；以湿蚀刻去除晶粒上组件的激光切割残余物；以及去除保护层并清洁晶粒上的组件。保护层材质的选择必须考虑下列因素：(1)保护层的材质必须对晶圆有较佳的附着及覆盖能力；(2)保护层的材质必须能够抵挡蚀刻残余物的酸性或碱性蚀刻溶液。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体晶圆的制作方法，特别涉及一种用激光切割半导体晶圆的制作方法。
背景技术
将半导体晶圆(wafer)切割成为个别的组件芯片(chip)或晶粒(die)，是制作半导体组件或集成电路一道不可或缺的步骤，也是最后的制程步骤之一。在过去，大尺寸的晶圆通常是利用钻石刀以机械方式切割出个别晶粒。然而，机械切割过程非常耗时，而且机械式切割也容易对于非常薄的晶圆造成破坏。近年来，对于这种质地较脆弱的晶圆切割，如质地易碎的三五族半导体砷化镓晶圆，已逐渐被激光切割技术所取代。激光切割技术是以高功率激光光聚焦于半导体表面造成局部温度升高而分解。其优点在于切割快速(所需时间约为机械切割的五分之一)，且不易对质地较脆的半导体晶圆造成机械式的破坏。
以砷化镓晶圆切割而言，激光切割的主要问题在于砷化镓残余物(residues)的重铸(recast)以及切割接口所产生的微裂痕(microcracks)。如图1所示，即为激光切割凹槽附近的剖面示意图。在高功率激光光聚焦照射的过程中，砷化镓会开始局部升温并分解出砷蒸汽以及微小的砷化镓残骸颗粒。在激光切割的过程中，这些砷化镓残骸将会重铸于切割边缘及组件表面。为了避免这些砷化镓残骸影响组件特性，组件表面必须覆盖一层保护层，并且在激光切割后以蚀刻的方式去除这些附着的砷化镓残余物。保护层材料的选取，需考虑该材料是否能够抵抗聚焦激光光所产生的高温，并且必须对晶圆表面有很好的附着及覆盖能力。目前常用的保护层是以水溶性的PVA材质为主。然而，在蚀刻砷化镓残余物的同时，水溶性的保护层也随之溶解。因此蚀刻砷化镓残余物的过程也同样会蚀刻组件附近的砷化镓，造成组件边缘产生蚀刻底切(etching undercut)现象，严重影响切割后组件的良率及可靠度。
更换保护层为非水溶性材质是一可行方案。然而，材料的选择需进一步考虑其它因素。例如，在激光切割过程中，一般是以胶膜固定晶圆，如蓝胶膜(blue tape)或紫外线胶膜(UV tape)。因此保护层材质的选择，除了必须能够抵挡蚀刻砷化镓残余物的蚀刻液外，也必须进一步将胶膜的因素列入考虑。由于一般胶膜在高温(＞80℃)环境下容易变质，因此在覆盖及去除该保护层的步骤中，都必须使用较低温的制程。此外，胶膜在某些酸性及碱性溶液中也会产生脱胶或变质，因此制作步骤中所使用的溶液都必须确保胶膜的特性不被破坏。
有鉴于此，发展一种适当的制作方法，来防止砷化镓晶圆在激光切割后在去除砷化镓残余物的过程造成组件边缘的蚀刻底切现象，是当前利用激光切割砷化镓半导体晶圆制作的重要课题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制作方法，用激光切割半导体晶圆及其后续制程，可避免激光切割后半导体组件因后续制程所产生的蚀刻底切现象，因而大幅提升组件良率。
为达上述目的，本发明一种用激光切割半导体晶圆的制作方法，包含以下步骤：
将保护层覆盖于半导体晶圆表面；
对半导体晶圆进行激光切割并分离晶粒单元；
以湿蚀刻去除晶粒上组件的激光切割残余物；以及
去除保护层并清洁晶粒上组件；
本发明的制作方法，于实施时是以胶膜固定晶圆，因此保护层材质的选择应进一步考虑下列因素：
1.保护层的材质必须对砷化镓晶圆有较佳的附着及覆盖能力；
2.保护层的材质必须能够抵挡蚀刻砷化镓残余物的酸性或碱性的蚀刻溶液；
3.于覆盖及去除该保护层的步骤时，均必须确保胶膜的特性不被破坏。
可以达到上述考虑因素的保护层材质包含：
1.非金属保护层：如聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)、有机抗蚀薄膜(organic resistfilm)或蜡。
2.金属保护层：金属或金属合金薄膜(如Ti或TiW)、多层薄膜(如TiW/TiWN或Ti/TiN)或金属及氧化物多层薄膜。
本发明一种用激光切割半导体晶圆的制作方法，其中优选所述半导体晶圆是以砷化镓为基板的半导体组件芯片。
本发明一种用激光切割半导体晶圆的制作方法，所述保护层为一光阻层，所述将保护层覆盖于半导体晶圆表面的步骤进一步包含下列步骤：以旋转涂布方式将光阻层覆盖于半导体晶圆表面；以及利用烘烤方式将光阻层固化，烘烤温度低于80℃。
本发明一种用激光切割半导体晶圆的制作方法，所述以湿蚀刻去除晶粒上组件的激光切割残余物的步骤中所使用的湿蚀刻溶液优选硫酸与过氧化氢的混合水溶液或氢氧化铵与过氧化氢的混合水溶液。
本发明一种用激光切割半导体晶圆的制作方法，所述去除保护层并清洁晶粒上组件的步骤中，优选以含硼酸钾与氢氧化钾的水溶液去除光阻层保护层。
本发明一种用激光切割半导体晶圆的制作方法，优选所述保护层为蜡，以硫酸与过氧化氢的混合水溶液去除蜡保护层。
本发明一种用激光切割半导体晶圆的制作方法，优选所述保护层为金属保护层，更优选金属保护层为钛钨合金(TiW)或钛钨合金以及钛钨合金氮化物(TiW/TiWNx)的双层薄膜或钛以及氮化钛(Ti/TiNx)的双层薄膜，所述去除保护层并清洁晶粒上组件的步骤中，优选以过氧化氢的水溶液去除金属保护层。
为进一步了解本发明，以下举较佳实施例，配合图示、图号，将本发明的具体构成内容及其所达成的功效详细说明如后。
附图说明
图1为半导体晶圆在激光切割凹槽附近的剖面示意图；
图2为本发明针对激光切割半导体晶圆所提出的制作方法的流程示意图；
图3A至3B为实际半导体晶圆经过激光切割后，组件附近表面的光学显微镜影像，其中图3A为采用传统水溶性PVA保护层的结果，图3B则为采用本发明的制作方法，以光阻层作为保护层；
图4A至4B为实际半导体晶圆经过激光切割后，组件附近剖面的扫瞄电子显微镜影像，其中图4A为采用传统水溶性PVA保护层的结果，第4B图则为采用本发明的制作方法，以光阻层作为保护层。
具体实施方式
以下结合附图、实施例和试验数据，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
如图2所示，本发明用激光切割半导体晶圆的制作方法，其包含以下步骤：将保护层覆盖于半导体晶圆表面；对半导体晶圆进行激光切割并分离晶粒单元；以湿蚀刻去除晶粒上组件的激光切割残余物；以及去除保护层并清洁晶粒上组件。保护层材质的选择，必须考虑下列因素：(1)保护层必须能对该半导体晶圆具有良好覆盖能力；以及(2)保护层必须能够抵抗去除激光切割残余物的蚀刻溶液。本发明的制作方法于实施时是以胶膜固定晶圆，因此保护层材质的选择应进一步考虑：(3)于覆盖以及去除该保护层的步骤不会破坏固定半导体晶圆的胶膜特性。
图3A至3B为实际半导体晶圆经过激光切割后，组件附近表面的光学显微镜影像；其中图3A为采用传统水溶性PVA保护层的结果，图3B则为采用本发明的制作方法，以光阻层作为保护层。图4A至4B则为实际半导体晶圆经过激光切割后，组件附近剖面的扫瞄电子显微镜影像；其中，图4A为采用传统水溶性PVA保护层的结果，图4B则为采用本发明的制作方法，以光阻层作为保护层。
可以达到上述考虑因素的保护层材质包含非金属保护层以及金属保护层两类。本发明所公开的制作方法是以砷化镓为基板的半导体晶圆为主，而类似的实施方式仍可应用于其它基板材料的半导体晶圆，如硅(Si)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)或蓝宝石(Sapphire)基板。
为了能对于本发明的特点与作用能有更深入的了解，现以砷化镓为基板的半导体晶圆为实施例，依不同保护层材质详述如下：
1.光阻层
本实施例以光阻层作为保护层的制作方法。当半导体晶圆上的组件制作完成后，先以胶膜固定于载台上，以便进行后续制程。首先，利用旋转涂布(Spin coating)法将光阻层覆盖于半导体晶圆表面。接着再以烘烤的方式，将光阻层固化。由于胶膜在高温环境下容易变质，因此烘烤温度不宜过高。经实验测试，烘烤温度较佳范围应低于80℃，将可确保胶膜的特性。当光阻的保护层覆盖完成后，即可进行激光切割的步骤。在高功率激光光聚焦照射的过程中，砷化镓因局部升温而分解出微小的砷化镓残骸颗粒，且在切割的过程中重铸于切割边缘及组件表面。由于组件表面已经以光阻的保护层覆盖，这些砷化镓残骸颗粒将附着于保护层之上。当半导体晶圆切割完成后，可以利用胶膜的弹性撑开晶圆，形成分离的晶粒附着于胶膜上。当晶粒分离后，即可利用湿蚀刻将晶粒边缘以及组件表面因激光切割所附着的砷化镓残余物去除。原本砷化镓残余物一般是以氢氧化铵(NH4OH)与过氧化氢(H2O2)的水溶液来去除，但此溶液同时也会去除表面的光阻层。因此，本发明改采用硫酸(H2SO4)与过氧化氢(H2O2)的水溶液作为蚀刻液，确保去除砷化镓残余物过程中不会破坏光阻层。清除砷化镓残余物之后，即利用含硼酸钾与氢氧化钾的水溶液(例如台湾科莱恩股份有限公司所生产的显影剂AZ400K)去除光阻层。最后，经由去离子水清洁后即完成所有步骤。
以光阻层作为保护层已经过实验测试，证实在去除砷化镓残余物的湿蚀刻过程中，不会造成晶粒上组件的蚀刻底切现象，因此可以大幅提升组件良率。图3与图4即为利用传统水溶性PVA保护层以及本发明以光阻层作为保护层的半导体晶圆，经由激光切割后组件附近蚀刻底切现象的比较；其中图3为组件表面的光学显微镜(OM)影像，而图4则为组件剖面的扫瞄电子显微镜(SEM)影像。由图3与图4的比较可以看出，利用光阻层作为保护层将可有效去除组件蚀刻底切现象。
2.蜡
经实验测试，蜡亦可作为晶圆表面的保护层。本实施例说明以蜡作为保护层的制作方法。当半导体晶圆上的组件制作完成后，先以胶膜固定于载台上，再将蜡涂布于半导体晶圆表面作为保护层。当蜡保护层覆盖完成后，即可进行激光切割的步骤。当蜡受到高功率激光光聚焦照射时，容易产生剥离而无法有效附着于晶圆表面。此现象可预先利用低功率激光切割表面的蜡，当切割位置的蜡熔解后即可使用高功率激光切割半导体晶圆。由于组件表面已经受到蜡保护，切割的过程中所造成的残骸重铸将附着于蜡保护层之上。晶圆切割完成后，可利用胶膜的弹性撑开晶圆而分离的个别晶粒，使其附着于胶膜上。当晶粒分离后，即可利用湿蚀刻将晶粒边缘以及组件表面因激光切割所附着的残余物去除。值得一提的是，一般蚀刻砷化镓残余物为氢氧化铵(NH4OH)与过氧化氢(H2O2)的水溶液，但此水溶液为碱性，同时也会去除表面的蜡保护层。因此，本发明改采用酸性的蚀刻溶液作为砷化镓蚀刻液，以确保蚀刻砷化镓过程中不会破坏蜡保护层。此蚀刻液可以为，盐酸(HCl)与过氧化氢(H2O2)的水溶液，亦可为硫酸(H2SO4)与过氧化氢(H2O2)的水溶液。经实验测试，硫酸与过氧化氢水溶液蚀刻速率较快，效果较佳。砷化镓残余物去除后，可利用以碱性水溶液去除表面的蜡保护层。最后，经由去离子水清洁后即完成所有步骤。
3.金属层
经实验测试，晶圆表面亦可利用金属层作为保护层。本实施例说明以金属层作为保护层的制作方法。与前述实施例类似，在半导体晶圆上的组件制作完成后，先以胶膜固定于载台上，再利用溅镀的方式将金属层覆盖于半导体晶圆表面作为保护层。由于组件表面通常以金做为金属电极，因此不适合以金做为金属保护层。适合的金属保护层包含钛钨合金(TiW)、或钛钨合金与钛钨氮化物(TiW/TiWNx)的双层结构、或钛金属与氮化钛(Ti/TiNx)的双层结构等作为保护层。当金属保护层覆盖完成后，即可进行激光切割的步骤。先利用低功率激光预先切割表面的金属保护层，将可以有效改善切割边缘的平整度。当金属层预先切割后，即可使用高功率激光切割半导体晶圆。由于组件表面已经受到金属层保护，切割过程所产生的残骸将附着于金属保护层上。与前述实施例相同，晶圆切割完成后，可利用胶膜的弹性撑开晶圆而分离的个别晶粒。当晶粒分离后，即可利用湿蚀刻将晶粒边缘以及组件表面因激光切割所附着的残余物去除。当使用金属层作为保护层时，蚀刻砷化镓残余物的溶液即可采用一般的氢氧化铵(NH4OH)与过氧化氢(H2O2)的水溶液。砷化镓残余物去除后，可利用过氧化氢(H2O2)水溶液去除表面的钛钨合金保护层。最后，经由去离子水清洁后即完成所有步骤。值得注意的是，在常温下的过氧化氢水溶液并不易去除钛钨合金保护层。通常将溶液温度提高可以增加去除速率；然而，为避免破坏下层的胶膜特性，溶液温度仍应控制在80℃以下较佳。此外，虽然金属保护层可以有效防止组件蚀刻底切现象，晶圆薄化后在溅镀过程中仍然破裂的风险。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种用激光切割半导体晶圆的制作方法，其步骤包含：
将保护层覆盖于半导体晶圆表面；
对半导体晶圆进行激光切割并分离晶粒单元；
以湿蚀刻去除晶粒上组件的激光切割残余物；以及
去除保护层并清洁晶粒上组件；
其中该半导体晶圆，是以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）或硅（Si）为基板的半导体晶圆；
其中保护层的材质包含下列特性：
能对该半导体晶圆具有良好覆盖能力；
能够抵抗去除激光切割残余物的蚀刻溶液；以及
于覆盖以及去除该保护层的步骤不会破坏固定半导体晶圆的胶膜特性；
所述保护层为光阻层，去除激光切割残余物的蚀刻溶液为硫酸与过氧化氢的水溶液；或
所述保护层为蜡，去除激光切割残余物的蚀刻溶液为盐酸（HCl）与过氧化氢（H2O2）的水溶液或硫酸（H2SO4）与过氧化氢（H2O2）的水溶液；或者
所述保护层为金属保护层，去除激光切割残余物的蚀刻溶液为氢氧化铵（NH4OH）与过氧化氢（H2O2）的水溶液。
2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述保护层为光阻层时，所述将保护层覆盖于半导体晶圆表面的步骤进一步包含下列步骤：以旋转涂布方式将光阻层覆盖于半导体晶圆表面；以及利用烘烤方式将光阻层固化。
3.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于：所述烘烤光阻层的温度低于80℃。
4.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述去除保护层并清洁晶粒上组件的步骤中，以含硼酸钾与氢氧化钾的水溶液去除光阻层保护层。
5.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述去除保护层并清洁晶粒上组件的步骤中，以氢氧化铵（NH4OH）与过氧化氢（H2O2）的水溶液去除蜡保护层。
6.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述金属保护层为钛钨合金（TiW）。
7.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述金属保护层为钛钨合金以及钛钨合金氮化物（TiW/TiWNx）的双层薄膜。
8.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述金属保护层为钛以及氮化钛（Ti/TiNx）的双层薄膜。
9.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述去除保护层并清洁晶粒上组件的步骤中，以过氧化氢的水溶液去除金属保护层。
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