激光廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)，在全球十大半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商的許多設(shè)備里都能看到各式各樣的激光器。如最近受關(guān)注的ASML光刻機(jī)，一臺光刻機(jī)里就有好幾臺準(zhǔn)分子激光器。而檢測市場的霸主KLA 針對不同的應(yīng)用，在不同的檢測設(shè)備中，相應(yīng)地選用了不同的激光源。即使是位列第10的ASM也為其獨特的晶圓切割（laser wafer dicing）申請了專利。
相較于半導(dǎo)體后道工藝，半導(dǎo)體前道或者后道中的前道，激光應(yīng)用的技術(shù)含量及難度稍大。那么，在追尋半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)化的進(jìn)程中，這一部分的半導(dǎo)體制程工藝?yán)铮す鈶?yīng)用的突破口在哪里呢？
筆者認(rèn)為，隨著激光技術(shù)不斷的進(jìn)步，可以從晶圓的激光打標(biāo)和切割入手。
晶圓打標(biāo)分為兩種：半導(dǎo)體前道制程中在晶圓正面的wafer ID mark和后道制程中在晶圓背面的wafer back side mark（如圖1）。wafer ID mark對激光工藝及設(shè)備的穩(wěn)定性要求較高，wafer back side mark則對軟件、視覺和運動系統(tǒng)的性能及精度要求更為嚴(yán)格（晶圓切割類似）。此文將專注于wafer ID mark的設(shè)備及其工藝。
圖 1? ?
Wafer ID mark是半導(dǎo)體制程中缺一不可的步驟，主要是給每片晶圓標(biāo)記個別代碼，以保證整個后續(xù)制程鏈的可追蹤性。其制程又分為在未打磨晶圓上打標(biāo)（hard mark）和在已打磨拋光晶圓上打標(biāo)（soft mark）兩種。Soft mark對設(shè)備和工藝更具有挑戰(zhàn)性。所以，本文將詳細(xì)闡述soft mark。在典型的半導(dǎo)體制程中，soft mark一般處于制程的初始階段，而某些特殊制程，比如背照式CMOS圖像傳感器，則是在制程將近結(jié)束時進(jìn)行打標(biāo)。
首先讓我們來了解一下wafer ID mark的前世今生。
wafer ID mark 的鼻祖Laser Identification System (LIS) 早在1979年就研發(fā)了第一臺工業(yè)用晶圓打標(biāo)機(jī)，型號為WaferMark 345，選用了Quantronix 114 燈管型YAG激光器。從以前的設(shè)備照片中（如圖2），可以看出整臺機(jī)器用“簡單粗暴”來形容毫不為過，其設(shè)計理念僅停留在追求高速、有效、沒有故障隱患的半導(dǎo)體設(shè)備。
在接下來的數(shù)年里，LIS根據(jù)客戶制程的要求不斷地改良設(shè)備和工藝流程。隨著 WaferMark II （如圖3）的問世 ，LIS創(chuàng)始人Jim基于多年的經(jīng)驗，逐步形成了關(guān)于打標(biāo)字符格式及尺寸、打印點形狀（直徑、圓度及深度）、粉塵控制、位置及精度等的一套體系，并起草了至今仍被半導(dǎo)體行 業(yè)所遵循的SEMI M12標(biāo)準(zhǔn)。
滄海桑田，如今依然知曉LIS的激光或半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)人士已經(jīng)寥寥無幾，wafer mark走過Lumonics、GSI、ESI/MKS到了如今的ThinkLaser，從圖4我們可以窺探其變遷。
其間Lumonics和GSI將soft mark發(fā)揮到了極致：
1、采用了自我研發(fā)的Nd:YLF側(cè)泵半導(dǎo)體激光源并配以一系列擴(kuò)束、衰減等光學(xué)器件組合輸出高品質(zhì)的高斯光束。
2、在進(jìn)行打標(biāo)的同時，實時脈沖采樣監(jiān)控，快速反饋并及時調(diào)整，形成一套雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)。
3、根據(jù)不同晶圓材料及表面狀況，在客戶現(xiàn)場亦能通過軟、硬件方式優(yōu)化脈寬和能量，以在晶圓表面生成均勻穩(wěn)定可控的無塵標(biāo)識。
4、log文檔亦實時記錄了傳動系統(tǒng)、激光器和通訊端的工作狀態(tài)，以作日后故障排查、晶片報廢分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計之用。實際上，機(jī)器的大小故障率一年到頭最多也就一兩次而已。
5、通訊接口以及與不同客戶端的匹配也是相當(dāng)成熟，與工廠伺服系統(tǒng)的溝通和無接觸式全自動化生產(chǎn)完全符合半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)。
基于二三十年前的激光技術(shù)和中小企業(yè)的公司規(guī)模，能做到如此程度確實難能可貴。而迄今某些優(yōu)勢仍令人望塵莫及，其多項專利，譬如Ultra-stable diode-pumped laser（超穩(wěn)激光器）和SuperSoftMark? process（打標(biāo)工藝）仍然有效。直至本世紀(jì)初其市場占有率一直保持高達(dá)90%左右，SigmaClean這一型號幾乎成了大廠的標(biāo)配。
同時，歷經(jīng)近半個世紀(jì)的風(fēng)風(fēng)雨雨，Lumonics和GSI也為激光行業(yè)和晶圓打標(biāo)制造商培養(yǎng)并輸送了大批人才，今天其晶圓打標(biāo)機(jī)的主要競爭對手Innolas和 Coherent / Rofin的諸多員工都曾在Lumonics / GSI付出過熱情和心血。由此反思我們的本土企業(yè)，如果決心要與國際領(lǐng)先的半導(dǎo)體廠商分一杯羹，是不是得帶著對行業(yè)的熱愛和耐心持之以恒地深耕？
從wafer mark的成長史我們可以看出性能穩(wěn)定的硬件（尤其是激光器）、成熟的工藝及符合 SEMI 標(biāo)準(zhǔn)且功能完善的軟件缺一不可。那么晶圓打標(biāo)設(shè)備的構(gòu)造又是怎樣的呢？其工藝挑戰(zhàn)性又在哪里呢？
晶圓打標(biāo)機(jī)主要由以下模塊組成：
1、上下料站
通常 8’’ 及以下是cassette, 12’’及以上使用FOUP，一到多個工作臺，??????作為待打標(biāo)、打標(biāo)、篩檢等功能之用。
2、具有掃描晶圓位置功能的機(jī)械手
機(jī)械手端部材料需要依晶圓而異，某些晶圓需要采用周邊抓取方式，有些客戶會要求提供具有翻轉(zhuǎn)功能的機(jī)械手。
3、粗定位的pre-aligner以提高晶片產(chǎn)能UPH（不是所有的制造商都提供），以及精定位aligner
一個FAB廠通常只有1~2臺wafer mark機(jī)器，UPH和穩(wěn)定性是必不可少的硬指標(biāo)。
4、性能可靠的整套激光系統(tǒng)及穩(wěn)定輸出（下文詳述）。
5、控制系統(tǒng)及半導(dǎo)體行業(yè)認(rèn)可的應(yīng)用和通訊軟件
對于大廠而言，打標(biāo)字符必須符合SEMI T5、 T7、M12 或M13等規(guī)范；能按客戶要求自動標(biāo)記序列號甚至生成checksum；SECS/GEM-HSMS通訊必不可少；能為全程監(jiān)控和統(tǒng)計提供數(shù)據(jù)。
6、視覺系統(tǒng)（選項，非必要）
根據(jù)客戶需求配以pre-mark視覺系統(tǒng)讀取晶圓上已有的hard mark數(shù)據(jù)，或者post-mark視覺系統(tǒng)以確認(rèn)打標(biāo)的正確性。
7、吸塵、氣流系統(tǒng)
打標(biāo)艙內(nèi)空氣流動和抽塵系統(tǒng)對晶圓的粉塵控制舉足輕重。
7、真空、去靜電、冷卻、狀態(tài)報警等其他輔助設(shè)施。
如今機(jī)械手、aligner、視覺系統(tǒng)都已是標(biāo)準(zhǔn)件，但需要經(jīng)驗的累積以達(dá)到完美的集成和使用（尤其是機(jī)械手及其teaching）。另外，根據(jù)機(jī)器在FAB廠所處的位置，必須達(dá)到該無塵車間的等級要求，通常是Class 1，因而設(shè)備供應(yīng)商必須為所有的部件選材得當(dāng)，車間的組裝調(diào)試環(huán)境也需要達(dá)到一定的水準(zhǔn)。參考圖5、6。
圖 6 Coherent/Rofin 的 WaferLase 機(jī)器外觀
工藝制程方面，Soft mark 主要是燒熔表面材料并使其部分汽化以在晶圓表面生成一系列淺淺的小點（點的直徑和深度因后續(xù)制程而異），并不會在周邊產(chǎn)生粉塵和大量再凝固的殘渣。粉塵超標(biāo)會直接污染下游的機(jī)器和無塵車間的環(huán)境，而小點周邊的殘渣則會為后道工序帶來隱患，因而穩(wěn)定的激光器和爐火純青的工藝在晶圓打標(biāo)系統(tǒng)中顯得更加至關(guān)重要。
對于第一代和第二代各種半導(dǎo)體材料包括有鍍膜層的晶圓，通常IR波長就已經(jīng)足夠了，偶爾會用到SHG。而到了第三代半導(dǎo)體材料譬如SiC，如果想達(dá)到好的效果，就得用到UV激光源，另外某些透明材料也需要用到UV或者CO2 。考慮到性價比，目前晶圓打標(biāo)都還是用的納秒級別的激光器， 脈寬大致上在10到200 ns之間。
圖7是GSI/ESI和InnoLas部分型號機(jī)器規(guī)格對比，值得亞洲同行注意的是：面對嚴(yán)格的半導(dǎo)體機(jī)器驗收，歐美廠商通常會把機(jī)器規(guī)格與精度描述得較實際性能差。GSI非常自信地詳細(xì)羅列出了點的圓度、直徑、深度及其公差，也給出了粉塵檢測的具體規(guī)格，脈沖與脈沖之間的誤差少于0.5% （這得益于前文所提及的實時脈沖能量監(jiān)控補償系統(tǒng)）。
圖 7? ?GSI/ESI 和 InnoLas 部分型號機(jī)器規(guī)格對比
激光脈沖能量的穩(wěn)定性對打標(biāo)質(zhì)量至關(guān)重要，能量密度、峰值功率和脈寬決定了打標(biāo)的深度和點徑，光斑聚焦在工件表面的形狀決定了點的圓度。由于點徑非常的小，工藝誤差（process window）也就變得非常的窄，有時哪怕10 μJ的能量變化就能影響點的質(zhì)量和粉塵控制。
圖8是基于Coherent PowerLine E 8 QT UV 激光系統(tǒng)對第三代半導(dǎo)體材料SiC進(jìn)行的打標(biāo)。從左到右每次增加10 μJ的脈沖能量，我們可以看到打標(biāo)點的直徑、深度、再結(jié)晶殘渣量及粉塵都產(chǎn)生了顯而易見的變化，甚至已經(jīng)不符合SEMI標(biāo)準(zhǔn)。
圖 8? 基于Coherent PowerLine E 8 QT UV 激光系統(tǒng)對?SiC打標(biāo)效果圖
對于本土集成商而言，其光源通常是外購，而市面上暫時還沒有Lumonics/GSI那類精準(zhǔn)地做到實時脈沖能量監(jiān)控并補償?shù)墓庠?，基本上也不可能根?jù)晶圓特性在共振腔內(nèi)用硬件方式改變激光源的脈寬和峰值功率，所能做的只是在外部光路上下功夫?qū)馐M(jìn)行整形和能量調(diào)節(jié)以彌補激光器的穩(wěn)定性不足，加大process window。
另外，也可以通過調(diào)整參數(shù)如能量和頻率來改變脈 寬、峰值功率和光斑的大?。ó?dāng)然這種方式有一定的局限性），同時也可以適當(dāng)?shù)乩妹}沖串（不是所有的激光源都提供此功能）和延時功能達(dá)到打標(biāo)效果。
為了保證打標(biāo)點的連續(xù)性和均勻性，在機(jī)器選型時也要特別注意能量上升沿（ramp up）的快速性以及第一脈沖的有效壓制性（FPS）。Coherent / Rofin的 PowerLine E 系列中某些產(chǎn)品便是特別針對硅片打標(biāo)所設(shè)計的，為了適應(yīng)現(xiàn)代FAB廠制程的需求，該產(chǎn)品可以進(jìn)行任意深度的打標(biāo)（soft mark）。
綜上所述，大家應(yīng)該對晶圓打標(biāo)機(jī)主要供應(yīng)商的現(xiàn)狀、機(jī)器硬件和軟件的要求、工藝制程及 其面臨的主要挑戰(zhàn)有了一個全面的了解，相信對今后的機(jī)器選型和工藝優(yōu)化能有所幫助。
最后，我們還要考慮的是商機(jī)在哪里。半導(dǎo)體行業(yè)是個很公開透明的行業(yè)，客戶群信息輕而易舉便能找到。但是，國際大廠有著產(chǎn)能和品質(zhì)的壓力，因此不會輕易為一個新產(chǎn)品陪跑。所以，本土企業(yè)首先要把目標(biāo)鎖向生產(chǎn)規(guī)模稍小或?qū)χ瞥桃蟛皇呛芸量痰闹械投丝蛻?，或者是近年研發(fā)的較新制程，比如第三代半導(dǎo)體材料。目前國內(nèi)屬于蓬勃發(fā)展期，而國內(nèi)外廠家也都處于摸索優(yōu)化其工藝流程階段并相互保密，設(shè)備供應(yīng)不像硅片廠家那么標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化，而這也許正是一個機(jī)會 —— 和潛在客戶共同探索，改良設(shè)備和工藝，待到產(chǎn)品成熟時再逐步拓展機(jī)型，走向國際舞臺。相信，在政策的大力扶持下，本土集成商的路會越走越寬。
注：本文是根據(jù)作者近30年來在激光和半導(dǎo)體行業(yè)的經(jīng)驗及體會總結(jié)而成，文中有關(guān)晶圓激光打標(biāo)的圖片取自作者多年來的實驗室結(jié)果。
作者簡介：
Shirley Jiang
Coherent Singapore
Application Manager/Senior Staff Engineer- Application
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