Derek Chiang ( 江朝宗)，Bernold Richerzhagen和Sean Green；Synova
电子产品“轻、薄、短、小”的市场趋势，要求许多电子器件除了要有更小的体积外，还要有更强、更快的功能。生产技术也因此而快速发展。但经年累月，有些技术已发展到物理极限，几乎难以更上层楼。就半导体而言，如记忆体IC，已由早期的一层变成多层的封裝，一颗IC里叠了 7、8层芯粒(chip)，而总体积反而只有原来的几分之一。因此晶片(Wafer)的厚度也由650微米(Micron)一路减薄至120微米、100微米、75微米、50微米、25微米。当厚度降到100um以下，传统的划片技术已经出现问题，产能节节下降，破片率大幅攀升。晶片在此阶断价值不斐，几个百分点的破片率可能吃掉工厂辛苦创造的利润。因此处理这类超薄晶片，工程师们无不战战兢兢。当传统钻石片切削方式碰到了瓶颈，大家都想到试试激光。从业界的实际案例来看，激光仍有不少难题需要克服。其中最难解决的是热影响区(HAZ)过大及熔渣喷溅污染的问题。这些缺点足以影响或破坏晶片的电性，尤其那些高阶的wafer。因此改用激光并不如预期顺利。此间瑞士联邦科技大学Dr.Bernold Richerzhagen发明的水导激光(Water-Jet-Guided Laser商业上称微水刀激光)正好派上用场。该技术突破传统激光的概念, 巧妙地结合水刀和激光两种技术， 克服了热影响区等问题， 获得世界专利，可望成为晶片切割及精微加工的新利器。
水导激光原理
几千年来‘水火不融’的观念, 1993年被瑞士杰出的科学家Dr.Bernold Richerzhagen打破。他巧妙地结合水刀技术和激光技术的优点，创造出微水刀激光(Laser Micro Jet)。更精确的说法是水导激光(Water Jet Guided Laser)。他将激光聚焦后导入比发丝还细的微水柱中，从而引导光束，并冷却工件，消除了传统激光热影响区(Heat Affected Zone)过大的缺陷。大大提高了激光切割的质量，因而非常适合半导体、医疗器材、电子、航天等高精密、高洁净要求的加工。
从图1可看出激光束(Laser Beam)由上方导入, 经过聚焦镜及水腔(Water Chamber)的窗户进入，聚焦于喷嘴(Nozzle)的圆心.
图 1.
低压纯净水从水腔左边进入，经钻石喷嘴(Diamond Nozzle)上的微孔喷出。由于喷嘴考虑到流体力学的设计，出来的水柱像光纤一样又直又圆。水柱的直径根据喷嘴孔径而异，一般比人的头发还细，有100到30微米等多种规格。激光被导入水柱中心，利用微水柱与空气界面全反射的原理，激光将沿着水柱行进。在水柱维持稳定不开花的范围内都能进行加工。通常有效的工作距离为喷嘴孔径的一千倍。如喷嘴为100微米, 则其有效工作距离为100毫米。这是传统激光所望尘莫及的，因为传统激光只能在焦点处加工。激光光源可选配不同的波长，只要该波长的能量不会被水吸收即可。精密加工常用的波长，1064nm 到355nm的范围均适用。
另外，用于微加工的激光几乎都是脉沖激光(Pulsed Laser)，传统激光不论是脉沖或连续，总会有能量残留在切割道上，该能量的累积和传导是造成烧伤切割道旁热损伤的主要原因。而微水刀激光因水柱的作用，将每个脉沖残留的热量迅速带走，不会累积在工件上，因此切割道干净利落。热影响区的困扰得到大幅改善。因此, Laser MicroJet技术才适用于半导体等高精密的应用。
Laser MicroJet 特点
相对于传统激光，微水刀激光有很多显著的特点。如无热影响区(Zero Heat Affected Zone)，完全不烧伤工件，切割道干净利落、无熔渣、无毛刺、无热应力、无机械应力、无污染，极适合半导体、电子
、医疗、航天等高精密器件切割加工。
微水刀激光适用于从金属到其合金的多种材料，如不锈钢、钛、钼、镁、镍、铜、Invar等， 以及硅(Silicon)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等半导体材料, 乃至碳化硅(Sic)、CBN、钻石、陶瓷、橡胶……软硬通吃。甚至可同时切割橡胶及不锈钢片而不烧伤橡胶层，这在传统激光是完全不可能的事情。
该项技术可用于切割、钻孔、挖槽、打印、表面热处理等多项极细微及复杂的形状加工。超薄硅片(Ultra Thin Silicon Wafer)切割速度比传统钻石刀快5到10倍，并且可以切任意形状，功能超强，在半导体晶片切割的应用上，突破了多年来晶片划片只能走直线的桎锢。从此设计者可以毫无限制的发挥其创意。
从两张不锈钢切割的照片可清楚地看出热影响区(HAZ)大小所造成的差异。
传统激光因热影响区过大，无法进行精微切割，大大限制了其应用领域。
微水刀激光(Laser Micro Jet)以其优异的断热切割技术，大幅开拓精密微加工的领域，催生了许多新产品、新工艺。
Low-k Wafer 切割的问题
原来只用于高阶产品的超薄晶圆(Ultra thin wafer )已经越来越普及，而且越来越薄。处理超薄晶圆不仅是Silicon substrate 本身厚度的问题，在加上许多硬脆易碎及延展性高的金属Pad 后，问题更加复杂。钻石刀片既使小心翼翼地切过Silicon substrate, 但金属层的碎屑却可能包粘在钻石颗粒上，使切削能力大打折扣。此时若维持进刀速度，必然造成破片断刀的结果。各主要划片机厂, 如Disco、TSK.
等均转向激光，由此可见机械方式已经到了克服不了的困境。不幸的是激光也有激光的问题。在此，就钻石刀片，传统激光及微水刀激光的特性探讨如下:
a. Diamond Saw:
反光道钉易造成wafer 表面崩边或龜裂。遇金属层易断刀破片，切割速度慢，破片率高。但在切割
Silicon substrate 时断面平整，深度控制容易。在使用DAF(Die Attach Film)时可正好切
穿DAF 而不伤Blue Tape。
b. 传统激光:
传统激光(Conventional Laser)或称干式激光(Dry Laser)，因为热影响区的问题未克服，仅血竭提取物
能用在低阶晶片，如太阳能晶片等。采用三倍频方式虽然有改善，但也只能划划线。如果切
穿同样烧伤晶片和DAF 及Blue Tape。
c. 微水刀激光:
可以轻易去除切割道表层材料及Silicon substrate。切割超薄片(50um)时速度比diamond
saw 快數倍。缺点为与干式激光同样会烧坏DAF，切割断面不如机械磨削光滑。
从上述看来各有所长, 也各有缺陷.
图2: 不锈钢片以传统激光切割, 热损伤严重.
图3: 不锈钢片以微水刀激光切割
2. 解决方案
既然没有十全十美的方法，只好退而求其次。对Diamond Saw而言，难解决的是Wafer的表层材料。对微水刀激光而言，头痛的是会烧坏DAF。因此如各取所长，分成两个步骤处理，就差强人意。
首先用微水刀激光划浅浅的一刀，加工手段上称之为开槽(Grooving)，以清除切割道上所有的材料，不管是金属或易碎材料。Laser Microjet可以选用与切割道(Cutting Street)同宽的喷嘴，像推土机一样一次推掉Top layers上各种麻烦的材料，露出Silicon Substrate。再接着用Diamond Saw切穿silicon substrate和DAF，并刚好停在Blue Tape表面上。
因为Grooving只能去除表层几微米的深度，微水刀激光可以250mm/sec的高速进行。就生产线的平衡来看，一台微水刀激光系统需至少五台以上Diamond Saw与之配合才消化得掉。
从设备投资的角度来看，这似乎是最有效益的方式。不仅不会因为引进新设备而闲置旧机器，反而会提高产能，真正相辅相成，相得益彰。
图4. Laser MicroJet在低k晶圆上开槽划片的情况
Kerf宽度：50微米
深度：12微米
切割速度：250mm/sec
其他应用
微水刀激光技术除了上述在low-k、超薄晶片之应用外，还可以作硅片钻孔(Silicon Wafer Hole drilling)、硅片挖槽开孔(Silicon Wafer Grooving and Slotting)、异形晶粒切割(Free Shape Chip Dicing)、局部减薄(Partial Thining)等。在超薄片的Wafer Edge Grinding切去晶片外沿像刀锋一样锐利的部份，竞然使超薄片的破片率降到零，真是小兵立大功。在欧洲已经有半导体厂以此解决了破片的难题，大幅减少了破片的损失。Wafer钻孔虽不普及，但在微机电(MEMS)领域则常有需求。表面上看起来微不足道的微钻孔应用，常隐藏着丰厚利润和庞大商机。
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图5. Silicon wafer以微水刀激光钻孔情況. 图6. 图5放大的显微照片.
除Silicon Wafer外, Laser MicroJet还可以进行多种材料的微加工，并应用于多个产业，如电子业的印刷纲板、光电业的高精密蒸镀溅镀掩模(Mask)、医疗器材中的心血管支架、汽车工业的喷嘴、航太科技中喷射引擎叶片钻孔等等。
简易热水器结论
就半导体晶圆切割应用而言，激光显然是一条必走之路。钻石刀片切割已完成其历史任务, 新一代的晶片切割和微加工势必使用更新的工具。微水刀激光技术刚一出现，就给业界解决了不少问题，接着更开拓出许多新的思考空间，如异形晶粒等。过去许多做不到的事，有了这项工具就变得容易了。
北京百泰克新科技开创新机会，善用別人还不知道的工具，往往会有意想不到的收获。
References
[1] Dr. Bernold Richerzhagen and Delphine Perottet, Low-K SDS solutions. 2006.3.16
[2] Dr. Yasushi Kozuki and Dr. Bernold Richerzhagen, Gentle dicing of thin semiconductor materials by water- jet-guided laser, Proceedings of the 4th international congress on Laser Advanced Materials Processing,2005.肛门充气
[3] Dr. Bernold Richerzhagen, Synova application notes.2002~ 2006.
[4] Dr. Weimin Liang, Thin wafer dicing Issuese and New Technology Cost of Ownership. FUTURE
FAB International: Issue 19.
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