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半导体行业这么火，激光晶圆打标的商机和挑战在哪里？

光电汇OESHOW

2021-11-12

导读：作者近30年的经验及体会

激光广泛应用于半导体行业，在全球十大半导体设备供应商的许多设备里都能看到各式各样的激光器。如最近受关注的ASML光刻机，一台光刻机里就有好几台准分子激光器。而检测市场的霸主KLA 针对不同的应用，在不同的检测设备中，相应地选用了不同的激光源。即使是位列第10的ASM也为其独特的晶圆切割（laser wafer dicing）申请了专利。

相较于半导体后道工艺，半导体前道或者后道中的前道，激光应用的技术含量及难度稍大。那么，在追寻半导体设备国产化的进程中，这一部分的半导体制程工艺里，激光应用的突破口在哪里呢？

笔者认为，随着激光技术不断的进步，可以从晶圆的激光打标和切割入手。

晶圆打标分为两种：半导体前道制程中在晶圆正面的wafer ID mark和后道制程中在晶圆背面的wafer back side mark（如图1）。wafer ID mark对激光工艺及设备的稳定性要求较高，wafer back side mark则对软件、视觉和运动系统的性能及精度要求更为严格（晶圆切割类似）。此文将专注于wafer ID mark的设备及其工艺。

图 1

Wafer ID mark是半导体制程中缺一不可的步骤，主要是给每片晶圆标记个别代码，以保证整个后续制程链的可追踪性。其制程又分为在未打磨晶圆上打标（hard mark）和在已打磨抛光晶圆上打标（soft mark）两种。Soft mark对设备和工艺更具有挑战性。所以，本文将详细阐述soft mark。在典型的半导体制程中，soft mark一般处于制程的初始阶段，而某些特殊制程，比如背照式CMOS图像传感器，则是在制程将近结束时进行打标。

首先让我们来了解一下wafer ID mark的前世今生。

wafer ID mark 的鼻祖Laser Identification System (LIS) 早在1979年就研发了第一台工业用晶圆打标机，型号为WaferMark 345，选用了Quantronix 114 灯管型YAG激光器。从以前的设备照片中（如图2），可以看出整台机器用“简单粗暴”来形容毫不为过，其设计理念仅停留在追求高速、有效、没有故障隐患的半导体设备。

图 2 以前的设备老照片

在接下来的数年里，LIS根据客户制程的要求不断地改良设备和工艺流程。随着 WaferMark II （如图3）的问世，LIS创始人Jim基于多年的经验，逐步形成了关于打标字符格式及尺寸、打印点形状（直径、圆度及深度）、粉尘控制、位置及精度等的一套体系，并起草了至今仍被半导体行业所遵循的SEMI M12标准。

图 3 WaferMark II

沧海桑田，如今依然知晓LIS的激光或半导体业内人士已经寥寥无几，wafer mark走过Lumonics、GSI、ESI/MKS到了如今的ThinkLaser，从图4我们可以窥探其变迁。

图4 wafer mark的变迁历程

其间Lumonics和GSI将soft mark发挥到了极致：

1、采用了自我研发的Nd:YLF侧泵半导体激光源并配以一系列扩束、衰减等光学器件组合输出高品质的高斯光束。

2、在进行打标的同时，实时脉冲采样监控，快速反馈并及时调整，形成一套双闭环反馈系统。

3、根据不同晶圆材料及表面状况，在客户现场亦能通过软、硬件方式优化脉宽和能量，以在晶圆表面生成均匀稳定可控的无尘标识。

4、log文档亦实时记录了传动系统、激光器和通讯端的工作状态，以作日后故障排查、晶片报废分析和数据统计之用。实际上，机器的大小故障率一年到头最多也就一两次而已。

5、通讯接口以及与不同客户端的匹配也是相当成熟，与工厂伺服系统的沟通和无接触式全自动化生产完全符合半导体标准。

基于二三十年前的激光技术和中小企业的公司规模，能做到如此程度确实难能可贵。而迄今某些优势仍令人望尘莫及，其多项专利，譬如Ultra-stable diode-pumped laser（超稳激光器）和SuperSoftMark® process（打标工艺）仍然有效。直至本世纪初其市场占有率一直保持高达90%左右，SigmaClean这一型号几乎成了大厂的标配。

同时，历经近半个世纪的风风雨雨，Lumonics和GSI也为激光行业和晶圆打标制造商培养并输送了大批人才，今天其晶圆打标机的主要竞争对手Innolas和 Coherent / Rofin的诸多员工都曾在Lumonics / GSI付出过热情和心血。由此反思我们的本土企业，如果决心要与国际领先的半导体厂商分一杯羹，是不是得带着对行业的热爱和耐心持之以恒地深耕？

从wafer mark的成长史我们可以看出性能稳定的硬件（尤其是激光器）、成熟的工艺及符合 SEMI 标准且功能完善的软件缺一不可。那么晶圆打标设备的构造又是怎样的呢？其工艺挑战性又在哪里呢？

晶圆打标机主要由以下模块组成：

1、上下料站

通常 8’’ 及以下是cassette, 12’’及以上使用FOUP，一到多个工作台，‍‍‍‍‍‍作为待打标、打标、筛检等功能之用。

2、具有扫描晶圆位置功能的机械手

机械手端部材料需要依晶圆而异，某些晶圆需要采用周边抓取方式，有些客户会要求提供具有翻转功能的机械手。

3、粗定位的pre-aligner以提高晶片产能UPH（不是所有的制造商都提供），以及精定位aligner

一个FAB厂通常只有1~2台wafer mark机器，UPH和稳定性是必不可少的硬指标。

4、性能可靠的整套激光系统及稳定输出（下文详述）。

5、控制系统及半导体行业认可的应用和通讯软件

对于大厂而言，打标字符必须符合SEMI T5、 T7、M12 或M13等规范；能按客户要求自动标记序列号甚至生成checksum；SECS/GEM-HSMS通讯必不可少；能为全程监控和统计提供数据。

6、视觉系统（选项，非必要）

根据客户需求配以pre-mark视觉系统读取晶圆上已有的hard mark数据，或者post-mark视觉系统以确认打标的正确性。

7、吸尘、气流系统

打标舱内空气流动和抽尘系统对晶圆的粉尘控制举足轻重。

7、真空、去静电、冷却、状态报警等其他辅助设施。

如今机械手、aligner、视觉系统都已是标准件，但需要经验的累积以达到完美的集成和使用（尤其是机械手及其teaching）。另外，根据机器在FAB厂所处的位置，必须达到该无尘车间的等级要求，通常是Class 1，因而设备供应商必须为所有的部件选材得当，车间的组装调试环境也需要达到一定的水准。参考图5、6。

图5 Innolas 的生产车间

图 6 Coherent/Rofin 的 WaferLase 机器外观

工艺制程方面，Soft mark 主要是烧熔表面材料并使其部分汽化以在晶圆表面生成一系列浅浅的小点（点的直径和深度因后续制程而异），并不会在周边产生粉尘和大量再凝固的残渣。粉尘超标会直接污染下游的机器和无尘车间的环境，而小点周边的残渣则会为后道工序带来隐患，因而稳定的激光器和炉火纯青的工艺在晶圆打标系统中显得更加至关重要。

对于第一代和第二代各种半导体材料包括有镀膜层的晶圆，通常IR波长就已经足够了，偶尔会用到SHG。而到了第三代半导体材料譬如SiC，如果想达到好的效果，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 。考虑到性价比，目前晶圆打标都还是用的纳秒级别的激光器，脉宽大致上在10到200 ns之间。

图7是GSI/ESI和InnoLas部分型号机器规格对比，值得亚洲同行注意的是：面对严格的半导体机器验收，欧美厂商通常会把机器规格与精度描述得较实际性能差。GSI非常自信地详细罗列出了点的圆度、直径、深度及其公差，也给出了粉尘检测的具体规格，脉冲与脉冲之间的误差少于0.5% （这得益于前文所提及的实时脉冲能量监控补偿系统）。

图 7 GSI/ESI 和 InnoLas 部分型号机器规格对比

激光脉冲能量的稳定性对打标质量至关重要，能量密度、峰值功率和脉宽决定了打标的深度和点径，光斑聚焦在工件表面的形状决定了点的圆度。由于点径非常的小，工艺误差（process window）也就变得非常的窄，有时哪怕10 μJ的能量变化就能影响点的质量和粉尘控制。

图8是基于Coherent PowerLine E 8 QT UV 激光系统对第三代半导体材料SiC进行的打标。从左到右每次增加10 μJ的脉冲能量，我们可以看到打标点的直径、深度、再结晶残渣量及粉尘都产生了显而易见的变化，甚至已经不符合SEMI标准。

图 8 基于Coherent PowerLine E 8 QT UV 激光系统对 SiC打标效果图

对于本土集成商而言，其光源通常是外购，而市面上暂时还没有Lumonics/GSI那类精准地做到实时脉冲能量监控并补偿的光源，基本上也不可能根据晶圆特性在共振腔内用硬件方式改变激光源的脉宽和峰值功率，所能做的只是在外部光路上下功夫对光束进行整形和能量调节以弥补激光器的稳定性不足，加大process window。

另外，也可以通过调整参数如能量和频率来改变脉宽、峰值功率和光斑的大小（当然这种方式有一定的局限性），同时也可以适当地利用脉冲串（不是所有的激光源都提供此功能）和延时功能达到打标效果。

为了保证打标点的连续性和均匀性，在机器选型时也要特别注意能量上升沿（ramp up）的快速性以及第一脉冲的有效压制性（FPS）。Coherent / Rofin的 PowerLine E 系列中某些产品便是特别针对硅片打标所设计的，为了适应现代FAB厂制程的需求，该产品可以进行任意深度的打标（soft mark）。

综上所述，大家应该对晶圆打标机主要供应商的现状、机器硬件和软件的要求、工艺制程及其面临的主要挑战有了一个全面的了解，相信对今后的机器选型和工艺优化能有所帮助。

最后，我们还要考虑的是商机在哪里。半导体行业是个很公开透明的行业，客户群信息轻而易举便能找到。但是，国际大厂有着产能和品质的压力，因此不会轻易为一个新产品陪跑。所以，本土企业首先要把目标锁向生产规模稍小或对制程要求不是很苛刻的中低端客户，或者是近年研发的较新制程，比如第三代半导体材料。目前国内属于蓬勃发展期，而国内外厂家也都处于摸索优化其工艺流程阶段并相互保密，设备供应不像硅片厂家那么标准化、系统化，而这也许正是一个机会 —— 和潜在客户共同探索，改良设备和工艺，待到产品成熟时再逐步拓展机型，走向国际舞台。相信，在政策的大力扶持下，本土集成商的路会越走越宽。

注：本文是根据作者近30年来在激光和半导体行业的经验及体会总结而成，文中有关晶圆激光打标的图片取自作者多年来的实验室结果。

作者简介：

Shirley Jiang

Coherent Singapore

Application Manager/Senior Staff Engineer- Application