激光廣泛應用于半導體行業，在全球十大半導體設備供應商的許多設備里都能看到各式各樣的激光器。如最近受關注的ASML光刻機，一臺光刻機里就有好幾臺準分子激光器。而檢測市場的霸主KLA 針對不同的應用，在不同的檢測設備中，相應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。
相較于半導體后道工藝，半導體前道或者后道中的前道，激光應用的技術含量及難度稍大。那么，在追尋半導體設備國產化的進程中，這一部分的半導體制程工藝里，激光應用的突破口在哪里呢？
筆者認為，隨著激光技術不斷的進步，可以從晶圓的激光打標和切割入手。
晶圓打標分為兩種：半導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對激光工藝及設備的穩定性要求較高，wafer back side mark則對軟件、視覺和運動系統的性能及精度要求更為嚴格（晶圓切割類似）。此文將專注于wafer ID mark的設備及其工藝。
圖 1? ?
Wafer ID mark是半導體制程中缺一不可的步驟，主要是給每片晶圓標記個別代碼，以保證整個后續制程鏈的可追蹤性。其制程又分為在未打磨晶圓上打標（hard mark）和在已打磨拋光晶圓上打標（soft mark）兩種。Soft mark對設備和工藝更具有挑戰性。所以，本文將詳細闡述soft mark。在典型的半導體制程中，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，則是在制程將近結束時進行打標。
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年就研發了第一臺工業用晶圓打標機，型號為WaferMark 345，選用了Quantronix 114 燈管型YAG激光器。從以前的設備照片中（如圖2），可以看出整臺機器用“簡單粗暴”來形容毫不為過，其設計理念僅停留在追求高速、有效、沒有故障隱患的半導體設備。
在接下來的數年里，LIS根據客戶制程的要求不斷地改良設備和工藝流程。隨著 WaferMark II （如圖3）的問世 ，LIS創始人Jim基于多年的經驗，逐步形成了關于打標字符格式及尺寸、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體行 業所遵循的SEMI M12標準。
滄海桑田，如今依然知曉LIS的激光或半導體業內人士已經寥寥無幾，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發揮到了極致：
1、采用了自我研發的Nd:YLF側泵半導體激光源并配以一系列擴束、衰減等光學器件組合輸出高品質的高斯光束。
2、在進行打標的同時，實時脈沖采樣監控，快速反饋并及時調整，形成一套雙閉環反饋系統。
3、根據不同晶圓材料及表面狀況，在客戶現場亦能通過軟、硬件方式優化脈寬和能量，以在晶圓表面生成均勻穩定可控的無塵標識。
4、log文檔亦實時記錄了傳動系統、激光器和通訊端的工作狀態，以作日后故障排查、晶片報廢分析和數據統計之用。實際上，機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成熟，與工廠伺服系統的溝通和無接觸式全自動化生產完全符合半導體標準。
基于二三十年前的激光技術和中小企業的公司規模，能做到如此程度確實難能可貴。而迄今某些優勢仍令人望塵莫及，其多項專利，譬如Ultra-stable diode-pumped laser（超穩激光器）和SuperSoftMark? process（打標工藝）仍然有效。直至本世紀初其市場占有率一直保持高達90%左右，SigmaClean這一型號幾乎成了大廠的標配。
同時，歷經近半個世紀的風風雨雨，Lumonics和GSI也為激光行業和晶圓打標制造商培養并輸送了大批人才，今天其晶圓打標機的主要競爭對手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，如果決心要與國際領先的半導體廠商分一杯羹，是不是得帶著對行業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定的硬件（尤其是激光器）、成熟的工藝及符合 SEMI 標準且功能完善的軟件缺一不可。那么晶圓打標設備的構造又是怎樣的呢？其工藝挑戰性又在哪里呢？
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、打標、篩檢等功能之用。
2、具有掃描晶圓位置功能的機械手
機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功能的機械手。
3、粗定位的pre-aligner以提高晶片產能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機器，UPH和穩定性是必不可少的硬指標。
4、性能可靠的整套激光系統及穩定輸出（下文詳述）。
5、控制系統及半導體行業認可的應用和通訊軟件
對于大廠而言，打標字符必須符合SEMI T5、 T7、M12 或M13等規范；能按客戶要求自動標記序列號甚至生成checksum；SECS/GEM-HSMS通訊必不可少；能為全程監控和統計提供數據。
6、視覺系統（選項，非必要）
根據客戶需求配以pre-mark視覺系統讀取晶圓上已有的hard mark數據，或者post-mark視覺系統以確認打標的正確性。
7、吸塵、氣流系統
打標艙內空氣流動和抽塵系統對晶圓的粉塵控制舉足輕重。
7、真空、去靜電、冷卻、狀態報警等其他輔助設施。
如今機械手、aligner、視覺系統都已是標準件，但需要經驗的累積以達到完美的集成和使用（尤其是機械手及其teaching）。另外，根據機器在FAB廠所處的位置，必須達到該無塵車間的等級要求，通常是Class 1，因而設備供應商必須為所有的部件選材得當，車間的組裝調試環境也需要達到一定的水準。參考圖5、6。
圖 6 Coherent/Rofin 的 WaferLase 機器外觀
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制程而異），并不會在周邊產生粉塵和大量再凝固的殘渣。粉塵超標會直接污染下游的機器和無塵車間的環境，而小點周邊的殘渣則會為后道工序帶來隱患，因而穩定的激光器和爐火純青的工藝在晶圓打標系統中顯得更加至關重要。
對于第一代和第二代各種半導體材料包括有鍍膜層的晶圓，通常IR波長就已經足夠了，偶爾會用到SHG。而到了第三代半導體材料譬如SiC，如果想達到好的效果，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部分型號機器規格對比，值得亞洲同行注意的是：面對嚴格的半導體機器驗收，歐美廠商通常會把機器規格與精度描述得較實際性能差。GSI非常自信地詳細羅列出了點的圓度、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控補償系統）。
圖 7? ?GSI/ESI 和 InnoLas 部分型號機器規格對比
激光脈沖能量的穩定性對打標質量至關重要，能量密度、峰值功率和脈寬決定了打標的深度和點徑，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量和粉塵控制。
圖8是基于Coherent PowerLine E 8 QT UV 激光系統對第三代半導體材料SiC進行的打標。從左到右每次增加10 μJ的脈沖能量，我們可以看到打標點的直徑、深度、再結晶殘渣量及粉塵都產生了顯而易見的變化，甚至已經不符合SEMI標準。
圖 8? 基于Coherent PowerLine E 8 QT UV 激光系統對?SiC打標效果圖
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那類精準地做到實時脈沖能量監控并補償的光源，基本上也不可能根據晶圓特性在共振腔內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對光束進行整形和能量調節以彌補激光器的穩定性不足，加大process window。
另外，也可以通過調整參數如能量和頻率來改變脈 寬、峰值功率和光斑的大小（當然這種方式有一定的局限性），同時也可以適當地利用脈沖串（不是所有的激光源都提供此功能）和延時功能達到打標效果。
為了保證打標點的連續性和均勻性，在機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 系列中某些產品便是特別針對硅片打標所設計的，為了適應現代FAB廠制程的需求，該產品可以進行任意深度的打標（soft mark）。
綜上所述，大家應該對晶圓打標機主要供應商的現狀、機器硬件和軟件的要求、工藝制程及 其面臨的主要挑戰有了一個全面的了解，相信對今后的機器選型和工藝優化能有所幫助。
最后，我們還要考慮的是商機在哪里。半導體行業是個很公開透明的行業，客戶群信息輕而易舉便能找到。但是，國際大廠有著產能和品質的壓力，因此不會輕易為一個新產品陪跑。所以，本土企業首先要把目標鎖向生產規模稍小或對制程要求不是很苛刻的中低端客戶，或者是近年研發的較新制程，比如第三代半導體材料。目前國內屬于蓬勃發展期，而國內外廠家也都處于摸索優化其工藝流程階段并相互保密，設備供應不像硅片廠家那么標準化、系統化，而這也許正是一個機會 —— 和潛在客戶共同探索，改良設備和工藝，待到產品成熟時再逐步拓展機型，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：本文是根據作者近30年來在激光和半導體行業的經驗及體會總結而成，文中有關晶圓激光打標的圖片取自作者多年來的實驗室結果。
作者簡介：
Shirley Jiang
Coherent Singapore
Application Manager/Senior Staff Engineer- Application
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