热点应用丨拉曼成像技术指导汽车芯片激光开槽工艺

引言

应力贯穿半导体制造与应用全链：晶圆制备、蚀刻、掺杂、薄膜沉积及减薄抛光均易引入残余应力^[1]，致翘曲、纹裂并诱发位错，降低成品率^[3]，已成行业核心难题^[2]。而在后续电路制造过程中，衬底残余应力过大还可能导致基板位错，直接影响器件性能稳定性。延伸至汽车芯片领域，作为汽车电子系统的核心部件，其工作环境需承受高低温循环、振动冲击等复杂工况，加之芯片封装、组装过程中产生的应力叠加，会进一步加剧芯片内部的应力累积。这种多源应力不仅可能延续晶圆阶段的缺陷风险，还可能导致汽车芯片出现电路失效、性能漂移等问题，严重时甚至影响汽车行驶安全。因此面向汽车芯片全生命周期的应力监测，是提升车载电子系统可靠性的重要保障。

本文聚焦于汽车芯片的激光开槽工艺应力研究。该工艺是指通过激光切割芯片形成精确槽道，经过制造、封装及后续处理后形成高精度的“分割通道”或“功能槽结构”。在芯片的激光开槽工艺中，选择合适的开槽位置至关重要，可以减少应力集中，优化应力分布，保护关键功能区域，从而提高芯片的整体性能和使用寿命。

  拉曼光谱技术作为一种非破坏性、高灵敏度的检测手段，是目前文献报道最多的应力检测方法之一。拉曼峰位偏移可作为施加应力后物质晶格振动模式的直接表征，是微观应力状态在光谱维度的直观映射——其偏移方向与幅度精准关联应力的性质（拉/压应力）及大小，为材料内部应力的定量分析提供了原子尺度的“光谱探针”。

图1 RAMANtouch显微拉曼光谱仪

为了研究激光加工工艺对汽车芯片产生的应力影响，我们采用了RAMANtouch激光共聚焦显微拉曼光谱仪（图1）。众所周知，应力的测量需要超高的波数精度才能够实现，RAMANtouch仪器内置了自动连续校准技术，在成像过程中无需暂停正在进行的测试就可定时对仪器的峰位精度进行校准;能够实现连续测试100次，波数精度优于0.02cm^-1，如此超高的精度和稳定性，足以满足应力测试的需求，并且该仪器采用多点并行宽场采样模式，通过532nm的线激光照射样品，单次曝光即可同时获取400个点位的拉曼光谱，成像速度较传统设备提升20-30倍。1-2分钟内即可实现82×20微米区域的高分辨率成像（图2，包含4万张拉曼光谱）。利用软件的自动拟合功能，在整个图像上可清晰展示微小的应力分布信息。这对于半导体行业用户而言，相比传统的拉曼测试，大大提升了企业的生产效率。

文中分析的汽车芯片样品存在两个目标开槽位置（图3），我们尝试通过拉曼成像技术对这两个位置进行应力分布评估以指导后期的芯片开槽方案。如图3所示，用假色描绘拉曼谱峰位置，红色代表峰位较高，代表样品受到较大的压应力，蓝绿色代表峰位较低，代表样品所受压应力较小。颜色分布均匀性还可以代表应力分布的均匀性，所以可以通过拉曼成像从二维角度更全面反应该位置的应力状态。从图可知，位置2的红色区域较少，绿色区域较多，应力分布较为均匀，也说明该区域的应力释放较为有效，在该区域进行开槽后期风险较小。相比之下，位置1的成像图中表现出更明显的颜色变化，该区域存在较大的残余应力，开槽风险较大，若该位置存在特殊性，必须开槽就需要特别注意优化工艺参数。

通过拉曼成像评估，我们快速精准的确定位置2更适合进行激光开槽工艺，因为它应力分布均匀且整体所受应力较小。二维拉曼成像可以更全面客观评估芯片的应力分布，超快速的成像检测效率可迅速反馈潜在风险，为失效预警与维护决策争取宝贵时间，显著提升半导体产业链从生产到应用的应力管控反馈效率与响应灵敏度。

此外，专门为半导体行业开发的应力分析软件还能在成像图上选择任意线段区域生成应力分布曲线。多视角的应力数据交叉验证，进一步提升晶圆制造及汽车芯片应力检测结果的可靠性、准确性，应力分析软件已在多个半导体企业使用，用户反馈非常方便和有帮助，为产业链各环节的应力管控提供更坚实的科学依据。

通过拉曼光谱成像技术，我们能够从二维视角更直观的观测芯片中应力分布情况，快速确定适合进行加工开槽区域，并对每步操作残余在芯片内的应力进行评估。从而指导汽车芯片的激光开槽工艺决策，优化激光加工参数（如激光功率、扫描速度和光斑大小），尽量减少加工过程中的应力局部集中。这不仅有助于减少潜在的缺陷风险，增加电子器件寿命和控制系统安全性，还能在设计阶段就降低后期失败概率，大大减少企业资源浪费。

除此之外，我们还推出了专门针对12寸大晶圆成像的RAMANdrive系统，在该系统中增加了标准参考位置和大光斑选项（80微米-1.5mm）。在保证奈奎斯特采样完全的前提下，超快速获取整片晶圆的应力分布。只需30min即可实现12寸硅晶圆应力的整体扫描，敬请您期待我们的下一篇文章。

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