Chip-Vereinzelung Laser Dicing: Intelligente Prozessüberwachung in Echtzeit

Beim Wafer Dicing sind nicht nur präzisere Laserprozesse, sondern auch eine intelligente Prozessüberwachung wichtig. Forschende der Chiba University haben jetzt einen interessanten Ansatz vorgestellt: Sie messen die beim Materialabtrag entstehende Rückstoßkraft. Damit könnte Laser Dicing zu einem selbstüberwachenden Fertigungsprozess werden.

Das Vereinzeln von Halbleiterchips aus einem prozessierten Wafer ist ein wichtiger Schritt im Backend der Halbleiterherstellung. Dabei wird der Wafer mittels Diamantsäge in sogenannte Dies zerschnitten, die das eigentliche Halbleiterbauelement bilden. Wafer Dicing bestimmt heute maßgeblich die Ausbeute, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit eines Prozesses. Parallel werden die Wafer dünner und die mechanischen Reserven kleiner. Klassische Diamantsägeverfahren stoßen dadurch an ihre Grenzen.

Die Industrie entwickelt derzeit mehrere Verfahren parallel. Neben dem klassischen Laserablationsschneiden gewinnen Stealth Dicing, wasserstrahlgeführtes Laser Dicing sowie hybride Verfahren an Bedeutung. Ziel aller Entwicklungen ist es, den Materialabtrag weiter zu reduzieren, Mikrorisse zu vermeiden und gleichzeitig den Durchsatz deutlich zu erhöhen.

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Das Laserschneiden, bei dem einzelne Chips mithilfe fokussierter Laserimpulse auf dem Halbleiterwafer vereinzelt werden, wird zunehmend bevorzugt, da empfindliche, duktilere Materialien mit minimaler mechanischer Belastung bearbeitbar werden. Um jedoch eine angemessene Ausbeute zu erzielen, ist eine präzise Steuerung des Prozesses erforderlich.

Mit steigender Prozessgeschwindigkeit lässt sich allerdings der Bearbeitungszustand, sprich die Eindringtiefe des Laserpulses, während des Laserns nur eingeschränkt überwachen. Bis heute arbeiten viele Anlagen mit optischen Inspektionssystemen oder nachgelagerten Qualitätskontrollen. Genau hier setzt die Forschung der Chiba University an.

Prozesssignale in Echtzeit auswerten

Der Ansatz der japanischen Wissenschaftler um Professor Hirofumi Hidai von der Graduate School of Engineering der Chiba-Universität konzentriert sich auf die Rückstoßkraft. Dabei handelt es sich um eine Reaktionskraft, die auf der Oberfläche eines Materials entsteht, wenn es durch einen Laserimpuls schnell erhitzt und verdampft wird. Nach dem Impulserhaltungssatz wirkt dabei eine gleich große Gegenkraft auf das Material.

Die Japaner nutzen die Rückstoßkraft als direktes Prozesssteuerungssignal für das Laser-Dicing. Statt Kameras oder konfokaler Sensoren registriert eine piezoelektrische Kraftmesszelle ausschließlich die beim Materialabtrag entstehende Gegenkraft. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf den eigentlichen Bearbeitungsprozess ziehen.

Die Ergebnisse der Studie werden am 1. November 2026 in Band 203 der Fachzeitschrift „Optics and Laser Technology“ erscheinen.

Rückstoßkraft verrät den Bearbeitungsfortschritt

Für die Experimente verwendeten die Forscher einen Nanopuls-Nd-YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Pulsdauer von 25 ns. Um die Rückstoßkraft zu erfassen, nutzen die Wissenschaftler eine piezoelektrische Kraftmesszelle. Parallel wurde die tatsächliche Bearbeitungstiefe konfokal vermessen. Dadurch ließ sich die gemessene Rückstoßkraft direkt mit dem realen Materialabtrag vergleichen.

Die Ergebnisse zeigen einen nahezu linearen Zusammenhang zwischen Pulsenergie und Rückstoßkraft. Oberhalb einer Pulsenergie von etwa 3 mJ begrenzen Plasmaeffekte den weiteren Materialabtrag. Die Rückstoßkraft bleibt ein reproduzierbares Prozesssignal und liefert Echtzeitinformationen zum Prozess.

Bearbeitungstiefe in Echtzeit bestimmen

Während der Mehrpulsbearbeitung nimmt die Rückstoßkraft kontinuierlich ab. Ursache ist die zunehmende Defokussierung des Laserstrahls mit wachsender Bohrtiefe. Die Autoren leiteten daraus ein mathematisches Modell ab, das die Bearbeitungstiefe unmittelbar aus der gemessenen Kraft berechnet.

Mit einer mittleren relativen Abweichung von rund 24 % ersetzt das Verfahren zwar noch keine hochpräzise Messtechnik. Allerdings entsteht die Tiefeninformation direkt während des Bearbeitungsprozesses. Und das ohne Kamera, ohne zusätzliche Messoptik und unabhängig von der Kontur (tief oder schmal) der Schnittfugen.

Durchtrennen des Wafers eindeutig detektieren

Besonders interessant ist das Verhalten unmittelbar vor dem vollständigen Durchtrennen des Wafers. Dabei verändert sich der Verlauf der Rückstoßkraft deutlich. Damit kann der genaue Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem ein Wafer vollständig durchgeschnitten ist, ohne dass eine visuelle Inspektion der Probe erforderlich war.

Gerade in hochautomatisierten Fertigungslinien könnte dadurch die Anzahl unnötiger Laserpulse reduziert werden. Gleichzeitig sinkt das Risiko, Dicing-Folien oder nachfolgende Substrate zu beschädigen.

Ein Schritt auf dem Weg zur Halbleiterfertigung der Zukunft

Die eigentliche Bedeutung der Arbeit liegt im Potenzial zur Echtzeit-Prozessüberwachung. In der Halbleiterfertigung werden Prozesse nicht nur überwacht, sondern sollen automatisch nachgeregelt werden. Closed-Loop-Systeme passen Laserleistung, Fokuslage oder Vorschub bereits während der Bearbeitung an den tatsächlichen Prozesszustand an. Voraussetzung dafür sind robuste Sensorsignale, die direkt aus dem Fertigungsprozess gewonnen werden.

Die Rückstoßkraft entsteht unmittelbar aus der Wechselwirkung zwischen Laser und Material und ist damit wesentlich näher am eigentlichen Prozess als eine nachgelagerte Bildauswertung.

Perspektivisch könnte die Kraftmessung mit KI-gestützten Regelalgorithmen kombiniert werden. Diese würden Abweichungen frühzeitig erkennen und Laserparameter automatisch optimieren. Damit ließe sich nicht nur der Ausschuss reduzieren, sondern auch der Energieverbrauch senken und die Prozessstabilität erhöhen.

Industrielle Serienfertigung noch nicht absehbar

Bis zur industriellen Serienanwendung bleiben einige Herausforderungen bestehen. Die Forscher nennen insbesondere die Dynamik des Messsystems, höhere Pulsfrequenzen sowie den Einfluss von Scannerbewegungen als offene Entwicklungsfelder. Auch die Übertragung auf Hochgeschwindigkeitsanlagen mit Wiederholraten von mehreren Kilohertz muss noch untersucht werden.

Dennoch zeigt das Forschungsprojekt bereits heute eine Richtung auf, in die sich moderne Laserprozesse entwickeln könnten: weg von offenen Bearbeitungsabläufen und hin zu selbstüberwachenden Fertigungssystemen, die ihren eigenen Prozesszustand kontinuierlich erfassen.

Fazit: Rückstoßkraft als Mittel zur intelligenten Prozessüberwachung

Die vorgestellte Rückstoßkraftmessung ist weit mehr als eine akademische Idee. Sie adressiert eines der zentralen Themen der Halbleiterfertigung: die intelligente Prozessüberwachung im Zeitalter von Advanced Packaging, Chiplets und KI-Beschleunigern. Während klassische Sensorsysteme den Prozess von außen beobachten, nutzt der neue Ansatz ein Signal, das unmittelbar aus der Laser-Material-Wechselwirkung entsteht.

Sollte sich das Verfahren für die industrielle Serienfertigung weiterentwickeln lassen, könnte daraus ein neuer Sensortyp für die Smart Fab entstehen – robust, kostengünstig und unmittelbar in den Fertigungsprozess integriert. Damit würde Laser-Dicing einen entscheidenden Schritt in Richtung autonomer Halbleiterfertigung machen. (kr)

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