晏詩戀 銷售工程師

供稿/相干公司

在半導(dǎo)體微電子生產(chǎn)、顯示屏制造、醫(yī)療設(shè)備制造以及其它諸多工業(yè)領(lǐng)域中，企業(yè)對更高精度的精密加工的需求日益上升。具體而言，這意味著在對部件進行切割、鉆孔和打標時，加工部件的尺寸更小，加工精度要求更高，加工過程中對周圍材料的影響更少。在過去，多數(shù)精密加工應(yīng)用都依賴于納秒激光器或紫外激光器（或兩者兼?zhèn)洌５牵@些傳統(tǒng)激光器并不能一直滿足上述日益更新且愈加嚴苛的應(yīng)用需求。因此，一些應(yīng)用正依靠采用超快（皮秒或飛秒）激光器來實現(xiàn)這些效果。本文將介紹超快加工的優(yōu)勢，并重點說明其在玻璃和硅晶圓切割方面的應(yīng)用。 

超快加工的優(yōu)勢 

微加工旨在以較高的精度加工出微米量級的成果，如圓孔、凹槽和打標等，同時避免對周圍材料造成熱損傷。即在實現(xiàn)精密、冷切割和打標的同時，最大程度地縮小熱影響區(qū)域(HAZ)。 

激光通過兩種作用機理對材料進行精密鉆孔、劃線、切割或打標。許多傳統(tǒng)應(yīng)用依賴于紅外和可見光調(diào)Q激光器，此類激光器脈寬約為幾十納秒，通過光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)去除材料，我們稱之為“熱燒蝕”。加工過程中，激光聚焦在微小空間內(nèi)充當熱源，靶材被迅速加熱，最終蒸發(fā)（本質(zhì)上為汽化）。 

這種作用機理的優(yōu)點是能夠快速去除相對大量的目標材料。此外，納秒激光器技術(shù)已頗為成熟；這些激光源具有較高的可靠性，同時兼具購置成本低廉的特點，極具吸引力。但是，對于一些要求非常嚴苛的應(yīng)用，由于外圍存在較大熱影響區(qū)域(HAZ)損傷（例如表面涂層剝離和微裂紋問題）和/或再生余料，可能會限制其應(yīng)用。 

最大程度地減小HAZ范圍的方法之一是，采用紫外光納秒激光器取代可見光或近紅外激光器。紫外光可被大多數(shù)材料高效吸收。這使得激光透入零件的厚度不至于過深，從而減小熱影響區(qū)域。 

第二種激光去除材料機制運用的是光燒蝕原理。這種方法可以通過超快激光器來實現(xiàn)，因為較短的脈寬能夠產(chǎn)生極高的峰值功率（達到兆瓦或以上）。極高的峰值能量密度可以促進多光子吸收，將電子從材料中激發(fā)，形成自由電子，隨后由于庫倫斥力而產(chǎn)生微爆以實現(xiàn)材料去除。由于光燒蝕直接破壞了材料結(jié)合的分子鍵或原子鍵，而不是依靠加熱進行去除，因此從本質(zhì)上來說，這并不是熱破壞過程。此外，對于超快脈沖，由于材料與激光的作用時間非常短，有效避免了熱傳導(dǎo)效應(yīng)，使得周圍區(qū)域能夠保持冷卻狀態(tài)。同時氣化粒子將大量殘余能量帶走，從而大大減小了熱影響區(qū)域。因此，這種干凈的燒蝕過程不會殘留再生材料，從而省去了復(fù)雜的后加工，我們稱之為“冷燒蝕”。

圖1：超快激光和長脈沖激光加工機理對比 

超快加工的另一個優(yōu)點在于，它可以應(yīng)用于非常廣泛的材料，例如玻璃、藍寶石和某些聚合物等，這些材料的線性光吸收能力較低，因此難以使用現(xiàn)有的激光器進行加工。確切地說，這種技術(shù)具有“波長免疫性”，也就是說，無論何種波長，即使材料對該激光波長是透明的，非線性吸收也會引起光和物質(zhì)相互作用。 

當然，超快加工也有一個不利因素，此加工去除材料的效率非常低，并且超快激光器比長脈沖激光器價格更昂貴。因此，只有針對要求加工精度和質(zhì)量極高，HAZ范圍小的應(yīng)用，才會考慮采用超快加工方式。

圖2：納秒激光器（左圖）和皮秒激光器（右圖）加工200 µm直徑的不銹鋼鉆孔對比圖。皮秒激光器能夠加工出更整齊的鉆孔，產(chǎn)生的廢料更少，且HAZ更小。

打造可靠的工業(yè)級皮秒激光器 

綜合來看，與其它激光器甚至非激光加工設(shè)備相比，超快激光器必須擁有頗具競爭力的成本、可靠性和易用性，才可為大多數(shù)工業(yè)用戶帶來實實在在的效益。相干公司在產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中采取了多項措施，以確保達到上述目的。 

首先是采用充足的余量設(shè)計。具體而言，激光器設(shè)計時預(yù)留了較大的提升空間，因此即使個別元件偏離其預(yù)定值，整套設(shè)備也能夠正常運行。此外，這種設(shè)計還可以確保，即使部分光學(xué)器件隨著時間推移發(fā)生老化（如鏡面反射率降低或光學(xué)鏡架發(fā)生機械變形），激光器的輸出也能保持在預(yù)定的指標范圍內(nèi)。 

其次，激光器在潔凈室內(nèi)完成組裝，并進行了嚴格密封，以防止污染物進入腔內(nèi)。同時，相干公司高質(zhì)量的品質(zhì)管控，在選擇腔內(nèi)部件時非常謹慎，以確保在抽真空的過程中激光器腔內(nèi)不會受到污染。 

另外，相干公司非常重視產(chǎn)品的機械設(shè)計，最大程度地減少使用可調(diào)節(jié)鏡架，盡可能避免其因為時間推移而發(fā)生形變的可能。另外，每臺設(shè)備都會接受100 g以上的沖擊試驗。如果輸出功率由于沖擊試驗而有所變化，則判定產(chǎn)品不合格，并會分析具體的問題成因。 

最后，相干公司還采用高精度的冷卻器將激光器的溫度波動控制在0.1°C，以確保其輸出功率的穩(wěn)定性。 

上述種種措施成就了這些產(chǎn)品擁有極高的可靠性。來自客戶的報告表明，即使是在24/7無間斷的工作狀態(tài)下，這些系統(tǒng)正常運行的可靠率仍然高于98%。 

相干公司的工業(yè)超快激光器采用獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計——“Burst Mode”操作模式，對于某些應(yīng)用是一種更有效的的工作方式。在“Burst Mode”工作模式下，激光器會輸出連續(xù)的脈沖串（最多可達10個），而不是單一的脈沖。 

“Burst Mode”的優(yōu)點在于，在特定的情況下，即使保持在恒定的平均功率下，它可以顯著提高燒蝕率（單位時間內(nèi)去除的材料量）。例如，測試結(jié)果表明，特定條件下，使用五個連續(xù)脈沖串來代替單一脈沖，可以使燒蝕率提高5到10倍。 

“Burst Mode”功能有效地提高了激光加工能力，并大大拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。該模式已被證明在加工導(dǎo)體材料（如鋼和硬質(zhì)合金）時非常有效。相反，在加工絕緣體材料（如陶瓷和玻璃）時，“Burst Mode”的優(yōu)勢則相對有限。 

應(yīng)用 

憑借超快加工的獨特優(yōu)勢，這些激光器目前已被廣泛用于精密微加工。其中包括LED劃片、藍寶石切割、汽車發(fā)動機燃料噴嘴和發(fā)動機冷卻板鉆孔、生物過濾器的鉆孔和結(jié)構(gòu)制備、FR-4樹脂切割和鉆孔、低溫共燒陶瓷(LTCC)和高溫共燒陶瓷(HTCC)切割和鉆孔，以及不銹鋼和銅等金屬微加工。 

蘇州德龍激光有限公司幾年前開始使用相干公司的皮秒激光器進行半導(dǎo)體晶圓切割和玻璃切割。該公司的美國地區(qū)銷售經(jīng)理Joshua Zhao介紹了激光器的應(yīng)用情況和已經(jīng)取得的相關(guān)業(yè)績。“晶圓切割實際上可以通過兩種不同的方式來完成。第一種被稱為表面切割，將激光束聚焦在晶圓表面的間隔區(qū)域（電路元件之間的空白區(qū)域）。首先使用激光在晶圓表面劃線，隨后再通過機械裂片來分離各個芯片。第二種被稱為隱形切割。這種方法將激光束聚焦在晶圓內(nèi)部，進行激光劃片，隨后再通過機械裂片分離各個芯片。” 

“以前，我們使用355 nm納秒激光器進行激光劃片，而現(xiàn)在，我們轉(zhuǎn)而采用相干公司的1064 nm皮秒激光器進行隱形切割。這項改進使我們獲益匪淺：首先，皮秒激光器所產(chǎn)生的熱影響區(qū)域遠遠小于納秒激光器。這就使得切割間隔區(qū)域從25 µm減少到了14 µm。這樣，相同尺寸的晶圓上可以獲得更多數(shù)量的芯片，從而提升了產(chǎn)出率。同時，失效的產(chǎn)品數(shù)量也大大減少，提升了產(chǎn)品的良率，從而減少了資源浪費。此外，我們的加工效率也顯著加快。例如，納秒激光器每小時可以加工15片晶圓，用于生產(chǎn)10 mil × 23 mil大小的芯片，而皮秒激光器每小時可以加工23片晶圓。而且，我們還可以加工更厚的晶圓；以前的納秒激光器最多只能切割100 µm厚的晶圓，而現(xiàn)在我們可以切割200 µm厚的晶圓。”

圖3. 使用皮秒激光器隱形切割碳化硅晶圓的結(jié)果（在機械裂片之前）。 

蘇州德龍激光有限公司另一個重要的皮秒加工應(yīng)用是玻璃切割。隨著觸摸屏手機和平板電腦市場的迅猛增長，玻璃切割引起人們極大的關(guān)注。觸摸屏玻璃切割有兩個重要的發(fā)展趨勢。首先是傾向于使用更薄的玻璃基板，以盡量減輕顯示屏的總重量。其次是需要在玻璃中切割彎曲的形狀，而不是簡單的直線，以實現(xiàn)倒角，以及更復(fù)雜的屏幕幾何形狀切割。 

隨著顯示屏玻璃日益變薄，產(chǎn)品仍需保留抗摔性、耐用性和抗壓性（針對觸摸屏），這一點至關(guān)重要。典型的LCD觸摸屏實際上包含四個玻璃疊層。頂層（外層）通常是700 µm厚的防護玻璃罩。為了最大限度地減少劃傷和破損的風(fēng)險，頂層玻璃通常采用化學(xué)處理進行強化（康寧公司生產(chǎn)的Gorilla® Glass、旭化成公司生產(chǎn)的Dragontrail和肖特公司生產(chǎn)的Xensation均屬于這一類型的玻璃）。這一強化層的厚度通?？梢赃_到幾十微米。 

傳統(tǒng)的機械切割方式不適合切割厚度在1 mm以下的玻璃，因為會產(chǎn)生微裂紋，形成碎片，并在切割邊緣留下明顯的機械應(yīng)力殘余。所有這些問題都需要通過進一步的后加工來處理。強化玻璃就更難處理，因為強化玻璃很難進行機械切割，無法實現(xiàn)很高的切割速度。 

使用二氧化碳和納秒固體激光器進行玻璃切割已經(jīng)在顯示屏行業(yè)取得了良好的應(yīng)用。這些激光器均可產(chǎn)生顯著優(yōu)于機械切割的效果，但仍有一定的局限性，特別是對于非常薄的玻璃（厚度<300 µm）來說尤其如此。Joshua Zhao指出，“我們發(fā)現(xiàn)采用相干公司的1064nm皮秒激光器，切割玻璃時所造成的邊緣裂紋僅為30 µm左右，而納秒激光器所造成的玻璃裂紋約為100 µm。而且，當我們僅進行直線切割時，皮秒激光器所造成的裂紋長度只有大約10 µm。這就使得成品玻璃的邊緣強度更高，在使用過程中具有更強的抗裂性。此外，與我們考慮的其他幾種皮秒激光器相比，相干公司的激光器還有幾個非常實用的優(yōu)點，包括功率穩(wěn)定性更佳和宕機時間更少，以及在中國更完善的客戶支持服務(wù)。”

圖4. 使用納秒激光器（左圖）和皮秒激光器（右圖）切割玻璃的橫截面。使用皮秒激光器進行切割具有更少的微裂紋和殘留碎片。 

總之，新一代的可靠、高功率、工業(yè)超快激光器可以實現(xiàn)更高精度的微加工，并得以應(yīng)用到更多工業(yè)領(lǐng)域中。這項技術(shù)預(yù)計將對微電子制造、醫(yī)療設(shè)備制造和汽車生產(chǎn)等行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。