摘要：LED的相關(guān)電路元件的加工與制作都是在晶圓上完成的，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)晶圓的切割技術(shù)要求越來(lái)越高，而在實(shí)際切割中，對(duì)晶圓的切割十分注重于晶圓的切割寬度，以降低晶圓損耗。研究355nm紫外激光切割設(shè)備的功率、頻率以及切割速度對(duì)晶圓切割寬度的影響，從而達(dá)到高效率、小寬度、高標(biāo)準(zhǔn)的激光切割加工。

關(guān)鍵詞：激光切割；脈沖頻率；LED晶圓 

1.引言

晶圓是指硅半導(dǎo)體集成電路制作所用的硅晶片，由于其形狀為圓形，故稱為晶圓，在硅晶片上可加工制作成各種電路元件結(jié)構(gòu)，而成為有特定電性功能之IC產(chǎn)品。晶圓的原始材料是硅，而地殼表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅礦石經(jīng)由電弧爐提煉，鹽酸氯化，并經(jīng)蒸餾后，制成了高純度的多晶硅，其純度高達(dá)99.999%。

LED晶圓是LED的核心部分，LED 晶圓主要以藍(lán)寶石、碳化硅等脆硬材料作為襯底。事實(shí)上，LED的波長(zhǎng)、亮度、正向電壓等主要光電參數(shù)基本上取決于晶圓材料。LED的相關(guān)電路元件的加工與制作都是在晶圓上完成的，這些脆硬材料的劃切分離始終是LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要制約環(huán)節(jié)之一，所以晶圓技術(shù)與其加工設(shè)備是晶圓制造技術(shù)的關(guān)鍵所在。

晶圓切割的傳統(tǒng)方式是采用刀具切割，就是所謂的接觸式加工，接觸式加工，接觸式加工極易使邊緣破裂，交叉部分更為嚴(yán)重，導(dǎo)致成品率低，原材料的損耗大，有時(shí)還可能造成隱性裂紋從而影響電性參數(shù)。紫外激光切割設(shè)備加工式所謂的非接觸式加工，新型紫外激光器的出現(xiàn)，成功地解決了這個(gè)難題。紫外激光指波長(zhǎng)為100~400nm 的激光，它有兩個(gè)非常好的特點(diǎn)：一是波長(zhǎng)短，光子能量大；二是光束匯聚質(zhì)量好。由于紫外激光波長(zhǎng)短、能量集中，因此其加工半導(dǎo)體材料是直接破壞連接物質(zhì)原子/分子的化學(xué)鍵，從而將物質(zhì)分離成原子/分子的加工過(guò)程，選擇合適的激光參數(shù)，激光加工過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生多余熱量。該特性使紫外激光器成為加工藍(lán)寶石等硬脆材料的理想工具。再加上紫外激光能被大多數(shù)材料有效吸收以及具有良好的聚焦性能，可在很小的空間區(qū)域內(nèi)進(jìn)行高精度微細(xì)加工，因此，紫外激光劃切技術(shù)是目前劃切以藍(lán)寶石、氮化鎵、碳化硅等硬脆材料為襯底的高亮度LED 晶圓的最有效方法之一，如（圖1）。

 圖1 紫外激光劃切藍(lán)寶石基LED

2.測(cè)試原理，技術(shù)指標(biāo)及光路系統(tǒng)

激光經(jīng)過(guò)聚焦后照射到材料上，使被切割材料溫度急速升高，然后使之熔化或汽化。隨著激光與被切割材料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在切割材料上形成切縫從而達(dá)到切割的目的。這里我們采用的是355nm紫外激光切割設(shè)備，由于紫外激光光束波長(zhǎng)短，能量高且最終到達(dá)加工平面的激光光斑較小，所以被廣泛的應(yīng)用于精密加工行業(yè)。

該設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)如下表所示：

表1  設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

測(cè)試平臺(tái)的光路系統(tǒng)

3. 測(cè)試結(jié)果與分析

在做晶圓測(cè)試之前要保證激光光路的同軸性較為良好，這是激光切割的前提，也是最關(guān)鍵的條件之一，由于激光設(shè)備最終的出光質(zhì)量會(huì)直接影響到測(cè)試結(jié)果。聚焦光斑理論上是越小越好，光斑越小激光能量越集中，同樣切縫的寬度也會(huì)越小，這樣可以提高加工精度，我們公司紫外激光設(shè)備聚焦光斑通常在2~3s（1s=10um）范圍內(nèi)。在對(duì)藍(lán)寶石晶圓切割測(cè)試過(guò)程中，采用控制變量法，通過(guò)改變紫外激光器的脈沖重復(fù)頻率、振鏡掃描速度以及切割重復(fù)次數(shù)得到了多組微槽。使用三次元顯微鏡儀器檢測(cè)這些微槽，獲得了不同參數(shù)下切槽深度圖片。

3.1激光頻率對(duì)測(cè)試的影響

通常情況下，激光器的重復(fù)頻率選擇50kHz,激光器的輸出功率在10W以上，經(jīng)過(guò)中間光學(xué)系統(tǒng)功率衰減微乎其微，最終自聚焦鏡出來(lái)的光功率也會(huì)達(dá)到10W左右。在測(cè)試過(guò)程中設(shè)定激光重復(fù)頻率為60kHz，振鏡掃描速度為100mm/s，經(jīng)過(guò)多次改變激光重復(fù)頻率，同時(shí)保證振鏡掃描速度、切割重復(fù)次數(shù)及其他切割參數(shù)不變的情況下，可以得出在一定范圍內(nèi)（50kHz~400kHz）隨著激光重復(fù)頻率的增加切槽的深度值會(huì)有相應(yīng)的減小，即隨著激光功率的增加，切槽深度值會(huì)變大。

      圖3  不同激光重復(fù)頻率下晶圓的切槽情況

經(jīng)過(guò)測(cè)量測(cè)試后的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振鏡掃描速度為100mm/s 時(shí)，脈沖重復(fù)頻率由60kHz增加到100kHz，微槽深度減小了約0.54um，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)重復(fù)頻率小于10 kHz時(shí)，切割時(shí)聲音尖銳刺耳，切割深度較淺，切縫較寬，隨著頻率的增加，切割時(shí)聲音變小，切割深度增加，切縫寬度也減小。當(dāng)重復(fù)頻率達(dá)到50 kHz時(shí)，切割深度達(dá)到最大。頻率繼續(xù)上升時(shí)，切割深度再次減小。這是因?yàn)樵谄渌麉?shù)不變的情況下，重復(fù)頻率越高，峰值功率越小，單脈沖與材料作用的時(shí)間越短，因此熱影響區(qū)越小，切縫寬度也就越小。當(dāng)重復(fù)頻率較低時(shí)，雖然脈沖的峰值功率很高，但平均功率很低，所以造成了切縫較寬，切割深度卻不大的現(xiàn)象。隨著重復(fù)頻率的上升，脈沖峰值功率降低，但平均功率增加，在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，可以達(dá)到較小的切縫寬度和較大的切割深度。當(dāng)重復(fù)頻率繼續(xù)上升時(shí)，雖然輸出的平均功率增加，但是脈沖的峰值功率下降到不足以使晶圓氣化，因此切割深度又變小。功率增大而振鏡掃描速度不變，意味著激光作用于材料的時(shí)間一定但是能量不同，能量越高則切槽的深度越大。

3.2  振鏡掃描速度對(duì)切割的影響

在激光頻率一定的情況下，我們經(jīng)過(guò)多次改變振鏡掃描速度，觀察晶圓的切槽深度（圖4），經(jīng)過(guò)測(cè)量得知，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為60KHz 時(shí)，速度由100mm/s 增加到150mm/s，微槽深度減小了約0.32um；速度由150mm/s 增加到200mm/s，微槽深度減小了約0.28um。

圖4  從上至下依次是振鏡掃描速度逐漸增大的切割效果

當(dāng)激光頻率及其他參數(shù)一定情況下，掃描速度增大意味著激光作用于晶圓上的時(shí)間減小，即作用在晶圓上的激光能量密度降低，故使得切割深度減小。

3.3  吸風(fēng)、吹氣裝置對(duì)測(cè)試的影響

    在用設(shè)備為樣品做測(cè)試的過(guò)程中，吸風(fēng)裝置的上吸風(fēng)主要是吸收掉在晶圓測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵碎渣，下吸風(fēng)為使得樣品能夠和平臺(tái)緊密貼合做輔助，吸風(fēng)裝置一來(lái)使得晶圓在加工過(guò)程中不易產(chǎn)生廢渣污染樣品，二來(lái)使得晶圓能夠很好地被固定在平臺(tái)上，從而提高測(cè)試精度。吹氣裝置主要作用是冷卻材料的表面溫度，要采用不與硅材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體，該裝置使得材料在被加工過(guò)程中不易被燒灼、碳化，進(jìn)而影響最終測(cè)試后的材料的外觀、尺寸。

4.  本文小結(jié)

通過(guò)工藝測(cè)試，初步研究了紫外激光在切割晶圓過(guò)程中，入射激光能量密度對(duì)切割質(zhì)量的影響規(guī)律以及入射激光功率、激光脈沖重復(fù)頻率、振鏡掃描速度等參數(shù)對(duì)切割深度寬度的影響規(guī)律，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述分析，結(jié)合理論解釋了測(cè)試結(jié)果中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象。

由于作者自身工藝經(jīng)驗(yàn)不足和其他客觀條件的限制，仍有許多工藝方面的問(wèn)題需要進(jìn)一步探索。就目前完成的工作來(lái)看，今后仍需在以下幾方面努力：

（1） 紫外激光與材料的相互作用以及材料對(duì)紫外激光的吸收情況等。

（2） 設(shè)計(jì)對(duì)比測(cè)試方案，研究材料表面粗糙度或者材料成分影響切割質(zhì)量的規(guī)律。

 

參考文獻(xiàn)：

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