SiC單晶片的激光標(biāo)識(shí)技術(shù)研究

王添依，馮 玢

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

激光打標(biāo)[1]是在激光焊接、激光熱處理、激光切割、激光打孔等應(yīng)用技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一門新型加工技術(shù)，是一種非接觸、無(wú)污染、無(wú)磨損的新標(biāo)記工藝。工件不會(huì)變形和產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，適于金屬、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等材料的標(biāo)記。它是一種具有亮度高、方向性好、單色性好的相干光，因此在理論上經(jīng)聚焦后能形成直徑為亞微米級(jí)的光點(diǎn)，焦點(diǎn)處的功率密度可達(dá)到1×102～1×103W/cm3，溫度高達(dá)10 000℃以上，可在千分之幾秒內(nèi)急劇熔化和汽化各種材料[2]。

單晶碳化硅（SiC）作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有一些優(yōu)越的性能，如高電子飽和遷移率和優(yōu)良的熱學(xué)特性，在制造耐高溫、抗輻射的高頻大功率器件方面具有廣闊的應(yīng)用前景。采用激光加工技術(shù)在碳化硅材料上制作標(biāo)識(shí)碼，對(duì)追溯產(chǎn)品去向有重要意義。

1 激光打標(biāo)原理及結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)的激光打標(biāo)按其工作方式可分為掩模式打標(biāo)、陣列式打標(biāo)和掃描式打標(biāo)。本次實(shí)驗(yàn)采用掃描式激光打標(biāo)系統(tǒng)，如圖1所示。它主要由激光器、xy偏轉(zhuǎn)鏡、聚焦透鏡、計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。其工作原理是將激光束入射到兩反射鏡(振鏡)上，用計(jì)算機(jī)控制反射鏡的反射角度，兩個(gè)反射鏡可分別沿x、y軸掃描，從而達(dá)到激光束的偏轉(zhuǎn)，使具有一定功率密度的激光聚焦點(diǎn)在打標(biāo)材料上按所需的要求運(yùn)動(dòng)，從而在材料表面上留下永久的標(biāo)記，聚焦的光斑可以是圓形或矩形。在振鏡打標(biāo)系統(tǒng)中，可以采用矢量圖形及文字，這種方法采用了計(jì)算機(jī)中圖形軟件對(duì)圖形的處理方式，具有作圖效率高，圖形精度好，無(wú)失真等特點(diǎn)，極大地提高了激光打標(biāo)的質(zhì)量和速度。同時(shí)振鏡式打標(biāo)也可采用點(diǎn)陣式打標(biāo)方式，采用這種方式對(duì)于在線打標(biāo)很適用，根據(jù)不同速度的生產(chǎn)線可以采用一個(gè)掃描振鏡或兩個(gè)掃描振鏡，與前面所述的陣列式打標(biāo)相比，可以標(biāo)記更多的點(diǎn)陣信息，對(duì)于標(biāo)記漢字字符具有更大的優(yōu)勢(shì)。

圖1 掃描式激光打標(biāo)系統(tǒng)原理

掃描式激光打標(biāo)系統(tǒng)一般使用連續(xù)光泵工作波長(zhǎng)為1 064 nm的YAG激光器，輸出功率為10～120 W，激光輸出可以是連續(xù)的，也可以是Q開(kāi)關(guān)調(diào)制的。YAG激光器產(chǎn)生的激光能被半導(dǎo)體和大多數(shù)塑料很好地吸收，而且其波長(zhǎng)短，聚焦的光斑小，因而非常適合在這些材料上進(jìn)行高清晰度的標(biāo)記[3]。

2 試驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)樣品：150 mm（6英寸）碳化硅單晶拋光片，厚度為 500 μm。

試驗(yàn)條件：在本試驗(yàn)中，選用了波長(zhǎng)1 064 nm的半導(dǎo)體端泵YAG激光打標(biāo)機(jī)，采用碳化硅單晶拋光片（Si面）上進(jìn)行幾組工藝試驗(yàn)。

測(cè)試儀器：

（1）強(qiáng)光燈：觀察打標(biāo)前后晶片的表面宏觀狀況；

（2）光學(xué)顯微鏡：觀察激光打標(biāo)后晶片的表面狀況。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)調(diào)整參數(shù)，觀察打標(biāo)效果的變化。光斑大小直接影響激光束作用在工件上的功率密度[4]，光斑越小，則功率密度越高。因此功率大小對(duì)標(biāo)記效果的影響如表1所示，工件上的標(biāo)刻速度（見(jiàn)表2）、激光頻率（見(jiàn)表3）等都影響標(biāo)記效果，改變不同的參數(shù)，線條寬度隨之變化。

表1 功率對(duì)標(biāo)記線寬影響

表2 標(biāo)刻速度對(duì)標(biāo)記線寬影響

表3 激光頻率對(duì)標(biāo)記線寬影響

由表1、表2、表3可分別得到如圖2、圖3、圖4所示的曲線。

本激光打標(biāo)實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變不同的參數(shù)對(duì)光刻時(shí)線條寬度產(chǎn)生影響。由圖2、圖4可知，激光標(biāo)刻的線條寬度隨著功率、頻率的變大而變寬。由圖3可知，線條寬度隨著標(biāo)刻速度的變大而變小。

圖2 功率對(duì)標(biāo)記線寬影響

圖3 標(biāo)刻速度對(duì)標(biāo)記線寬影響

圖4 激光頻率對(duì)標(biāo)記線寬影響

圖5為在SiC單晶拋光片表面標(biāo)刻的一組直線后，通過(guò)微分干涉顯微鏡下觀察到的表面形貌。圖5(a)中可以看出，標(biāo)記線很窄，效果不夠明顯，肉眼不易識(shí)別。圖5(b)中可以看出，標(biāo)識(shí)線與背景區(qū)域的邊界較模糊，并且在背景區(qū)域出現(xiàn)黑色斑點(diǎn)，強(qiáng)光燈下觀察線條整體不均勻，線條寬窄不一。這是因?yàn)樵谳^大激光加工過(guò)程形成的附產(chǎn)物未能完全氣化，部分附產(chǎn)物附著于標(biāo)識(shí)區(qū)域周圍，形成黑色斑點(diǎn)所致。圖5(c)中所示，顯微鏡下的線條形狀筆直，標(biāo)記線寬度深度均得改觀，整體線條均勻、顏色統(tǒng)一，標(biāo)記線效果明顯。線條寬度隨著激光的功率、標(biāo)刻速度、頻率等發(fā)生改變。因此選用激光功率為50%，標(biāo)刻速度為100 mm/s，頻率為20 kHz，脈沖寬度為10 μs打標(biāo)參數(shù)，打標(biāo)標(biāo)記效果較好。

圖5 微分干涉顯微鏡照片

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)激光打標(biāo)系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)的深度了解，分析了打標(biāo)機(jī)的性能，并對(duì)碳化硅晶片的激光打標(biāo)技術(shù)進(jìn)行了一些有益的試驗(yàn)，研究了激光的功率、標(biāo)刻速度、頻率等對(duì)打標(biāo)深度的影響。確定了激光功率為50%，標(biāo)刻速度為100 mm/s，頻率為20 kHz，脈沖寬度為10 μs的工藝參數(shù)，有效地改善了碳化硅晶片的標(biāo)記效果。

[1] 王進(jìn)華.激光加工技術(shù)使太陽(yáng)能電池的效率提高到22%[J].光機(jī)電信息，2007，24(7)：23-24.

[2] 文秀蘭，林宋，譚昕.超精密加工技術(shù)與設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3] 袁根福.激光加工技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，12(01)：30-34.

[4] 吳云峰，陳潔.精密超精密加工技術(shù)綜述[J].新技術(shù)新工藝，2007，6(15)：38-40.