激光劃切硅工藝的探討

沈怡東，錢清友

（捷捷半導(dǎo)體有限公司，江蘇 南通 226200）

0 引言

半導(dǎo)體器件的劃切主要分為砂輪和激光劃切兩種，而激光因其相干性好、方向性強(qiáng)、單色性好、劃切效率高的特點(diǎn)，在半導(dǎo)體器件工藝過程中起著舉足輕重的作用。激光最初的中文名叫作“鐳射”“萊塞”，是其英文名稱LASER（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的音譯，意思是“通過受激輻射光擴(kuò)大”，激光的英文全名已經(jīng)完全表達(dá)了產(chǎn)生激光的主要過程。激光的原理早在1916年已被著名的美國(guó)物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激輻射”改稱“激光”。激光的顏色一般用激光的波長(zhǎng)來表述（見圖1）。

圖1 激光顏色與波長(zhǎng)相關(guān)性

紅外激光波長(zhǎng)是1064 nm，紫外激光波長(zhǎng)是355 nm，光由光子組成，即光量子（light quantum），其能量為普朗克常量和電磁輻射頻率的乘積（E=hv），在真空中以光速c運(yùn)行，其自旋為1，是玻色子。光子能量的計(jì)算公式為E=hv。式中，h為普朗克常量；v為光的頻率。那么紫外激光的光子能量為紅外激光的3倍，相對(duì)于紅外激光來說，紫外激光俗稱冷激光，可以切割鈍化玻璃，故本文對(duì)紫光劃切硅的工藝進(jìn)行探討，以解決紫光劃切GPP功率器件的難點(diǎn)[1]。

1 實(shí)驗(yàn)原理

紫光劃片主要是通過激光源放射出一定能量的紫外光，在一定頻率及運(yùn)行速度下，將待劃切的硅燒融、氣化，從而形成劃切的據(jù)路，并通過后續(xù)的裂片過程，將硅片分成一個(gè)個(gè)器件（die），從而為后續(xù)器件的應(yīng)用做準(zhǔn)備。紫光劃片機(jī)主要由激光源、布儒斯特窗口、激光擴(kuò)速鏡組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）激光源特指泵浦（pump）：即泵，又名幫浦、抽運(yùn)；與泵不同的是，泵浦一詞主要出現(xiàn)于激光領(lǐng)域。在激光器中，外部能量通常會(huì)以光或電流的形式輸入到產(chǎn)生激光的媒質(zhì)之中，把處于基態(tài)的電子，激勵(lì)到較高的能級(jí)高能態(tài)（人們用“泵浦”一詞形容這一過程（如同把水從低處抽往高處），物理學(xué)家將這種狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。

（2）布儒斯特窗口：即用作偏振器的無鍍膜的基底，通常用于激光腔內(nèi)。以布儒斯特角放置時(shí)，光束的p偏振分量將無損耗通過窗口，而s偏振分量將被布儒斯特窗口反射。在激光腔內(nèi)使用時(shí)，布儒斯特窗口本質(zhì)上是一個(gè)偏振器。

（3）激光擴(kuò)束鏡：主要有兩個(gè)用途：一是擴(kuò)展激光束的直徑；二是減小激光束的發(fā)散角。因此，它被用于遠(yuǎn)距離照明、投影以及聚焦系統(tǒng)，和未經(jīng)擴(kuò)束的光束相比，擴(kuò)束后的光束可被聚焦得更小[2]。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

取GPP的產(chǎn)品，對(duì)設(shè)備的劃切功率、速度、頻率三個(gè)因素進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，比較其劃切的寬度及深度，得到較優(yōu)的工藝條件。劃切示意圖如圖3所示。

圖3 劃切硅基本工藝模型

2.2 工藝過程

2.2.1 探討劃切頻率對(duì)劃切深度及劃切寬度的影響

在恒定的劃切速度（50 mm/s），恒定的功率（50%，10 kW的光源）的工藝條件下，對(duì)不同的劃切頻率進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，測(cè)試其劃切后深度及寬度，如表1、圖4所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，頻率與環(huán)切深度呈現(xiàn)拋物線相關(guān)性，寬度隨著頻率升高變低，但差異不大[3]。

表1 劃切頻率與劃切深度寬度相關(guān)數(shù)據(jù)

圖4 劃切頻率與劃切深度寬度相關(guān)性圖表

2.2.2 探討劃切速度對(duì)劃切深度及劃切寬度的影響

在恒定的劃切頻率（45 kHz），恒定的功率（50%，10 kW的光源）的工藝條件下，對(duì)不同的劃切速度進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，測(cè)試其劃切后深度及寬度。如表2、圖5所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，劃切速度越快，深度越淺，劃切的速度與劃切寬度無相關(guān)性。

表2 劃切速度與劃切深度寬度相關(guān)數(shù)據(jù)

圖5 劃切速度與劃切深度寬度相關(guān)性圖表

2.2.3 探討功率對(duì)劃切深度及劃切寬度的影響

在恒定的劃切頻率（45 kHz），恒定的劃切速度（50 mm/s）的工藝條件下，對(duì)不同的功率（10 kW的光源）進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，測(cè)試其劃切后深度及寬度。如表3、圖6所示。

表3 劃切功率與劃切深度寬度相關(guān)數(shù)據(jù)

圖6 劃切功率與劃切深度寬度相關(guān)性圖表

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，劃切功率越大，劃切的深度及寬度均越大。

3 結(jié)束語

紫光劃切硅片劃切的深度與功率及速度成線性關(guān)系，功率越大，劃切深度越深，速度越慢，劃切深度越深，而頻率與劃切深度成多項(xiàng)式關(guān)系，即存在深度與頻率最佳匹配值，需根據(jù)不同的激光源進(jìn)行測(cè)試分析探討。紫光劃切硅片的寬度與劃切速度無關(guān)，劃切頻率越高，寬度越窄，劃切功率越大，寬度越寬，我們可以根據(jù)產(chǎn)品的要求，做相應(yīng)的取舍。紫光劃切硅片也不是劃切越深越好，若劃切過深，則其存在氣熔的硅在硅片表面再次凝固的問題，出現(xiàn)硅片不易裂開的情況，因此最佳的工藝需結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際需求，做相應(yīng)的優(yōu)化，從而得到最理想的工藝條件。■