近年来对于硅晶圆切割，激光切割迅速取代了机械切割。采用激光切割更有利于提高芯片切割的成品率和大规模生产，而机械切割效率低下，边缘崩边大，刀轮，切割液等耗材费用极高，机器保养成本高昂。激光切割为非接触式加工，具有很多机械加工无法比拟的优势，激光加工具有环保，效率高，崩边小等优势，激光切割主流技术分为隐形切割和消融切割。对于不同的硅晶圆材料，由于特性不同，激光设备要求也不同，因此，激光加工工艺要根据产品量身定制，找出最佳的解决方案。激光加工是以激光光子作为能量载体，通过激光束与材料的相互作用，引起受加工材料一系列物理、化学变化，从而实现对材料进行切割、钻孔、蚀刻等多种加工方式的技术。激光经过扩束聚焦后，在材料表面形成几微米的聚焦点，配合平台的移动可以灵活的完成任何切割。1、激光切割系统激光切割系统主要构成为激光器系统，光路传输系统，激光聚焦系统，成像定位系统，运动控制系统等，全自动化设备还包含自动上下料系统。激光器系统主要包含激光器，其中含有激光头，控制箱和水冷机（光纤激光器部分采用风冷），目前主流的激光器是半导体泵浦固体激光器，以及光纤激光器。波长范围主要为红外nm，绿光nm，紫外nm。光路传输系统主要包含扩束系统，传输系统，光阑等。扩束系统主要是一个定倍或者变倍的扩束镜，用来改变激光器输出的光斑大小，以及缩小光斑发散角，激光器传输系统主要是45度发射镜或者0度反射镜，反射镜采用高性能镀膜，确保激光器功率衰减最小。配合机械运动平台带动聚焦镜，隐形切割聚焦光斑束腰位于材料内部实现切割，消融切割聚焦光斑束腰从表面逐步往下变化，从而自上而下贯穿材料完成切割。2、隐形切割技术随着微电子产业的发展，器件越来越小型化，轻便化。随之也会带来有很多问题，单个芯片尺寸越来越小，晶圆厚度也越来越薄，晶圆更加容易断裂；为了降低耦合及串扰，在IC芯片制作中需要加入Low-k材料，但Low-k材料与硅衬底的附着力较低，使用传统切割方法时容易出现薄膜脱离和破碎等现象，进一步增加了晶圆切割的复杂度和难度,传统的激光切割将激光聚焦于晶圆表面，由于激光的边缘吸收，激光加工会产生微裂纹或者热影响区。为了解决这些问题，日本滨松光学公司发明并获得专利权的隐形切割技术。激光器发出一束特定波长的激光，通过高数值孔径的透镜将其聚焦在晶圆内部，使内部单晶硅发生改质，材料改质后发生应力释放，借助扩片设备实现分离。隐形切割技术应用比较广泛，从硅片到玻璃，蓝宝石，各种晶体等都可以采用隐形切割技术。如图1所示，激光隐形切割是一种内部改造加工过程，激光聚焦在材料内部形成改质层。图1隐形切割原理图隐形切割的优势较大，切割后边缘效果好，断面光滑无粉尘，如图2.1所示，单晶硅多次隐形切割后，表面无裂纹产生。如图2.2所示，单晶硅多次激光内部隐形切割截面形貌，截面粗糙度较小，无刮渣。隐形切割对于聚焦光斑要求很高，因此普通的聚焦镜是无法满足要求的，需要用NA大于0.5的物镜或者同规格的多片式聚焦镜。通常激光器输入光斑直径4mm左右，经过聚焦后光斑直径接近衍射极限，小于1微米。在实际的加工中我们会发现，激光在硅晶圆内部形成的改质层是大约再20-微米的改质层，促使硅片内部应力发生变化，由于单晶结构，应力释放后会在垂直方向形成一道裂纹，裂纹宽度大约1-3微米。需要根据硅材质的透过率和客户要求，进行正面入射激光或者背面入射激光。图2.1单晶硅多次隐形切割后表面形貌2.2单晶硅多次隐形切割后侧壁形貌3、消融切割技术激光消融切割是范围非常广，大致可以分为表面蚀刻，半切割，全切割。顾名思义，表面蚀刻只去除材料表面的部分材料，半切割深度达到材料的一半或者更多。激光消融加工就是激光作用于材料上时，光子能量被材料吸收，部分光子打断分子链，部分光子转化为热能，然后在材料内部形成等离子云，材料被打断分子链后气化升华，然后吹气装置的配合使等离子云和残渣被去除，从而达到加工的目的。图3即为材料在激光作用下的不同状态：图3脉冲激光冲击材料全过程示意图激光与物质的相互作用，不仅与激光波长、功率密度、脉宽等激光参数有关，还与材料自身固有的物理特性、作用时间和作用环境条件密切有关。不同数量级的激光功率密度作用下材料表面发生的物理现象是不同的，当激光功率密度低于W/cm2时，激光能量被材料吸收，一般只能加热材料表面，而材料仍维持固相不变，这一阶段主要用于零件表面退火和相变硬化处理。随着激光功率密度的升高，数值在W/cm2与W/cm2之间时，材料吸收激光能量，在作用区域内材料表面温度升高达到熔点，材料开始熔化，其液相—固相分界面以一定速度向材料深处移动，这一阶段主要用于金属表面重熔、熔覆和焊接等。当激光功率密度大于W/cm2时，作用区域内材料出现汽化现象，而且在作用区域内堆积的熔融物质会继续吸收能量，使温度升高且高于材料表面气化温度，产生汽化压力，使熔融物喷出，形成凹坑，这一阶段主要用于激光切割、打孔等。当激光功率密度数值大于W/cm2时，由于激光作用时间很短，热量来不及传递，材料在作用区域内局部温度过高，生成汽化性爆炸，材料以完全汽化的方式去除，不会出现熔融现象，这一阶段适用于脉冲激光冲击强化、打孔等。激光与物质相互作用是从入射激光能量被物质所吸收开始的。激光与物质的相互作用过程遵循能量守恒法则，即：E=Er+Ea+Et式中E为入射的总的激光能量；Er为吸收的激光能量；Ea为反射激光能量；Et为透射激光能量；不同材料对激光的吸收情况是不同的。对于蓝宝石、玻璃等硬脆性非金属材料，加工过程由于热应力的影响，极易沿着加工路线产生裂纹或破碎。4、硅材料中激光焦点位置分析在隐形切割过程中，激光在硅材料内部汇聚，由于硅的折射率与空气又差异，激光从一种介质传输到另一种介质中，由于不同介质折射率的差异，激光会在材料内部发生折射，折射现象会带来激光焦点的偏移，也就是我们常说的激光焦点变化。激光入射的介质由于平整度较好，可以将材料近似为一个平行平板，在应用光学中，平行平板是一个无光焦度的元器件。采用Zemax建模分析可以很快得到焦点的分布状态。软件镜头数据编辑如下：图4镜头数据设置设置波长nm，得到如下的图5的分布:图5光路模拟图为了准确的找到激光焦点的实际位置，设置了不同厚度进行模拟，得出了焦点位置与Z轴运动位置的关系。有了这个理论基础，我们可以很快的找到最佳的激光参数，从而指导我们完成加工。当然，假如硅片有掺杂，结果会有一点差异，需要根据实际测试后分析。5、激光切割质量评价激光切割评价标准目前尚不能统一，但是不同的客户对于激光切割评价可以总结为对于切割效果和切割效率的综合取舍。最终目标是最快的切割效率实现最佳切割效果。一般来说，人们会根据自己产品的特性，对比现有的机械切割指标或者后道工序需求的指标，制定一套合适的标准。切割质量大致可以从切割精度，切缝宽度，切口形貌（火山口，挂渣，侧壁粗糙度，锥度），深宽比等来衡量。对于硅隐形切割来说，切割效果已经接近完美，因为切完后的产品切缝在1-3微米左右，切口锐利，直线度好，无热影响。因此，衡量隐形切割的切割质量，主要从切割侧壁的挂渣来评判。而对于消融切割，一般需求切割精度在1-5微米以内，切缝宽度大约在10-50微米之间，火山口不高于1-10微米。不同的厂家有着不同的标准，总体来说，如果需求精度和热影响区在20-50微米之间，采用纳秒激光器进行消融切割一般可以满足要求，而精度如果缩小到20微米以下，则需要采用皮秒、飞秒来实现了。对于切割速度，在保障效果的前提下，人们通常是追求越快越好，但是从加工参数来看，效率越快需要激光功率越大，频率越大，峰值功率也越大，过大的参数会带来更大的热影响以及较差切口，因此，效率的优化是需要兼顾切割效果的，需要实际情况具体分析。预览时标签不可点收录于合集#个上一篇下一篇
