第5期 微细加工技术 N.5 2008年10月 MICROFABRICATION TECHNOLOGY Oct.,2008 文章编号:1003-8213(2008)05-0060-05 水射流导引激光在微细加工中的应用 蔡黎明,雷玉勇,邴龙健,唐令波 (西华大学机械工程与自动化学院特种加工研究所,成都610039) 摘要:研究应用水射流导引激光技术切割加工半导体材料工艺,并与传统切割工艺进行了比较。用25pm的水射 流和波长为1064nm的钇铝石榴石红外线激光源切割一个∮25μm的砷化镓晶片,典型的切割速度是40mm/s, 切口宽度23μm,切边无碎片和边角损坏。与锯片切割相比,其加工速度高达5倍。实验发现,水射流导引激光切 割工件温度在160℃以下,晶圆加工表面基本无碎片、毛刺产生。通过对晶圆切片的3点弯曲进行试验发现,对于 25μm厚的硅晶圆而言,在同等切痕宽度的情形下,微水射流导引激光切片断裂强度比锯片切片在正反两面都要 高50%左右。结果表明,水射流导引激光切割技术可以大幅提高晶圆加工的效率、质量和可靠性 关键词:水射流导引激光;激光微水射流;微细加工;切割;半导体 中图分类号:TN2 文献标识码:A 1引言 调焦镜头 随着微器件形状的多样化和新材料的大量采用,传统激 激光进行全反射 光加工技术的一些弊端也逐渐显露出来,一个典型的例子就 水腔 是砷化镓(GaAs)的加工,因此,急需开发新型徽细加工技术 8水射流 和方法 1993年,瑞土联邦科技研究所科学家在洛桑应用光学协 工件 会上宣告了水射流导引激光( water jet guided laser)技术(亦称 之为激光微射流( laser-microjet,LM)的诞生。最初,水射 流导引激光加工主要是用于减少切割区域附近的热效应,但 图1水射流导引激光示意图 事实上用水射流取代传统激光切割中的辅助气体束流还有很 影响水射流导引激光加工的关键之一是具有稳定的水射 多别的优点,特别是在微电子和半导体制造行业被证明是有流。由于喷嘴附近水流的缩水现象、压力和水流内部紊乱以 效且可靠的 及表面的不稳定性,使得对喷嘴直径、水压以及加工工件到喷 2水射流导引激光技术简介 嘴的距离(靶距)等参数有一定的要求。图2为射流流速与破 碎长度(射流发生破碎点到喷嘴出口之间的长度)之间的关 水射流导引激光技术利用蓝宝石或钻石喷嘴(直径系。由图可以看出,喷嘴直径越大,破碎长度的幅值就越高, 中30m,450Pm,虾5Hm,中100m,450m)在恒压(50Pa~但在微细加工中,为了保证切痕宽度,往往选用较小直径的喷 500Pa)状态下产生一束稳定水射流,同时将激光聚焦于喷嘴嘴(30μm~50ym)。在加工过程中,喷嘴到工件的实际加工 入口,通过窗口经水射流喷嘴被引入水束中,在水和空气的接距离要远小于破碎长度 触表面进行全反射,从而引导激光束作用于被加工工件(其原 激光在水射流中的损耗率和传输率是影响水射流导引激 理类似于光纤的传输),如图1所示。水射流能够引导不同波光加工的另一关键问题。为了减少激光在水束中传播的能量 长的激光,并消除了传统的激光加工必须要调焦的问题 衰减,流体介质一般使用脱气或二次过滤后的纯净水。这样 2.1水射流导引激光关键技术 做的好处不仅在于减少了水对激光部分能量的吸收,而且也 今水射流导引激光技术是水射流与激光技术的完美结合,使得激光束的传播距离缩短减小了传播过程中能量的损耗 此它的关键是水射流的产生和激光的选用与聚焦等 另一方面,由于水对不同波长激光的吸收率不同,因此对激光 收稿日期:2008-0109;修订日期:2008-07-01 基金项目:人事部留学人员科技活动项目择优资助项目(07202081);西华大学重点学科建设项目(SBZD0703-1) 乍者简介:蔡黎明(1982-),男浙江省湖州市人,硕土,主要研究方向为机电一体化技术
第 5期 2008年 1O月 微 细加 工技术 MICROFABRICATION TECHNOLOGY No．5 Oct．，2008 ’ l文章编号 ：1003．8213(2008)05．0060．05 水射流导 引激光在微 细加工 中的应用 蔡黎明，雷玉勇 ，邴龙健 ，唐令波 (西华大学 机械工程与自动化学院 特种加工研究所，成都 610039) 摘要 ：研究应用水射 流导引激光技术切割加工半导体材料5-．艺，并 与传统切割工 艺进 行 了比较 。用 25 m的水射 流和波长为 1064nm的钇 铝石榴石 红外线激光 源切割一 个 +125 m的砷化镓 晶片 ，典 型的切 割速度是 40mm／s， 切 口宽度 23 m，切 边无碎 片和边 角损坏。与锯片切割相比 ，其加 工速度 高达 5倍 。实验 发现 ，水射 流导 引激光切 割工件温度在 160℃以下，晶圆加工表面基本无碎片、毛刺产生。通过对晶圆切片的 3点弯曲进行试验发现，对于 125“m厚 的硅 晶圆而言，在 同等切痕 宽度 的情形 下，微 水射流导引激 光切 片断裂强度 比锯 片切 片在 正反 两面都要 高 50％左右。结果表 明，水射流导引激光切割技 术可以大幅提 高晶圆加工的效率、质量和可靠性。 关 键 词：水射流导引激光 ；激光微水射流；微细加工；切割；半导体 中图分类号 ：TN2 文献标识码 ：A 1 引言 随着微器件形状 的多样 化和新材料 的大量 采用 ，传 统激 光加工技术 的一些弊端也 逐渐显露 出来 ，一个典 型的例子就 是砷化镓 (GaAs)的加工 ，因此 ，急 需开 发新 型微 细加工 技术 和方法。 1993年 ，瑞士联邦科技研究 所科学家在洛 桑应用光学 协 会 上宣告 了水射流导引激 光(waterjetguidedlaser)技术 (亦称 之为激光微 射流 (1aser-microjet，LMJ)E1j的诞生 。最 初 ，水 射 流导引激光加工 主要 是用于减 少切割 区域 附近 的热 效应 ，但 事实上用水射流取代传统激光切割中的辅助气体束流还有很 多别的优点，特别是在微电子和半导体制造行业 ，被证明是有 效且可靠 的。 2 水射流导 引激光技术简介 水射 流 导 引 激 光 技 术 利 用 蓝 宝 石 或 钻 石 喷 嘴 (直 径 +30／zm，+5o m，+75肚m，+1ootLm，夺150／zm)在恒 压 (50Pa～ 500Pa)状态下产生一束稳定水射流 ，同时将激光 聚焦于喷 嘴 人 口，通过窗 口经水射流喷嘴被 引入水束 中，在水 和空气 的接 触表面进行全反射，从而引导激光束作用于被加工工件(其原 理类似于光纤 的传输 )，如 图 1所示 。水射流能够引导不 同波 长的激光，并消除了传统的激光加工必须要调焦的问题。 2．1 水射流导引激光关键 技术 水射流导引激光技术 是水射 流与激光技 术 的完美 结合 ， 因此它的关键是水射流的产生和激光的选用与聚焦等。 焦镜头 激光进行全反射 ／ 图 1 水射流导引激光示意图 影 响水射流导 引激光加工 的关键之一是具 有稳定 的水射 流。由于喷嘴附近水流的缩水现象 、压力和水流内部紊乱以 及表面的不稳定性 ，使得对 喷嘴直径 、水压 以及加工工件到喷 嘴的距 离(靶距 )等参数有一定的要求。图 2为射流流速与破 碎长度 (射流发 生破碎 点到 喷嘴 出 口之 间 的长度 )之 间 的关 系。由图可以看出，喷嘴直径越大，破碎长度的幅值就越高， 但在微细加工中 ，为 了保证切痕宽度 ，往往选用较小 直径 的喷 嘴 (30 m一50 m)。在加工过程 中，喷嘴到工件 的实际加工 距离要远小于破碎长度。 激光在水射流中的损耗率和传输率是影响水射流导引激 光加工 的另一关 键问题 。为 了减少激光在水束中传播 的能量 衰减，流体介质一般使用脱气或二次过滤后的纯净水。这样 做的好处不仅在于减少了水对激光部分能量的吸收，而且也 使得激光束的传播距离缩短，减小了传播过程中能量的损耗。 另一方面 ，由于水对不 同波长激光 的吸收率不同 ，因此对激光 收稿 日期 ：2008—01—09；修订 日期 ：2008—07—01 基金项目：人事部留学人员科技活动项 目择优资助项目(07202081)；西华大学重点学科建设项目(SBZD0703—1) 作者简介 ：蔡黎明 (1982一)，男 ，浙江省湖州市人 ，硕士 ，主要研究方 向为机 电一体化技术
第5期 蔡黎明等:水射流导引激光在微细加工中的应用 镓和硅材料为例,比较分析水射流导引激光加工的性能。 喷嘴直径 3.1水射流导引激光切割的效率 ld=200μm 对于GaAs晶圆加工方法一般有三种:金刚石锯片锯、划 II d=150 u m 线折断和水射流导引激光加工技术。由于砷化镓的特殊性 IVd=50μm 加工硅晶片的一些方法将是不利的。如表1所示金刚石锯片 切割GaAs芯片的宽度必须是比较大的,其切痕也要变宽,这 将会减少每个芯片上晶片的数量,由于机械约束的存在,芯片 边角会变得容易碎裂,从而导致芯片报废。一般为了得到所 射流速度/(m·s) 需的切割质量,锯的加工速度不得不降低在3mm/s 图2射流速度与破碎长度曲线图 12mm/s,由于晶片厚度的影响不得不考虑减慢整个加工过程 类型就需要进行选择。由图3可以看出,在窗口区域水对激表1比较三种加工方法加工caAs晶圆 光的吸收率较小,因此被使用的激光一般为红外激光,波长为 加工方法 切痕晶圆时间 切割形状加工问题 1064nm钇铝石榴石(Nd:YAG),激光波长532am绿光(双 倍颏Nd:YAG),和波长为355m紫外线激光(三倍频Nd:磨料锯片切割80m50min YAG)7。 尺寸限制 损坏边角 固态脉冲激光(Nd:YAG) 划线折断切割15pm30min直线至少损坏晶圆 透明窗体 激光微射流切割40m15mn意形状至少无碎片 05mm×0.5mm无损坏边角 532nm 用5m的水射流喷嘴和该激光源切割一个125μm的 砷化镓晶片,一种很典型的切割速度是40mm/s,这样导致的 0.20.30.5 口宽度是23pm。相对于划线折断切割的效率以及所带来 紫外光可见光红外光 的加工问题激光微射流有着毋庸置疑的优点 波长/μm 对于加工行业致力追求的高效率、低成本而言,激光微射 图3各波段光在纯水中的吸收 流在微细加工中凸显优越。特别是对于薄型工件来说,切割 速度与其厚度成反比,同时还可保证期望的切割质量。它在 考虑到砷化镓对激光的吸收率(图4),用水射流导引激薄晶片(小于100pm)的切割速度比锯片切割高出8倍以上 光切割砷化镓一般采用波长为1064m钇铝石榴石(Nd:对于厚晶片(厚度在100m~300pm)可以高达5倍以上 YAG)的红外线激光(平均功率40W)。事实上,水射流导引切割100m厚的晶片速度可以达到60mm/s,50pm厚的晶 激光适合切割加工任何能吸收这样波长的材料,如金属、半导片最高可以达到200mm/s,并且具有卓越的切割质量22。在 体和一些陶瓷材料等。 晶圆的切割流程中,传统的激光切割方式还需要进行3个额 外的操作步骤:表面保护的准备、切割后去除覆盖碎屑保护层 和处理微裂纹以及毛刺等步骤。由于水射流可以在切割过程 中在工件表面形成溥层水膜,最主要是消除了热影响区,有效 地减少了微裂纹和毛刺。因此水射流作为介质的激光切割不 10203n4050H03304050HOD 仅在切割过程确保了激光加工的加工效率,而且缩短了整个 波长/pm 加工周期,大幅度地提高了加工效率 图4砷化镓对光谱的吸收率 3.2水射流导引激光切割的表面质量 在高科技发展的今天,传统的加工方法也能具有较高的 3水射流导引激光加工的性能分析 加工效率和加工质量,前提是晶圆的厚度足够厚。然而,如今 的芯片越来越向紧凑型和灵活型发展,传统的切割方法由于 在微电子行业,向来是硅材料占主导地位,而且薄型晶圆在加工过程中会产生机械应力和加工热效应,造成晶圆的损 在市场的占有率越来越大,并呈现尺寸(<500pm)与厚度坏或者报废特别是微裂纹的产生。水射流导引激光技术基 (<100pm)向更细微型发展的趋势,然而被誉为“第三代半本消除了机械应力的产生(小于0.1N)4,大幅度地减少了热 导体材料的CaAs在复合型半导体IC占很大市场(由1999渗透效果(在GaAs试验过程中切割的最高温度不会超过 年的53%跃升到2004年的70%以上),因此优秀的加工方法160℃)3)加工结果显示,在晶圆的表面基本无碎片、毛刺 在GaAs材料切割领域同样具有很高的价值5,下面以砷化同时也解决了微裂纹的产生及其扩散现象,如图5所示6
第 5期 蔡 黎明等 ：水射 流导引激光在微细加工 中的应 用 61 誊loo 甏 () 】O0 300 500 射流速 度 ／(nl·s) 图 2 射流速度 与破碎 长度 曲线 图 类型就需要进行选 择 。由图 3可 以看 出 ，在 窗 1：3区域水 对激 光的吸收率较小 ，因此被使用的激光一般为红外激光，波长为 1064nm钇铝石榴 石 (Nd：YAG)，激光 波长 532nm绿 光 (双 倍频 Nd：YAG)，和波 长为 355nm紫外 线激 光 (三倍 频 Nd： YAG)[ 。 l()0 碍 o-叭 固态脉冲激光(Nd：YAGJ 透明窗体 ／、，' ． 335[1lll ／ 532… ／ 064 ． n m ． 【_茎! 丝!堂 波 长 ／u 图 3 各波段光在纯水 中的吸收率 考虑到砷化镓对激光的吸收率(图 4)，用水射流导引激 光切割砷化 镓一 般 采用 波 长 为 1064nm 钇 铝石 榴 石 (Nd： YAG)的红外线激光(平均功率 40w)。事实上 ，水射流导引 激光适合切割加工任何能 吸收这样 波长的材料 ，如金属 、半 导 体和一些陶瓷材料等。 掌、 褥 螫 + 斗一 一 jjI ～ j ! —— 斗}I 一一 ～ }_ 十 二 Ii{ 1^ 一 — l [ 7 {+ ’I _ L ～+～ f jJi i 一 J } {}I I ] ( 1) 2』1 3』)4《)5』) l0 2()3o4050 1 波长 ／uIl 图 4 砷化镓对光谱 的吸收率 3 水射流 导引激光加工 的性 能分析 在微电子行业 ，向来是硅材料占主导地位，而且薄型晶圆 在市场 的占有率 越 来 越 大 ，并 呈现 尺 寸 (<500 m)与厚 度 (<100 m)向更 细微型 发展 的趋 势 ，然 而被 誉 为 “第 三代 半 导体”材料的 GaAs在复合型半导体 Ic占很大市场(由 1999 年 的 53％跃升 到 2004年 的 70％以上)，因此优秀 的加工方 法 在 GaAs材料切割领域同样具有很高的价值l5J，下面以砷化 镓 和硅材料为例 ，比较分析水射流导引激光加工 的性能 。 3．1 水射流导 引激 光切割的效率 对 于 GaAs晶圆加工方法一般有 三种 ：金 刚石锯 片锯 、划 线折断 和水 射流导引激 光加工 技术 。由于砷化 镓的特 殊性 ， 加工硅 晶片的一些方法将是不利 的。如表 1所示金刚石锯 片 切割 GaAs芯片 的宽度必须是 比较大 的，其切痕 也要变 宽 ，这 将会减少每个芯片上晶片的数量，由于机械约束的存在，芯片 边角会变得容易碎裂 ，从 而导致 芯片 报废 。一般 为 了得 到所 需 的 切 割 质 量 ，锯 的 加 工 速 度 不 得 不 降 低 在 3mm／s～ 12mm／s，由于晶片厚度 的影 响不得不考虑减慢整个加工过程。 表 1 比较 三种加工方法加工 GaAs晶圆 用 5m的水 射流喷嘴和该 激光源 切割一 个 125／lm的 砷化镓晶片 ，一 种很 典型的切割速度是 40mm／s，这样导 致的 切口宽度是 23 m。相对于划线折断切割的效率以及所带来 的加工问题，激光微射流有着毋庸置疑的优点。 对于加工行业致力追求的高效率、低成本而言，激光微射 流在微 细加工 中凸显优 越 。特别是 对 于薄型工 件来说 ，切 割 速度 与其厚度 成反 比，同时还 可保 证期望 的切割质 量 。它在 薄晶片(小于 100 m)的切割速度比锯片切割高出 8倍以上。 对于厚 晶片(厚 度在 100 m 一300 m)可 以高达 5倍 以上。 切割 100 m厚 的晶片速度可 以达到 60mm／s，50／tm厚 的晶 片最高可 以达 到 200mm／s，并且具有卓越 的切 割质 量l2J。在 晶圆 的切 割流程 中 ，传统 的激光切 割方式还 需要进行 3个额 外的操作步骤 ：表面保护的准备 、切割后去除覆盖碎屑保护层 和处理微裂纹 以及 毛刺 等步骤 。由于水射 流可以在切割过程 中在工件表面形成薄层水膜 ，最主要是消除了热影响区，有效 地减 少了微裂纹和毛刺 。因此水射流作 为介质 的激 光切割不 仅在 切割过程确保 了激 光加工 的加工 效率 ，而且缩 短 了整个 加 工周期 ，大 幅度 地提高了加工效率 。 3．2 水射流导 引激 光切割的表面质量 在高科技 发展的今天 ，传统 的加工 方法 也能具有 较高 的 加工效率和加工质量，前提是晶圆的厚度足够厚。然而，如今 的芯 片越来越 向紧凑型 和灵活 型发展 ，传统 的切割 方法 由于 在加工过程 中会产 生机械应 力 和加工热 效应 ，造成 晶圆 的损 坏或者报废 ，特别是微裂纹的产生。水射流导引激光技术基 本消 除了机械应力 的产生(小 于 0．1N)_4J，大幅度地减少 了热 渗透效果 (在 GaAs试验 过程 中切 割 的最 高 温 度 不 会超 过 160℃ )l。加工结果 显示 ，在 晶圆 的表 面基 本无 碎 片、毛刺 ， 同时也解决了微裂纹的产生及其扩散现象，如图 5所示 J
62 微细加工技术 2008年 速度为18mm/s的锯片切割 放大了50倍的效果 a磨料水射流切割(有毛刺、很大的切痕、裂缝) h激光微射流在15mm/的速度下的切痕 放大400倍的效果晶圆在切割后没有清洗) b传统激光切割(熔化、有热破坏) c干激光切割表面质量 图5厚度为178μm晶圆的顶端面切割比较 通常在薄型晶圆的微细加工领域中,以圆边标准晶圆为 基础,致使普通的加工方法受限。由于水射流技术和激光切 割技术无机械约束,可以切割任意形状的微型加工材料,使得 c激光微射流切割(边缘没有破坏、完美切割) 其在晶圆加工中成为首选。普通的磨料水射流由于磨料的硬 度、尺寸的不规则会使晶圆表面产生碎片、毛刺及裂纹,同时掺 图6高压水射流和传统的激光加工结果的比较 入磨料的高压水束内部的紊乱及磨料的不规则运动使得水束表2可以知,在具有同等切痕宽度的情形下,微水射流导引激 作用于加工表面的直径尺寸较喷嘴的尺寸大得多(如图6)。光切片断裂所需的力比磨料锯片切片在正反两面都要高 3.3水射流导引激光切割的强度 50%左右。 实际上对工件进行加工后一般都会或多或少的损害工件 如图8所示,从关系断裂概率的韦伯分布实验显示的韦 的内部属性,对于微细加工而言,保障材料的断裂强度就显得伯强度结果来看,激光微射流技术可以达到810MPa,而锯片 比较重要,特别是对于薄片晶圆的加工。提高材料的断裂强切割(研磨前)只有530MPa左右。结果同样证实了之前的 度能够更好的保障后续的加工以及器件的使用寿命。 结论 为了研究微水射流导引激光切割对晶圆强度的影响,分 表2磨料锯片和激光微射流切片断裂强度对比 别对微水射流导引激光和锯片切割(研磨前、研磨后)进行了 断裂强度(平均作用力/N 独立的对比实验(因干激光切割具有较低的断裂强度而未对加工技术加工速度切痕宽度 面 比)“。测试样本均为同一批125m厚的硅品圆,实验将品磨料锯片切割25m45m 圆切成10mmxl0mm的小片,然后进行3点弯曲实验,测试 硅微片断裂所需的力,如图7所示。测试结果如表2所示,由 激光徵射流50mm/s46m
62 微 细 加 工 技 术 2008 a速度为 1．8mm／s的锯片切割 放 大 了5O倍 的效 果 b激 光微射流在 15mm／s的速度下的切痕 放大4O0倍的效果(晶圆在切割后没有清洗j C 干 激 光 切割 表 面 质 量 图 5 厚度为 178p．m晶圆的顶端 面切 割比较 通 常在薄型 晶圆的微 细加工领域 中，以圆边标准 晶 圆为 基础，致使普通的加工方法受限。由于水射流技术和激光切 割技术无机械约束 ，可以切割任意形状的微型加工材料，使得 其在晶圆加工中成为首选 。普通的磨料水射流由于磨料 的硬 度 、尺寸 的不规则会使晶圆表面产生碎片 、毛刺及裂纹 ，同时掺 入磨料的高压水束内部的紊乱及磨料的不规则运动使得水束 作用于加工表面的直径尺寸较喷嘴的尺寸大得多(如图 6)。 3．3 水射流导引激光切割的强度 实际上对工件进行加工后一般都会或多或少的损害工件 的内部属性 ，对于微细加工而言 ，保 障材料 的断裂强度就显得 比较重要，特别是对于薄片晶圆的加工。提高材料的断裂强 度能够更好的保障后续的加工以及器件的使用寿命。 为了研究微水射流导引激 光切割对 晶 圆强度 的影 响，分 别对微水射流导引激光和锯片切割(研磨前 、研磨后)进行了 独立 的对 比实验 (因干 激光切割 具有较低 的断裂强度 而未对 比) J。测试样本均为同一批 125p．m厚 的硅 晶圆 ，实验将 晶 圆切成 10mmX10mm的小 片 ，然后进行 3点弯 曲实验 ，测试 硅 微 片断裂所 需 的力 ，如图7所示 。测 试结果 如表 2所示 ，由 } ——■— ：mm mm ． 。 a磨料水射流切割 (有毛刺、很大的切痕、裂缝) b传统激光切割 (熔化、有热破坏) c激光徼射流切割 (边缘没有破坏、完美切割) 图 6 高压水射流和传统的激光加工结果 的比较 表 2可 以知 ，在具有 同等切痕宽度 的情形下 ，微水射流导引激 光切片 断裂 所 需 的 力 比磨 料 锯 片 切 片在 正 反 两 面都 要 高 50％左右 。 如图 8所示，从关系断裂概率的韦伯分布实验显示的韦 伯强度结果来看 ，激光微射流技术可以达到 810MPa，而锯片 切割(研磨前)只有 530MPa左右。结果同样证实了之前的 结论。 表 2 磨料锯片和激光微射 流切 片断裂强度对 比 旱 一
第5期 蔡黎明等:水射流导引激光在微细加工中的应用 的,在300Pa压力下每一小时只用去1L水。当然磨料水射 流对于磨料的使用就不会像水那样轻松了。对于传统的加工 方式,在切割硅晶圆的试验中表明磨料锯片的成本为 20.38欧元/h7,是激光微射流1.18欧元/h的两倍。 因此水射流导引激光技术在微细加工中不仅保证了加工 质量,大大降低了废品率,而且在技术应用和设备维护上也明 显的价低了成本。较传统的加工方式有着不可比拟的优 越性。 图7徵晶片断裂强度试验 4结论 信任区间 目前在晶圆切片,半导体材料以及电子元件封装材料的 加工,主要依赖于金刚石锯片切割。许多器件需要曲线切槽 但剧片加工只能进行线形切槽。另一方面,在微小器件的加 工时,由于切口的反作用力,会引起塑性变形,从而引起切边 质量和几何形状精度的降低。再者,由于加工件微小,因此 工件夹持方法变的异常困难。因工件微小,靠真空吸附夹持 激光微射流研磨前加工研磨后加工 工件对锯片加工来说已经不现实了。水射流导引激光加工方 (DAG) 法对薄晶圆(50μm-~75Hm)加工有着明显优势。它不仅适 8激光微射流与磨料锯片加工的韦伯强度特性(正面)用于半导体(如砷化镓)加工,也用于各种微加工工艺,具有良 同样在对于薄片晶圆的刻蚀加工后进行的3点挠度测试好的应用前景。 实验后发现经激光微射流加工后的材料断裂强度要比磨料锯 片高出1.3倍多。 参考文献: 由三组独立的对比实验可以得出一致的结论水射流导[1] Sibailly O, Wagner F, Richerzhagen B. Laser micro 引激光切割可以大幅提高微器件的断裂强度。 machining in microelectro 3.4激光微射流的损耗及成本 laser[J].SPIE,2004,5339:258-264 水射流导引激光技术实现了无机械接触式的加工方式,2 Ogawa P, Perrottet D, Wagner F,ctal. Chipping-free 避免了刀具的磨损和更换,很大程度上节省了成本,同时提高 dicing of Ill/V semiconductor materials with the water jet 了加工装置使用周期。对于价格昂贵且唯一有损耗可能的喷 guidedlaser[Eb/oL].http://www.synova 嘴而言,由于使用透视联合装置,使得光和喷嘴组合位置被控 2004 LPM GaAs.pdf,2004-06-09 制在低光照强度,减少了在喷嘴敏感边缘的光照强度。并且[3] Dushkina N, Richerzhagen B. Dicing of GaAs wafers with 使用低压纯水作为引导介质不但时时降低了喷嘴温度,而且 SynovaLaserMicrojet[Eb/oL].htTp://www.synova.ch 对喷嘴无任何损害。如果高的光照强度打在喷嘴的边缘它将 pdf/2002. lcaleo Dicing GaAs. pdf, 2002-06-09 被损坏因此对于传统的纯激光加工而言是很不利的。同样[4] Liang W M. Thin Wafer Dicing Issues and New Techno- 对于无刀具接触的磨料水射流来讲,由于高压水和硬质磨料 logy Cost of Ownership[ J]. Future Fab Internationa 的影响,喷嘴的损耗速度显得更快,有的每十或二十分钟就需 2005,(19):146-153 要更换(图9)。对于如头发丝细的脱气水消耗量是微乎其微5]工研院资金中心, Electronic Trend Publication砷化镓 之市场占有率[R].TS计划整理,2004 [6] Dushkina N M, Richerzhagen B. Dicing of gallium an ide(GaAs)wafers with the laser microJet[ J].Technical [7] Mai T A, Richerzhagen B. Laser- microject dicing of thin compound wafers and low-k wafers [J].Future Fab 100μm Delphine, Buchilly J M, Richerzhaoen B. Wa 测试前喷嘴图像 b測试后喷嘴磨损图像 jet-guided laser achieves highest die fracture strength[J] 图9磨料水射流喷嘴在磨损试验中的电子显微图 Future Fab International, 2005,(18): 323-328
第 5期 蔡黎明等：水射流导引激光在微细加工中的应用 63 目 ＼ 啦 骥 雹 舴 O 图 7 微 晶片断裂强度试验 激 光微射流 研磨前加工 研 磨后加工 (fMJ) (DBG) (DAG) 图 8 激光微射流与磨料锯片加工的韦伯强度特性(正面) 同样在对 于薄片晶圆的刻蚀 加工后进行 的 3点挠度测 试 实验后发现经激光微射 流加 工后的材料断裂强度要 比磨料 锯 片高 出 I．3倍多 。 由三组独立 的对 比实验 可以得 出一致 的结论 ：水 射流 导 引激光切割可 以大 幅提 高微 器件的断裂强度 。 3．4 激光微 射流的损耗及成本 水射流导引激光技术实现了无机械接触式的加工方式， 避免了刀具的磨损和更换 ，很大程度上节省了成本 ，同时提高 了加工装置使用周期 。对于价格 昂贵且唯一有损耗可能 的喷 嘴而言 ，由于使用透视联合装 置 ，使得 光和喷嘴组合位置被控 制在低光照强度 ，减 少 了在 喷 嘴敏感边缘 的光 照强 度。并且 使用 低压 纯水作为引导 介质不 但时 时降低 了喷 嘴温度 ，而且 对喷嘴无任何损害。如果高的光照强度打在喷嘴的边缘它将 被损 坏 ，因此对于传 统的纯 激光加 工而 言是很 不利 的。同样 对于无刀具接触的磨料水射流来讲，由于高压水和硬质磨料 的影 响 ，喷嘴的损耗速度显得更快 ，有 的每 十或二十分钟就需 要 更换 (图9)。对于如头发丝细的脱气水消耗量是微乎其微 1O0 u I“ a测试 前喷嘴图像 b测 试后喷嘴磨损 图像 图 9 磨料水射流喷嘴在磨损试验中的电子显微图 的，在 300Pa压力下每一小时只用去 1L水。当然磨料水射 流对于磨料的使用就不会像水那样轻松了。对于传统的加工 方式，在 切 割硅 晶 圆的 试验 中表 明磨 料锯 片 的成 本 为 20．38欧元／h[ ，是激光 微射 流 11．18欧元 ／h的两倍 。 因此水 射流导引激光技术在微细加工 中不仅保证 了加工 质量 ，大大降低了废品率 ，而且在技术应用和设备维护上也明 显的价低 了成本。较传统 的加工方式有着不 可比拟 的优 越性 。 4 结 论 目前在 晶圆切片 ，半导 体材料 以及 电子元件封装 材料 的 加工，主要依赖于金刚石锯片切割。许多器件需要曲线切槽 ， 但剧片加工只能进行线形切槽。另一方面，在微小器件的加 工 时 ，由于切 口的反作 用力 ，会 引起塑性 变形 ，从 而引起切 边 质 量和几何 形状精度 的降低 。再 者 ，由于加 工件微 小 ，因此 ， 工件夹 持方 法变的异 常 困难 。因工件微 小 ，靠 真空 吸附夹 持 工件对 锯片加工来说 已经不现实 了。水射流导 引激光加工 方 法对薄 晶圆(50,um～75p．m)加 工有 着 明显优 势。它不 仅适 用于半导体(如砷化镓)加工，也用于各种微加工工艺，具有 良 好 的应用前 景。 参考 文献 ： [1] SibaillyO，WagnerF，RicherzhagenB．Lasermicro— machininginmicroelectronicindustrybywaterjetguided laser[J]．SPIE，2004，5339：258—264． [2J OgawaP，PerrottetD，WagnerF，eta1．Chipping-free dicingofIII／Vsemiconductormaterialswiththewaterjet guided laser[EB／OL] ．http：／／www．synova．ch／pdf／ 2004．LPM．GaAs．pdf，2004—06—09． [3] DushkinaN，RicherzhagenB．DicingofGaAswaferswith SynovaLaserMicrojet[EB／OL]．http：／／www．synova．ch／ pdf／2002．Icaleo_ Dicing_GaAs．0df，2002—06—09． [4] LiangW M．ThinWaferDicingIssuesandNew Teehno— logyCostofOwnership[JJ．FutureFabInternational， 2005，(19)：146—153． [5] 工研院资金中心 ．ElectronicTrendPublication砷化镓 之市场 占有率 [R]．ITIS计划整理 ，2004． [6] DushkinaN M，RicherzhagenB．Dicingofgalium arsen— ide(GaAs)wa~rswiththelasermicroJet[J]．Technical PapersofISA，2003，438：175— 183． [7] MaiTA，RicherzhagenB．Laser-microjectdicingofthin compoundwa~rsand low一 wafers[J]．Future Fab International，2005，(19)：189—195． [8] PerrottetDelphine，BuehillyJM，RicherzhaoenB．Waterjet—guidedlaserachieveshighestdiefracturestrength[JJFutureFabInternational，2005，(18)：323—328． 1|_ 一—I I
微细加工技术 Application of Water- jet-guided Laser Technology in Micro-machining School of Mechanical Engineering Automation, Xihua University, Chengdu 610039, China) Abstract: Micro-machining of semiconductor based on water-jet-guided laser technology was studied and compared with conventional cutting process. When cutting 125 um GaAs, on the condition of $25 um water jet and ND-YAG laser with 1 064 nm wave length, the 323 times more than that of diamond sawing. Experiment indicates that the temperature of work piece is under 160C. No debris an burrs was found on the cutting surface of wafers. The experiment of 3-point bend also shows that at the same cutting width, the breakage strength for 125 um thick silicon wafer is more than 50%at both sides. The results show that micro-machining of semiconductor using water jet guided laser can greatly increase the product efficiency, improve surface quality and reliability of micro- apparatus. Therefore it has good market value and high benefit in the industries of semiconductor, microelectronics, wireless communication and other fields Key words: water-jet-guided laser: laser micro-jet; micro-machiningi dicing; semiconductor (上接第59页) e,2003,163:242-255 hen P Boyd,etal. Simple accurate expressions for planar[7]吴英,江永清周兆英,等.MRI微型RF接收线圈的设 EEE Journal of Solid-state 计与制作[].半导体光电,2006,27(5):556-559 Circuits,1999,34(10):1419-1424. [8] Sorli B, Chateaux J F, Pitaval M,et al. Micro-spectrometer 16] Massin C, Vincent F, Homsy A, et al. Planar microcoil- for NMR: analysis of small quantities in vitro[J]. Meas Sci based microfluidic NMR probes[J] Journal of Magneti Technol,2004,15:877-880 High-Q NMR Planar Microcoil Based on MEMS LI Xiao-nan,, WANG Ming, YANG Wen-hui, WANG Li, SoN( (1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, Chin 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China; 3. Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China) Abstract: For increasing the Signal-to-Noise Ratio of Nuclear Magnetic Resonance experiment, detection for samples with nano-liter quantity and integration with microfluidic, the fabrication of planar microcoils with high Q value is presented. Based on the results of calculation for the simulation of SNR, several kinds of geometries of circular or square microcoils were fabricated on glass substrates using photolithography with SU-8 and DC copper electroplating. With the home-developed electroplating technology the growing speed of copper layer is 1.2 um/ min approximately. The geometries for the microcoils fabricated successfully are inner radius 200 um 000 um, width separation 20 pm-80 um, number of turns 1-9, wire thickness 12 um. Using agilent 4294 Impedance Anal the measured RF parameters for No 1000-1 Microcoil under 85 MHz/2 Tesla is RAC=7. 25 n, L= 285 nH, Q= 21. The trend of Q the Q value reaches maximum at 85 MHz In electroplating scheme, this process of fabrication is simple and only one step of electroplating is needed. As a result the parasitic capacitance of shorted leaders of microcoil is decreased remarkable while increasing Q value. More important, compared with solenoid, in micron level the fabrication of planar microcoil is more compatible with MEMS. This work is an important step towards the integration of Nmr detection into micro-total analysis systems (uTAs) Key words: NMR planar microcoil; signal-to-noise radio; MEMS; copper electroplating
微 细 加 工 技 术 2008伍 ApplicationofWater-jet-guidedLaserTechnologyinMicro-machining CAILi—ming，LEIYu—yong，BINGLong—jian，TANGLing—bo (SchoolofMechanicalEngineering& Automation，XihuaUniversity，Chengdu610039，China) Abstract：Micro—machiningofsemiconductorbasedonwater-jet—guidedlasertechnologywas studiedandcomparedwithconventional cuttingprocess．Whencutting,~125 mGaAs，ontheconditionofq,25 m waterjetandND·YAGlaserwith1064nmwavelength，the typicalcuttingspeedis40 mm／sandthecuttingwidth is23“m．No damage to thecuttingedge wasfound．Thecuttingspeed is5 timesmorethanthatofdiamond sawing．Experimentindicatesthatthetemperatureofwork pieceisunder 160 oC ．Nodebrisand burrswasfound on the cutting surface ofwafers． The experimentof3-pointbend also shows thatatthesame cutting width，the breakagestrength for 125 ／zm thick silicon waferis more than 50％ atboth sides． The resuhs show thatmicro—machining of semiconductorusingwaterjetguidedlasercangreatlyincreasetheproductefficiency，improvesurfacequalityandreliabilityofmicro— apparatu~ Therefore it has good market value and high benefit in the industries of semiconductor，mieroelec tronics，wireless communicationandotherfields． Keywords：water-jet--guidedlaser；lasermicro-jet；micro--machining；dicing；semiconductor (上接第 59页) hen P Boyd，eta1 ．Simpleaccurateexpressionsforplanar spiralinductances[J]． IEEE Journal of Solid—state Circuits，1999，34(10)：1419—1424． [6] MassinC，VincentF，HomsyA，eta1．PlanarmicrocoilbasedmicrofluidicNMR probeslJJ．Journal ofMagnetic [7] [8] Resonance，2003，l63：242—255． 吴英，江永清 ，周兆英 ，等 ．MRI微型 RF接收线圈的设 计与制作[J]．半导体光电，2006，27(5)：556—559． SorliB，ChateauxJF，Pitaval M ，eta1 ．Micro—spectrometer forNMR：analysisofsmallquantitiesinvitrolJj．MeasSci Technol，2004，15：877—880． High-Q NMRPlanarMicrocoilBasedonMEMS LIXiao—nan ，W ANG Ming ，YANG W en—hui，W ANG Li，SONG Tao (1．InstituteofElectricalEngineering，ChineseAcademyofSciences，Bering100190，China； 2．GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100039，China； 3．InstituteofElectronics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190，China) Abs tract：Forincreasing the Signal—to—Noise RatioofNuclear Magnetic Resonanceexperiment，detection forsamples with nano—liter quantityandintegrationwithmicrofluidic，thefabricationofplanarmicrocoilswithhighQ valueispresented．Basedontheresultsof calculationforthesimulation ofSNR，severalkindsofgeometriesofcircularorsquare microcoilswerefabricated on glasssubstrates usingphotolith。g phy with SU一8andDC copperelectroplating．W iththehome—developedelectroplatingtechnology，thegrowingspeed ofcopperlayeris 1．2 ktm／min approximately．The geometriesforthe microcoilsfabricated suceessfugy are innerradius200 um ～ 1000 m，width & separation20gm 一80gm ，numberofturns1—9，wirethickness12 m ．UsingAgilent4294 ImpedanceAnalyzer， themeasuredRFparametersforNo．1000一lMicroeoilunder85MHz／2TeslaisRAC=7．25Q，L=285nH．Q：21．ThetrendofQ— frequencycurvemeasurediscompliancewiththatoftheresultsofsimulation，i．e．theQvaluereachesmaximumat85MHz．Compared with the measurementsin other public literatures，the performances given in this paper are competitive． Unlike the double—layer electroplatingscheme，this processof fabrication issimple and only one step of electroplating isneeded． Asa resultthe parasitic capacitanceofshortedleadersofmicrocoilisdecreasedremarkablewhileincreasingQvalue．Moreimportant，comp．aredwithsolenoid，in micronlevelthefabrication ofplanarmicrocoilismorecompatiblewith MEMS． Thisworkisan importantsteDtowardstheintegration ofNMRdetectionintomicro—totalanalysissystems(tzTAS)． Keywords：NMR planarmicrocoil；signal-to··noiseradio； MEM S；copperelectroplating