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