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