范玉丰
天津环鑫科技发展有限公司 天津 300392
摘要：紫外激光加工是指激光束作用于物体表面，引起物体形状或性能改变的过程，它具有无接触、无切削力、热影响区域小、清洁环保等优点。经过聚焦的激光束具有很高的功率密度，可以瞬间使任何固体材料熔化或蒸发。激光束的空间和时间可控性好，对加工对象的形状、尺寸及加工环境的要求具有很大的自由度，能够实现多种激光加工工艺。
关键词：紫外激光；半导体芯片切割；优势
为了适应不断发展的大规模化生产，从产量和成本角度来看，传统的管芯分离技术也不再实用，紫外激光切割技术将成为具有巨大潜力的应用，他将成了这类应用的关键技术。
1 紫外激光加工特点
自20世纪激光器问世不久，激光加工技术就受到人们的重视。经过50多年的发展，已成为先进制造技术的重要组成部分。基于激光束单色性好、能量密度高、空间控制性和时间控制性好等优点，目前已广泛应用于材料加工等领域。其中紫外激光因波长短、材料吸收率高、热影响区小等特点，微加工时容易获得更高的加工精度和质量，已引起电子制造、通讯工程、生物医学、精密机械、航空航天和国防军事等领域工程技术人员的高度重视。近年来，紫外激光器的应用是工业激光市场增长最快的部分之一，尤其是高功率全固态紫外激光器，具有电光转换效率高、脉冲重复频率高、性能可靠、体积小型、光束质量好、平均功率和单脉冲激光能量稳定等特点，在电子工业精密制造和微细加工领域中占有重要的地位。红外或可见光波段激光束的加工机理是将光能转变为热能，使物质熔化或蒸发的方式来进行加工。这种方式不可避免地导致激光能量以热传导和热辐射方式向材料加工区域周围扩散，产生重熔层和热影响区，因而限制了微细加工边缘质量和精度。紫外激光由于光子能量高，在与高分子聚合物材料作用时，可将光能转变为光化学能直接破坏部分连接物质原子或分子组分的化学键，达到去除材料的目的。这种将物质分离成原子的过程是一个光化学作用的冷过程，对加工区域周边几乎无热损伤，可获得极高的加工质量和加工尺寸精度。该概念激光烧蚀的不仅如此，紫外光能被大多数材料有效吸收，从而可用来加工红外和可见激光难以加工的材料。
2 紫外激光在半导体芯片切割中优势
（1）传统的切割方法。在过去的二三十年里，砂轮切割是切割工艺的主流技术。在这种切割方式下，金刚石刀片以每分钟3万转到4万转的高转速切割晶圆的切割划道部分，其表面突起锋利的高硬度金刚石颗粒对切割部进行铲挖，同时载着晶圆的工作台以一定的速度沿刀片与晶圆接触点的切线方向呈直线运动，而切割晶圆产生的硅屑被去离子水冲走。近几年随着器件集成度的增加，芯片尺寸、切割道宽等相应地不断缩小。晶圆及芯片的厚度越来越薄，但由于半导体材料的脆性，传统切割方式会对晶圆的正面和背面产生机械应力，而高速的水流也会给晶圆带来形变压力，结果在芯片的晶体内部产生应力损伤，容易产生崩边现象，同时产生碎屑污染，降低芯片的机械强度，初始的芯片边缘裂隙在后续的封装工艺中或在产品的使用中会进一步扩散，从而可能引起芯片断裂，导致电性能失效。针对传统钻盲孔加工方式的不足提出了创新的定点－同心圆扫描结合加工方式，解决了直接采用同心圆扫描或螺旋线扫描钻盲孔加工方法中盲孔底部表面高度不均匀的问题。可利用直线电机平台实现无缝拼接，实现高效率大尺寸微细加工，适用于大幅面钻孔、微细结构三维成型以及超薄硬脆性基板材料的精密加工等。
（2）红外激光切割方法。
红外激光切割技术主要是通过待加工的材料吸收激光之后，利用聚焦到被加工部位的热量来熔化材料，使材料及表面的涂层被融解并蒸发，在被加工的材料产生一定深度(可调)的横断面，在此过程中会形成大的热效应区域，红外波段的激光一般能量较大，适合大功率切割的需要，但一些物质对该波段吸收不明显，存在局限性，此外，由于激光波长长，热效应明显，划缝有一定倾斜角，存在有部分熔融现象。
（3）先进的紫外激光切割技术。用紫外激光对晶圆进行精密切割是晶圆尤其是易碎的化合物半导体晶圆切割的替代工艺。紫外激光能对所有主族材料包括第Ⅳ主族材料如硅和锗的晶圆以及砷化镓晶圆进行工艺处理。无论是薄的还是厚的晶圆片，由于紫外光的波长在04μm 以下，并且聚焦点可小到亚微米数量级，使得紫外激光在芯片划切时，紫外激光工艺的切口(在切割时材料损失的部分)比其他技术的更窄，切口宽度均小于3μm，并且切口更紧密、切口边缘更平直、更精细和更光滑，芯片的机械强度也要高出很多。由于紫外激光具有良好的聚焦性能和冷处理的特性，使得紫外激光可以加工极其微小的部件；不仅如此，可以被用来加工红外和可见光激光器加工不了的材料。从而使紫外激光有更高的灵活性和更广的应用场合。紫外激光切割带来切割速度上的变革传统的机械切割切割速度由于受到电机，机械传动等的限制，一般速度在5～20mm／s之间，加工时根据材料以及进给深度等参数进行选择，而紫外激光切割由于光学特性决定，其切割速度必将得到极大的提高，其切割速度与切割材料厚度的关系。通过对比我们知道，紫外激光切割工艺的切割速度远远大于传统切割技术的速度，尤其在薄芯片切割时紫外激光切割速度更是传统切割速度的10倍以上，利用紫外激光切割，切割速度可达到150mm／s以上。如用传统机械切割速度一般为15 mm／s。单位面积的晶圆创造了更大的产能在市场需求驱动下，裸片尺寸越来越小，成本不断降低。切割槽宽度如何在晶圆上分裂出更多数量的裸片，给芯片切割工艺带来新的挑战。采用紫外激光切割工艺后，则完美地解决了这一问题，不仅切割槽宽度进一步降低到用于阻止表面裂纹发生的区域也可以省掉。这样整个晶圆因此而节省了很大的面积。尤其砷化镓晶圆这种成本较高的材料，其意义就更加明显。紫外激光带来更高的成品率传统的切割工艺不仅速度低，能造成裸片边缘的破碎，有时还可能因此而毁掉裸片。而越来越狭窄的切割槽要求，要求锯片有非常薄的厚度，而这又使得锯片很容易磨损，带来成本上的增加。随着紫外激光技术的不断进步和创新，短波长紫外激光具有极大的工艺灵活性，具有极好的光束质量和极高的重复率，可以调整脉冲形状、重复率、色谱、光束质量等等。谐波生成技术使更短波长的激光能够用于处理各种不同的材料，并具有精细工艺所要求的最小光束直径，激光的光束直径约对在355nm和266 nm波长处激光所进行的开发，使它们特别适合于晶圆切割应用。因为此种切割方法是在非接触、完全干燥的环境中进行，完全没有熔融质料，没有污染源，没有机械损伤，不仅提高了半导体芯片切割的产能，同时对芯片性能影响极小，容许晶圆的形变和弯曲，其切割速度远高于传统机械切割方法，其切口质量也优于红外激光切割工艺，带来成品率的提高。
由于紫外激光切割技术在半导体芯片切割中的优势，国外已经广泛采用这项工艺技术，特别是在一些高端的芯片和量产的芯片方面。目前来看紫外激光技术还有很大的待开发潜能，它将在单位晶圆裸片数量和缩短投资回收期方面有进一步的发展，它将为半导体芯片切割开拓出一片崭新的前景。
参考文献：
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[3]俞君, 曾智江, 朱三根等. 紫外激光在微细加工技术中的优势研究. 红外, 2018, 29(6): 9~13