超短脈沖的優(yōu)勢
利用超短脈沖切割晶圓的前提是激光的重復(fù)頻率和平均功率可以改變。飛秒光纖放大器可用于改變超短脈沖激光的平均功率。高光學(xué)增益和高斜率效率，確保了超短脈沖激光在單一路徑中保持著較高的平均功率，因而無需再生放大。低工作電壓的全光纖聲光調(diào)制器，可用于改變超短脈沖激光的重復(fù)頻率，并且能很容易地獲得數(shù)十兆赫茲的脈沖重復(fù)頻率。
美國IMRA公司在一個(gè)緊湊的封裝中，利用非線性脈沖壓縮實(shí)現(xiàn)了光纖啁啾脈沖放大（FCPA）。[5]以FCPA為基礎(chǔ)的飛秒激光器已經(jīng)非常成熟，其性能和可靠性均能滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。大纖芯光纖放大器通常輸出單一橫模，光束的傳播取決于光纖的波導(dǎo)特性，因此其對熱透鏡效應(yīng)并不敏感。盡管由于光纖的模場直徑通常小于30µm，致使光纖放大器的最大輸出脈沖能量受到非線性效應(yīng)的限制，但該技術(shù)依然能產(chǎn)生能量大于10μJ的脈沖，并且在一個(gè)沒有水冷的緊湊封裝結(jié)構(gòu)中，輸出功率超過10W。[6]
圖3是厚度為50µm的硅晶圓的斷裂壓力隨掃描速度的變化曲線圖，用于切割晶圓的超短脈沖的脈寬為700fs，能量為10μJ，重復(fù)頻率為500kHz，掃描次數(shù)正比于掃描速度，平均切割速度為6mm/s。試驗(yàn)表明，掃描速度最大時(shí)，晶圓的斷裂壓力也最大。當(dāng)掃描速度為4m/s時(shí)，斷裂壓力超過機(jī)械切割的斷裂壓力（780MPa）。當(dāng)掃描速度為400mm/s時(shí)，斷裂壓力降至500MPa以下，與UV納秒激光切割晶圓的斷裂壓力相當(dāng)。當(dāng)掃描速度降至80mm/s時(shí)，斷裂壓力降為253MPa。
圖3：厚度為50µm的硅晶圓的斷裂壓力隨掃描速度的變化曲線圖。用于切割晶圓的超短脈沖的脈寬為700fs，能量為10μJ，重復(fù)頻率為500kHz。斷裂壓力隨掃描速度的增加而增加。
掃描電子顯微鏡（SEM）圖片也顯示：當(dāng)掃描速度為4m/s時(shí)，晶圓的端面質(zhì)量明顯高于掃描速度為80mm/s時(shí)的端面質(zhì)量。此外，高速掃描時(shí)產(chǎn)生的消融碎片的數(shù)量將顯著減少，這也是高速掃描的一個(gè)重要優(yōu)勢。
使用超短脈沖切割晶圓具有與納秒激光一樣的熱效應(yīng)。眾所周知，自動點(diǎn)膠機(jī)當(dāng)高重復(fù)頻率的超短脈沖用于材料處理時(shí)，熱累積是一個(gè)非常嚴(yán)重的問題。[7]為了證明晶圓斷裂壓力和切割質(zhì)量的下降是由瞬時(shí)熱沉積造成的，研究人員采用一對時(shí)間間隔為25ns的超短脈沖進(jìn)行切割試驗(yàn)，脈沖的重復(fù)頻率為500kHz，能量為10μJ，掃描速度為4m/s。在雙脈沖切割情形下，斷裂壓力減小至390MPa，切割端面較為粗糙，并且產(chǎn)生了許多明顯的碎片（見圖4）。因此，使用超短激光脈沖切割晶圓時(shí)，必須在納秒時(shí)間內(nèi)對熱量沉積進(jìn)行有效控制，并且選擇合適的工藝參數(shù)，以避免為增加產(chǎn)量提高激光重復(fù)頻率所導(dǎo)致的熱累積效應(yīng)。
圖4：SEM圖片表明，當(dāng)采用“雙脈沖”以4m/s的掃描速度切割晶圓時(shí)，Reaxys端面質(zhì)量較差，同時(shí)碎片明顯增加。
研究表明：利用超短脈沖光纖激光器，在高速掃描和高脈沖重復(fù)頻率下切割晶圓，熱效應(yīng)顯著降低。這是光纖激光器的一個(gè)明顯優(yōu)勢，飛秒激光將在下一代微電子器件制造領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。
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