• 導讀: 出于制造成本考慮，制造商需要生產功能更強大、但更小和更節能的設備，因此，激光技術在半導體以及微電子制造過程中的作用正在急劇增強
關鍵字
紫外激光器 激光器
• 作者：Larry Shi，Coherent公司 DPSS產品經理
出于制造成本考慮，制造商需要生產功能更強大、但更小和更節能的設備，因此，激光技術在半導體以及微電子制造過程中的作用正在急劇增強。與現有的智能手機相比，下一代產品需要具備更強大的處理能力和高質量顯示屏，而且這種趨勢日益顯著。零部件制造商已經逐漸轉向具備高分辨率、高能量以及低損傷加工特性的紫外（UV）和深紫外（DUV）激光器來實現智能手機的生產。
本文闡釋了激光器應用于智能手機制造的實例，并對因應未來需求而研發的新激光技術進行了綜述。
晶片切割
智能手機所需的小物理尺寸與高性能需要較薄的內存晶片（用于先進的封裝）以及組成低電介質的晶片，以改進功耗。這兩種晶片對傳統模具切割（采用鋸）方式提出了挑戰。特別是，低電介質具備高多孔性、柔軟性以及低粘附性，令傳統的鋸切割難以應對。目前， “半切割”的激光劃片已經成為用于切割低電介質最普遍的方法。
在這一過程中，激光器被用于切穿軟質外延層，從而使軟質外延層在模具上絕緣，并使其邊緣層相對清潔，沒有損壞。隨后硅片將被機械鋸切而無須擔心外延層與鋸片接觸。
對內存晶片而言，機械鋸切在工業中仍然居于主導地位；但是隨著晶片變薄，機械鋸切會產生裂縫或斷裂，由此必須較慢地進行，因而降低了產能。我們可以利用激光完全切穿晶片，以避免這些問題。對于100 m以下的晶片厚度，可以預期激光切割與鋸切之間的總成本相仿；對50 m以及更小晶片所做的激光加工，它將更具優勢。
當前，類似Coherent公司AVIA系列355-23-250這樣的半導體泵浦固體激光器，已經針對晶片劃片做了特殊的設計和優化，并且成為切割應用的首選設備。短波長帶來小的熱影響區域（HAZ），并且調Q激光器的短脈寬（數十納秒）意味著每個脈沖的熱能被減小到最低限度，并且可以在下一個脈沖到達之前通過傳導而消散。高重復頻率以及高功率降低了總擁有成本（COO），從而促使制造成本下降。
未來趨勢：采用更高精度切割可以帶來加工簡單化以及精度方面的益處。近來出現的工業用皮秒激光器成為了一種有效的解決方法。皮秒脈沖主要通過稱為多光子吸收的光學過程去除材料。這是一個相對冷（非熱）的過程，可以帶來比納秒激光器更優異的邊緣質量，從而提高成品率，并且有可能無須進行后續加工。Coherent公司的Talisker系列激光器在355 nm波長下提供了4 W的輸出，脈沖寬度為15 ps，這種全新的工業皮秒激光器已經通過實踐證明了其提供前所未有的超高精度、速度以及可靠性的能力。
激光直接成像
智能手機中，將更多電路安裝到更小空間的需求導致了越來越多地使用高密度互連（HDI）電路板，而激光直接成像（LDI）在生產這種電路板方面已成為一項關鍵的技術。在LDI中，鎖模的紫外激光器可將圖案直接成像到涂有光刻膠的面板上，完全排除了使用傳統的成像工具（即膠片）。LDI最明顯的好處是節省了與這些成像工具的生產、使用、處理以及存儲有關的時間和成本。LDI還提供了明顯優于傳統的接觸印刷制備方法的精度。
Coherent公司的Paladin系列激光器是專門為滿足LDI以及其他需要可靠、高功率紫外激光光源的應用而開發的。Paladin系列是鎖模的半導體泵浦三倍頻固體激光器，波長355 nm，輸出功率可以高達16 W。Paladin系列的全固態構造堅固耐用、具有高可靠性和長壽命，并且具備卓越的模式質量和極好的指向穩定性、功率穩定性以及噪聲特性。16 W的輸出功率可以在保持足夠的加工產能的同時，使用較廉價的干膜。
鉆孔
制造HDI電路板的另一個重要步驟是鉆微孔，這實現了電路板中的各不同層之間的電連接。與其他競爭技術相比，激光鉆孔提供了相當大的實用性和成本優勢，因此激光鉆孔已經成為微孔生產的首選方法。例如，隨著孔直徑越來越小，直至250 m以下，機械鉆孔變得越來越昂貴，而對于150 m以下的孔則幾乎無法勝任。
大多數用于智能手機電路板的微孔鉆孔是利用在100 W至500 W的功率范圍內的CO2激光器來完成。其中的一個典范是Coherent公司DIAMOND K - 225i，該激光器產生9.4 m的波長和高達225 W的功率。由于包括FR4、樹脂涂層鋁箔（RCC），聚酰亞胺、聚四氟乙烯以及芳綸在內的電介質材料在該波長處呈現了顯著高于常見的10.6 m的CO2輸出波長的吸收，使得9.4 m波長具有更高的價值。另外，Coherent公司DIAMOND K - 225i也證明了高光束質量對于在加工表面達到足夠小的聚焦光斑是必須的。
未來趨勢：半導體泵浦固體紫外激光器也用于鉆微孔。這些激光器的短波長和高光束質量可提供更小的聚焦尺度。相對于CO2激光器（能產生100 m大小范圍內的大多數微孔），小的焦點以及紫外固體激光器較低的平均功率（與CO2相比）使得紫外固體激光器處于不利地位。然而，隨著設備小型化的趨勢仍在繼續，以及對于較小的微孔的需求增加，這些激光器的應用將會擴大。表1提供了CO2激光器與紫外固體激光器在該應用方面的全面對比。
低溫多晶硅淬火
用于諸如iPhone等高端智能手機的顯示屏是基于多晶硅，而非大多數平板顯示器所采用的非晶硅。多晶硅具有明顯高于非晶硅的電子遷移率。因此，基于多晶硅技術的液晶顯示器（LCD）可以提供更高的分辨率和亮度、更寬的視角以及更高的像素刷新率。多晶硅的使用也令在面板上集成顯示器驅動電路成為可能，從而促進正在進行中的小型化工藝。#p#分頁標題#e#
基于準分子激光器的低溫多晶硅（LTPS）淬火是目前顯示器制造過程中加工多晶硅層的首選方法。這是因為它可以在溫度低至200℃時執行，而無需使用昂貴的石英或熱玻璃襯底。目前，使用最廣泛的LTPS技術被稱為準分子激光淬火（ELA）。
在ELA中，308 nm準分子激光器的矩形光束被光學勻化，并整形為一條細長的能量分布高度均勻的直線（典型的大約為465 mm×0.4 mm）。這條直線光斑被導引到硅涂層襯底上，然后進行掃描。
硅可以有效地吸收308 nm的波長，實現對每一個脈沖幾乎完全的利用。由于晶體在垂直方向上的生長，導致了在融合硅與剩余的未融合硅的界面處開始的高效結晶化過程。
ELA需要準分子激光器具有高脈沖能量（1J）、達到幾百赫茲的高重復頻率以及高能量穩定性。高脈沖能量使每個脈沖能作用在更大的面積上。而高重復頻率是實現預期產能所必需的。傳統的準分子激光器或提供高脈沖能量或提供高重復頻率，但兩者無法同時實現。Coherent公司為滿足ELA需求而提供了在重復頻率為300 Hz下提供1J脈沖能量的LAMBDA SX。
觸摸屏ITO刻蝕
在過去幾年中，觸摸屏的成本一直在穩步下降，智能手機的觸摸屏正變得越來越常見。例如，全球觸摸屏銷售額在2007年約為12億美元，預期在2012年將達到50億美元以上。目前，制造觸摸屏主要有三種技術：電阻、電容和表面聲波技術。電阻和電容技術通常用于中小型屏幕智能手機中。雖然電阻技術在市場居于主導地位，但是iPhone使用的電容技術允許多點觸摸同時檢測，這項技術受歡迎的程度可望在未來幾年中得以提升。
典型的觸摸屏面板包括頂部保護層、粘合層、被刻蝕的透明導電氧化物（一般是ITO）層以及玻璃襯底組成。一些制造商使用半導體泵浦固體紫外激光器，通過TCO層來刻劃一系列寬度約為25 m至50 m的線。在某些情況下，紫外DPSS激光器還用于去除TCO，以產生穿過裝置正面的更線性的響應。
與諸如光刻的傳統ITO刻蝕技術相比，紫外激光加工具有若干優勢。特別是，基于激光的加工提供了更高的產能，更高的加工靈活性以及達到較小尺度的能力避免了濕化學物質及其帶來的安全性和環境污染問題。
通常用于觸摸屏刻蝕的激光器是半導體泵浦紫外激光器，例如Coherent公司AVIA355-20在355 nm時輸出超過20 W。這種激光器不僅可以輕松地提供觸摸屏刻蝕所需的加工尺度，而且更重要的是，短波長不會深入襯底，這意味著在脆弱的薄玻璃或塑料襯底上的熱負荷會非常小。
結論
多種紫外激光器已經成為各類微電子生產應用中的重要工具，這是由于他們可以支持電路尺寸更小的趨勢，而且可以實現比其它技術（尤其是濕化學方法）更環保和更經濟的工藝。隨著個人電子設備的小型化和多功能趨勢的延續，我們預期更多需要激光的新應
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