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摘要：LED的相關電路元件的加工與制作都是在晶圓上完成的，隨著微電子技術的發展，對晶圓的切割技術要求越來越高，而在實際切割中，對晶圓的切割十分注重于晶圓的切割寬度，以降低晶圓損耗。研究355nm紫外激光切割設備的功率、頻率以及切割速度對晶圓切割寬度的影響，從而達到高效率、小寬度、高標準的激光切割加工。

關鍵詞：激光切割；脈沖頻率；LED晶圓 

1.引言

晶圓是指硅半導體集成電路制作所用的硅晶片，由于其形狀為圓形，故稱為晶圓，在硅晶片上可加工制作成各種電路元件結構，而成為有特定電性功能之IC產品。晶圓的原始材料是硅，而地殼表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅礦石經由電弧爐提煉，鹽酸氯化，并經蒸餾后，制成了高純度的多晶硅，其純度高達99.999%。

LED晶圓是LED的核心部分，LED 晶圓主要以藍寶石、碳化硅等脆硬材料作為襯底。事實上，LED的波長、亮度、正向電壓等主要光電參數基本上取決于晶圓材料。LED的相關電路元件的加工與制作都是在晶圓上完成的，這些脆硬材料的劃切分離始終是LED 產業發展的主要制約環節之一，所以晶圓技術與其加工設備是晶圓制造技術的關鍵所在。

晶圓切割的傳統方式是采用刀具切割，就是所謂的接觸式加工，接觸式加工，接觸式加工極易使邊緣破裂，交叉部分更為嚴重，導致成品率低，原材料的損耗大，有時還可能造成隱性裂紋從而影響電性參數。紫外激光切割設備加工式所謂的非接觸式加工，新型紫外激光器的出現，成功地解決了這個難題。紫外激光指波長為100~400nm 的激光，它有兩個非常好的特點：一是波長短，光子能量大；二是光束匯聚質量好。由于紫外激光波長短、能量集中，因此其加工半導體材料是直接破壞連接物質原子/分子的化學鍵，從而將物質分離成原子/分子的加工過程，選擇合適的激光參數，激光加工過程中幾乎不產生多余熱量。該特性使紫外激光器成為加工藍寶石等硬脆材料的理想工具。再加上紫外激光能被大多數材料有效吸收以及具有良好的聚焦性能，可在很小的空間區域內進行高精度微細加工，因此，紫外激光劃切技術是目前劃切以藍寶石、氮化鎵、碳化硅等硬脆材料為襯底的高亮度LED 晶圓的最有效方法之一，如（圖1）。

 圖1 紫外激光劃切藍寶石基LED

2.測試原理，技術指標及光路系統

激光經過聚焦后照射到材料上，使被切割材料溫度急速升高，然后使之熔化或汽化。隨著激光與被切割材料的相對運動，在切割材料上形成切縫從而達到切割的目的。這里我們采用的是355nm紫外激光切割設備，由于紫外激光光束波長短，能量高且最終到達加工平面的激光光斑較小，所以被廣泛的應用于精密加工行業。

該設備的主要技術指標如下表所示：

表1  設備主要技術指標

測試平臺的光路系統

3. 測試結果與分析

在做晶圓測試之前要保證激光光路的同軸性較為良好，這是激光切割的前提，也是最關鍵的條件之一，由于激光設備最終的出光質量會直接影響到測試結果。聚焦光斑理論上是越小越好，光斑越小激光能量越集中，同樣切縫的寬度也會越小，這樣可以提高加工精度，我們公司紫外激光設備聚焦光斑通常在2~3s（1s=10um）范圍內。在對藍寶石晶圓切割測試過程中，采用控制變量法，通過改變紫外激光器的脈沖重復頻率、振鏡掃描速度以及切割重復次數得到了多組微槽。使用三次元顯微鏡儀器檢測這些微槽，獲得了不同參數下切槽深度圖片。

3.1激光頻率對測試的影響

通常情況下，激光器的重復頻率選擇50kHz,激光器的輸出功率在10W以上，經過中間光學系統功率衰減微乎其微，最終自聚焦鏡出來的光功率也會達到10W左右。在測試過程中設定激光重復頻率為60kHz，振鏡掃描速度為100mm/s，經過多次改變激光重復頻率，同時保證振鏡掃描速度、切割重復次數及其他切割參數不變的情況下，可以得出在一定范圍內（50kHz~400kHz）隨著激光重復頻率的增加切槽的深度值會有相應的減小，即隨著激光功率的增加，切槽深度值會變大。

      圖3  不同激光重復頻率下晶圓的切槽情況

經過測量測試后的數據發現，當振鏡掃描速度為100mm/s 時，脈沖重復頻率由60kHz增加到100kHz，微槽深度減小了約0.54um，實驗中發現當重復頻率小于10 kHz時，切割時聲音尖銳刺耳，切割深度較淺，切縫較寬，隨著頻率的增加，切割時聲音變小，切割深度增加，切縫寬度也減小。當重復頻率達到50 kHz時，切割深度達到最大。頻率繼續上升時，切割深度再次減小。這是因為在其他參數不變的情況下，重復頻率越高，峰值功率越小，單脈沖與材料作用的時間越短，因此熱影響區越小，切縫寬度也就越小。當重復頻率較低時，雖然脈沖的峰值功率很高，但平均功率很低，所以造成了切縫較寬，切割深度卻不大的現象。隨著重復頻率的上升，脈沖峰值功率降低，但平均功率增加，在一個適當的范圍內，可以達到較小的切縫寬度和較大的切割深度。當重復頻率繼續上升時，雖然輸出的平均功率增加，但是脈沖的峰值功率下降到不足以使晶圓氣化，因此切割深度又變小。功率增大而振鏡掃描速度不變，意味著激光作用于材料的時間一定但是能量不同，能量越高則切槽的深度越大。

3.2  振鏡掃描速度對切割的影響

在激光頻率一定的情況下，我們經過多次改變振鏡掃描速度，觀察晶圓的切槽深度（圖4），經過測量得知，當脈沖重復頻率為60KHz 時，速度由100mm/s 增加到150mm/s，微槽深度減小了約0.32um；速度由150mm/s 增加到200mm/s，微槽深度減小了約0.28um。

圖4  從上至下依次是振鏡掃描速度逐漸增大的切割效果

當激光頻率及其他參數一定情況下，掃描速度增大意味著激光作用于晶圓上的時間減小，即作用在晶圓上的激光能量密度降低，故使得切割深度減小。

3.3  吸風、吹氣裝置對測試的影響

    在用設備為樣品做測試的過程中，吸風裝置的上吸風主要是吸收掉在晶圓測試過程中產生的粉塵碎渣，下吸風為使得樣品能夠和平臺緊密貼合做輔助，吸風裝置一來使得晶圓在加工過程中不易產生廢渣污染樣品，二來使得晶圓能夠很好地被固定在平臺上，從而提高測試精度。吹氣裝置主要作用是冷卻材料的表面溫度，要采用不與硅材料發生化學反應的氣體，該裝置使得材料在被加工過程中不易被燒灼、碳化，進而影響最終測試后的材料的外觀、尺寸。

4.  本文小結

通過工藝測試，初步研究了紫外激光在切割晶圓過程中，入射激光能量密度對切割質量的影響規律以及入射激光功率、激光脈沖重復頻率、振鏡掃描速度等參數對切割深度寬度的影響規律，并對測試結果進行了簡單的闡述分析，結合理論解釋了測試結果中出現的一些現象。

由于作者自身工藝經驗不足和其他客觀條件的限制，仍有許多工藝方面的問題需要進一步探索。就目前完成的工作來看，今后仍需在以下幾方面努力：

（1） 紫外激光與材料的相互作用以及材料對紫外激光的吸收情況等。

（2） 設計對比測試方案，研究材料表面粗糙度或者材料成分影響切割質量的規律。

 

參考文獻：

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[2] 燕來榮.LED照明：未來新光源.大眾用電，2007：19-20

[3] 宋威廉.激光加工技術的發展.激光與紫外，2006,36:755-758