半導(dǎo)體制造業(yè)發(fā)展迅速，"綠色"技術(shù)無疑具有光明的未來，這就要求有新的激光加工工藝與技術(shù)來獲得更高的生產(chǎn)品質(zhì)、成品率和產(chǎn)量。除了激光系統(tǒng)的不斷發(fā)展，新的加工技術(shù)和應(yīng)用、光束傳輸與光學(xué)系統(tǒng)的改進(jìn)、激光光束與材料之間相互作用的新研究，都是保持綠色技術(shù)革新繼續(xù)前進(jìn)所必須的。下文圍繞紫外DPSS激光器、準(zhǔn)分子激光器、光纖激光器在半導(dǎo)體行業(yè)中的加工應(yīng)用，展開論述。
紫外DPSS激光器在LED晶圓劃片中的應(yīng)用
DPSS是全固態(tài)半導(dǎo)體激光器的簡(jiǎn)稱。窄脈寬、短波長(zhǎng)紫外二極管泵浦固體激光器（DPSS）的最新進(jìn)展促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展。過去，DPSS激光器比較適用于科研而不適于工業(yè)生產(chǎn)。隨著DPSS激光器的進(jìn)展，現(xiàn)已開辟出很多可能的應(yīng)用，包括紅外、脈沖連續(xù)波以及Q開關(guān)產(chǎn)生具有多脈沖寬度的脈沖光波。與其他種類的激光器相比，DPSS激光器在調(diào)控脈沖形狀、重復(fù)頻率和光束質(zhì)量等方面具有較大的靈活性，其生成的諧波允許用戶獲得適于多種材料加工的較短波長(zhǎng)的光束。激光器的選擇不僅與應(yīng)用有關(guān)，而且與激光束的特性直接相關(guān)。例如，用于大面積圖形加工的準(zhǔn)分子激光器能發(fā)出具有較低脈沖重復(fù)頻率（一般低于1kHz）的較粗光束。準(zhǔn)分子能產(chǎn)生具有中等脈沖重復(fù)頻率的高脈沖能量的激光束。目前所使用的基于Nd∶YVO4的DPSS激光器能產(chǎn)生大約1?滋m波長(zhǎng)的紅外光束，利用諧波振蕩器進(jìn)行二倍頻（輸出綠光）、三倍頻（輸出近紫外光）或者四倍頻（輸出深紫外光）。
355nm與266nm多倍頻DPSS激光器在紫外波段可以輸出數(shù)瓦的功率、kHz量級(jí)高重復(fù)頻率、高脈沖能量的激光，短脈沖的光束經(jīng)過聚焦后可以產(chǎn)生極高的功率密度，在晶圓劃片中可以使材料迅速氣化。在通常的激光劃片過程中，采用了一種遠(yuǎn)場(chǎng)成像的簡(jiǎn)易技術(shù)將光束聚焦到一個(gè)小點(diǎn)，然后移到晶片材料上。不同的材料由于吸收光的特性不一樣，因此需要的光強(qiáng)也不一樣，但是這種遠(yuǎn)場(chǎng)成像的聚焦光斑在調(diào)節(jié)優(yōu)化光強(qiáng)時(shí)不夠靈活，光強(qiáng)過強(qiáng)或過弱都會(huì)影響激光劃片效果。而且通常的激光劃片局限于獲得最小的聚焦光斑，后者決定了劃片的分辨率。
圖1、氮化鎵-藍(lán)寶石晶圓激光劃片的切口寬度為2.5微米。
要達(dá)到理想的加工效果，優(yōu)化激光光強(qiáng)就很重要了，因此需要一種新的激光劃片方法來克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。美國(guó)JPSA公司的技術(shù)人員開發(fā)了一種有效的光束整形與傳遞的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以獲得很狹窄的2.5微米切口寬度，可以在保證最小聚焦光斑的同時(shí)調(diào)節(jié)優(yōu)化激光強(qiáng)度，大大提高了半導(dǎo)體晶圓劃片的速度，同時(shí)降低了對(duì)材料過度加熱與附帶損傷的程度。這種新的激光加工工藝與技術(shù)可以獲得更高的生產(chǎn)品質(zhì)、更高的成品率和產(chǎn)量。
圖2、248nm激光剝離示意圖
圖3、248nm激光剝離藍(lán)寶石上的氮化鎵（一個(gè)脈沖激光光斑一次覆蓋9個(gè)芯片）。
JPSA對(duì)不同波長(zhǎng)的激光進(jìn)行開發(fā)，使它們特別適合于晶圓切割應(yīng)用，采用266nm的DPSS激光器對(duì)藍(lán)光LED藍(lán)寶石晶圓的氮化鎵正面進(jìn)行劃片，正切劃片速度可達(dá)150mm/s,每小時(shí)可加工大約15片晶圓（標(biāo)準(zhǔn)2英寸晶圓，裸片尺寸350m×350m），切口卻很小（小于3m）。激光工藝具有產(chǎn)能高、對(duì)LED性能影響小的特點(diǎn)，容許晶圓的形變和彎曲，其切割速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)機(jī)械切割方法。
除了藍(lán)寶石之外，碳化硅也可以用來作為藍(lán)光LED薄片的外延生長(zhǎng)基板。266nm和355nm紫外DPSS激光器（帶隙能量分別為4.6eV和3.5eV）可用于碳化硅（帶隙能量為2.8eV）劃片。JPSA通過持續(xù)研發(fā)背切劃片的激光吸收增強(qiáng)等新技術(shù)，研發(fā)了雙面劃片功能，355nm的DPSS激光器可以從LED的藍(lán)寶石面進(jìn)行背切劃片，實(shí)現(xiàn)了劃片速度高達(dá)150mm/s的高產(chǎn)量背切劃片，無碎片并且不損壞外延層。對(duì)于第III-V主族半導(dǎo)體，例如砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）和磷化銦（InP），典型的切口深度為40m,250微米厚的晶圓劃片速度高達(dá)300mm/s.
準(zhǔn)分子激光器在2D圖案成形與3D微加工、LED剝離中的應(yīng)用
準(zhǔn)分子激光器以準(zhǔn)分子為工作物質(zhì)的一類氣體激光器件。常用相對(duì)論電子束（能量大于200千電子伏特）或橫向快速脈沖放電來實(shí)現(xiàn)激勵(lì)。當(dāng)受激態(tài)準(zhǔn)分子的不穩(wěn)定分子鍵斷裂而離解成基態(tài)原子時(shí)，受激態(tài)的能量以激光輻射的形式放出。波長(zhǎng)為193nm的ArF準(zhǔn)分子激光，進(jìn)行屈光手術(shù)的機(jī)理就是光化學(xué)效應(yīng)。準(zhǔn)分子激光單個(gè)光子的能量大約是6.4eV,而角膜組織中肽鍵與碳分子鍵的結(jié)合能量?jī)H為3.6eV.當(dāng)其高能量的光子照射到角膜，直接將組織內(nèi)的分子鍵打斷，導(dǎo)致角膜組織碎裂而達(dá)到消融切割組織的目的，并且由于準(zhǔn)分子激光脈寬短（10~20nm），又是光化學(xué)效應(yīng)切除。因此，對(duì)切除周圍組織的機(jī)械損傷和熱損傷極小（﹤0.30μm）。
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