激光技术在半导体行业当中的应用

2018-12-24韩仲夏

无线互联科技 2018年8期

韩仲夏

（天津三安光电有限公司，天津 300000）

半导体行业是电子信息产业中的一部分，它是以半导体为基础发展起来的一个产业。半导体行业对社会的发展起着重要的积极作用，将激光技术应用到半导体行业中更能促进其转型发展，融入世界发展潮流。

1 激光技术

激光是一种由于刺激而产生辐射强化的光，它具有亮度高、单色性好、方向性好等特点。它的高亮度体现在一台较为普通的红宝石激光器发出的激光亮度比太阳亮度都会高7个数量级；高强度体现在存在于地球上的任何一种材料，不管其熔点多么高，在强激光的照射下不超过3 s即可开始气化，而无论是什么金属或钻石，激光都可以在其身上打孔。单色光是只具有单一频率的光波。激光不同于普通光，普通光属于自发辐射非相干光，而激光属于受激辐射相干光。

激光技术是兴起于20世纪60年代的新型技术，其诞生标志为一台红宝石激光器的研制问世，如今，我国已开发出将近30种激光加工技术。激光接近于单色光波，频率范围非常狭窄，但同时它可以在一个狭小的空间内集中高能量，激光具有单色波长、平行光束和同调色三大特征。激光技术大原理为在电管中以光和电流的能量来撞击特定的晶体或者电子易受激大的物质，从而使其自身原子的电子到达一种高能量状态，一段时间后，这些电子会回复到较为稳定的低能量状态，这时原子就会射出光子，从而放出多余的能量；随后，这些被放出的光子还会去撞击其他原子，激发越来越多的原子产生光子，产生连锁反应，而且光子都会向着同一个方向前进，从而形成较为集中并向着某个方向高度集中的光。

激光技术的应用非常广泛。它不仅可以应用为激光切割技术、激光加工技术、激光焊接、激光打孔，还可用于激光手术、激光武器和激光能源等应用中。由于激光的时间控制性和空间控制性都比较好，对加工环境、加工对象的尺寸、形状和材料都没有限制，所以其广泛应用于自动化加工。将激光加工系统和计算机数控技术组合应用可以构成高效自动化加工设备。光是一种频率很高的电磁波，它的相干性较好，所以它还被当作传递信息的载波。

目前为止，世界发明的激光种类多达几千种，比如最常见的异质结半导体激光，真空紫外分子激光，高功率激光和自由电子激光等类型。但是，即使激光种类众多，具有实用价值的激光却不是很多。所以，研究激光技术的科学家还在不断对于激光的性能、效率的提高和其脉冲宽度的压缩或输出频率的灵活改变进行研究，并且不断取得新的突破[1]。

2 半导体行业

半导体器件是电子电路中必不可少的组成成分。半导体是人们为了生产生活需要，将两物质按照电学性质进行分类时确定的一个名称。它的导电性介于导体和绝缘体之间。半导体导电性能全是由其原子结构决定的。以元素半导体硅和锗为例，其原子序列分别是14和32，它们两个最外层电子数都是4。半导体具有自由电子和空穴两种载流子。而半导体的性质不同于导体和绝缘体，就是因为半导体拥有的载流子数目不同而载流子是能够运动的荷电粒子。电子和空穴都是载流子，它们相互运动即可产生电流。硅和锗是最为典型的元素半导体。

根据构成物质元素的不同，半导体可分为元素半导体和化合物导体，元素半导体由一种元素构成，化合物半导体由多种元素构成。而根据掺杂类型的不同，半导体可分为本征半导体、N型半导体和P型半导体；如果按照原子结构的排列规则不同，又可分为单晶半导体、多晶半导体和非晶态半导体。半导体行业具有技术密集、资金密集，高风险高回报和知识密集等特点。进入2010年以来，国家大力支持半导体行业的发展，2011年11月，国家税务总局和财政部联合发布了《关于退还集成电路企业采购设备增值税期末留纸税额》；2012年4月政府部门又发布了《关于进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展企业所得税政策的通知》；而于2014年，工信部又发布了《国家集成电路产业发展推进纲要》。近几年，我国半导体行业发展速度超快，半导体产业逐渐呈现向大陆地区转移的新趋势，为我国各行业的发展带来设备国产化的发展机遇。而且政府政策大力支持半岛体行业的发展，大基金入场将会加速产业转型升级，成熟化发展。半导体具有掺杂特性、热敏性和光敏性三大特点。

3 激光技术在半导体行业中的应用

3.1 紫外DPSS激光器在LED晶圆划片中的应用

紫光DPSS激光器是一种应用于印刷电路板和消费电子产品的激光器。由于它的加工重复性好且可靠性较高，所以广泛应用于表面处理、材料加工和微加工行业中。这种激光器可以用于塑料、陶瓷和金属材料的微加工。266 nm和355 nm多倍频DPSS激光器在紫外波段就可输出几瓦的功率、kHz量级高重复频率和高脉冲能量的激光。我们可以使用DPSS激光器对硅片、蓝宝石、砷化镓和磷化钾等材料进行加工，提高生产质量，提高成品率和产量。硅是最常见的半导体材料，价格便宜，工作温度高，也容易形成高质量的氧化层。比如，应用266 nm的DPSS激光器对蓝光LED蓝宝石晶圆的氮化镓正面划片，正切划片的速度高达150 mm/s，切口速度非常小，切割质量好。除此之外，紫外DPSS激光器还可用于碳化硅材料的划片[2]。

半导体的光敏性表现在半导体对光的敏感性非常强。假设有光照射在半导体上，它们就会像导体一样，导电能力非常强；但是，当没有光照射时它们又会像绝缘体一样完全不导电。任何光源发出的光波都具有一定的频率和波长范围，在此波长范围内，各种频率相对应的强度有所不同。半导体的光敏性应用比较广泛，比如电脑或手机的摄像头、各类型光控红外检测测试设备、光控影玩具和光控照明产品等。激光在光敏半导体中的应用也比较普遍。

3.2 激光打标技术

激光打标是通过高能量密度的激光对器件的局部进行照射，使表层材料骑化或者发生颜色变化的反应，从而留下永久性标记。激光打标的优势在于它可以打出各种类型的符号、图案和文字，字符大小也可以小到微米量级，这种技术给产品的防伪标记带来了福音，减少假冒伪劣产品的危害。而近几年又出现了准分子激光打标，这种技术甚至可以实现亚微米打标。

如今，半导体激光打标机是最常用的打标机。它是用波长为808 nm的激光二极管使介质产生大量的反转粒子，在其他物质的作用下形成波长为1 064 nm的句脉冲激光输出来。这种激光器的体积较小，而且电光转换效率很高。激光打标机主要由光路系统、电路系统、水路系统以及控制系统组成。半导体激光打标机的激光光束模式较好，耗能量小，而且其寿命远远长于一般打标机，不用过于维护。而且它还可以在很短的时间内控制开关，还可以得到各种类型的波长满足实际需求。从结构方面来说，激光打标技术的结构紧凑、坚固操作简单方便，打标精度可观。

3.3 激光脉冲退火技术

激光脉冲退火技术简称为LSA技术，它是通过长波激光器产生得微细光束来扫描硅片表面，在极短的时间内产生尺寸较小的局域热点。但硅片的整体依然保持低温，因为高峰值温度可以激活更多的掺杂原子，所以此技术可以在较短的时间内使掺杂原子的扩散降到最低，从而使经过退火处理的范围不会影响到硅片的其他部位。退火技术的优势在于LSA可以实现无扩散的结和超低的电阻。如今，激光脉冲退火技术已经大范围地应用于多晶硅栅极的退火环节，从而提高器件的性能。LSA技术可以灵活调整对应变反应产生直接影响的生产工艺参数，比如，退火时间、温度、晶圆卡盘温度和晶圆在反应腔内的方向等参数，从而对晶圆加工过程中出现的应变和翘曲现象进行优化。

3.4 激光技术在LED行业中的应用

LED材料是半导体二极管中的一种，能够把电能转化成光能。在LED行业中运用激光加工技术。激光加工是把激光束照射在工件表面，以激光的高能量切除或熔化材料和改变物体表面的性能。2013年，市场上出现了LED激光刻划和激光晶圆划片设备。这两种设备的出现为LED制造商提供了性价比较高的工业工具。LED激光刻划与传统的机械刻划相比要窄得多，因此，LED材料的利用率就相应提高，产出效率也优于传统机械刻划。而且激光加工是一种非接触式工艺，刻划过程所带来的晶圆微裂纹相对较少，从而使晶圆颗粒与颗粒之间的空隙更小，产出效率更高，LED器件的可靠性也随之提高。比如，单晶蓝宝石和氮化镓都是抗拉强度大的硬脆性材料，这两种材料被切割成单体LED器件的难度较大，如果采用传统的机械锯片切割会使晶圆崩边、分层或产生微裂纹[3]。为了避免这些情况，制造者可能会使单体之间保留足够宽的宽度，但这样会使LED晶圆的产出效率降低。而激光加工则不一样，激光划片的切口很小，聚集后的激光微细光斑晶圆表面会迅速气化材料，制造很细小的切口，从而可以在面积有限的晶圆表面切割出更多的LED单体。激光刻划技术对于砷化镓等半导体晶圆材料的切割能力更加突出。除此之外，激光刻划使LED单体之间的距离更近，从而有利于出产效率和产能的提高。所以，使用激光技术切割LEC材料，不仅可以提高产出效率，还可以避免刀片磨损造成的成本损耗和加工缺陷，从而提高LED材料产品生产的质量和效益。目前，激光加工技术已经成为LEF制造业中较为普遍的工具。