激光划切硅工艺的探讨

沈怡东，钱清友

（捷捷半导体有限公司，江苏 南通 226200）

0 引言

半导体器件的划切主要分为砂轮和激光划切两种，而激光因其相干性好、方向性强、单色性好、划切效率高的特点，在半导体器件工艺过程中起着举足轻重的作用。激光最初的中文名叫作“镭射”“莱塞”，是其英文名称LASER（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的音译，意思是“通过受激辐射光扩大”，激光的英文全名已经完全表达了产生激光的主要过程。激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激辐射”改称“激光”。激光的颜色一般用激光的波长来表述（见图1）。

图1 激光颜色与波长相关性

红外激光波长是1064 nm，紫外激光波长是355 nm，光由光子组成，即光量子（light quantum），其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积（E=hv），在真空中以光速c运行，其自旋为1，是玻色子。光子能量的计算公式为E=hv。式中，h为普朗克常量；v为光的频率。那么紫外激光的光子能量为红外激光的3倍，相对于红外激光来说，紫外激光俗称冷激光，可以切割钝化玻璃，故本文对紫光划切硅的工艺进行探讨，以解决紫光划切GPP功率器件的难点[1]。

1 实验原理

紫光划片主要是通过激光源放射出一定能量的紫外光，在一定频率及运行速度下，将待划切的硅烧融、气化，从而形成划切的据路，并通过后续的裂片过程，将硅片分成一个个器件（die），从而为后续器件的应用做准备。紫光划片机主要由激光源、布儒斯特窗口、激光扩速镜组成，其基本结构如图2所示。

（1）激光源特指泵浦（pump）：即泵，又名帮浦、抽运；与泵不同的是，泵浦一词主要出现于激光领域。在激光器中，外部能量通常会以光或电流的形式输入到产生激光的媒质之中，把处于基态的电子，激励到较高的能级高能态（人们用“泵浦”一词形容这一过程（如同把水从低处抽往高处），物理学家将这种状态称为激发态。

（2）布儒斯特窗口：即用作偏振器的无镀膜的基底，通常用于激光腔内。以布儒斯特角放置时，光束的p偏振分量将无损耗通过窗口，而s偏振分量将被布儒斯特窗口反射。在激光腔内使用时，布儒斯特窗口本质上是一个偏振器。

（3）激光扩束镜：主要有两个用途：一是扩展激光束的直径；二是减小激光束的发散角。因此，它被用于远距离照明、投影以及聚焦系统，和未经扩束的光束相比，扩束后的光束可被聚焦得更小[2]。

2 实验过程

2.1 实验方法

取GPP的产品，对设备的划切功率、速度、频率三个因素进行工艺实验，比较其划切的宽度及深度，得到较优的工艺条件。划切示意图如图3所示。

图3 划切硅基本工艺模型

2.2 工艺过程

2.2.1 探讨划切频率对划切深度及划切宽度的影响

在恒定的划切速度（50 mm/s），恒定的功率（50%，10 kW的光源）的工艺条件下，对不同的划切频率进行工艺实验，测试其划切后深度及宽度，如表1、图4所示。从实验结果来看，频率与环切深度呈现抛物线相关性，宽度随着频率升高变低，但差异不大[3]。

表1 划切频率与划切深度宽度相关数据

图4 划切频率与划切深度宽度相关性图表

2.2.2 探讨划切速度对划切深度及划切宽度的影响

在恒定的划切频率（45 kHz），恒定的功率（50%，10 kW的光源）的工艺条件下，对不同的划切速度进行工艺实验，测试其划切后深度及宽度。如表2、图5所示。从实验结果来看，划切速度越快，深度越浅，划切的速度与划切宽度无相关性。

表2 划切速度与划切深度宽度相关数据

图5 划切速度与划切深度宽度相关性图表

2.2.3 探讨功率对划切深度及划切宽度的影响

在恒定的划切频率（45 kHz），恒定的划切速度（50 mm/s）的工艺条件下，对不同的功率（10 kW的光源）进行工艺实验，测试其划切后深度及宽度。如表3、图6所示。

表3 划切功率与划切深度宽度相关数据

图6 划切功率与划切深度宽度相关性图表

从实验结果来看，划切功率越大，划切的深度及宽度均越大。

3 结束语

紫光划切硅片划切的深度与功率及速度成线性关系，功率越大，划切深度越深，速度越慢，划切深度越深，而频率与划切深度成多项式关系，即存在深度与频率最佳匹配值，需根据不同的激光源进行测试分析探讨。紫光划切硅片的宽度与划切速度无关，划切频率越高，宽度越窄，划切功率越大，宽度越宽，我们可以根据产品的要求，做相应的取舍。紫光划切硅片也不是划切越深越好，若划切过深，则其存在气熔的硅在硅片表面再次凝固的问题，出现硅片不易裂开的情况，因此最佳的工艺需结合产品的实际需求，做相应的优化，从而得到最理想的工艺条件。■