摘要：LED的相关电路元件的加工与制作都是在晶圆上完成的，随着微电子技术的发展，对晶圆的切割技术要求越来越高，而在实际切割中，对晶圆的切割十分注重于晶圆的切割宽度，以降低晶圆损耗。研究355nm紫外激光切割设备的功率、频率以及切割速度对晶圆切割宽度的影响，从而达到高效率、小宽度、高标准的激光切割加工。

关键词：激光切割；脉冲频率；LED晶圆 

1.引言

晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆，在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能之IC产品。晶圆的原始材料是硅，而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经由电弧炉提炼，盐酸氯化，并经蒸馏后，制成了高纯度的多晶硅，其纯度高达99.999%。

LED晶圆是LED的核心部分，LED 晶圆主要以蓝宝石、碳化硅等脆硬材料作为衬底。事实上，LED的波长、亮度、正向电压等主要光电参数基本上取决于晶圆材料。LED的相关电路元件的加工与制作都是在晶圆上完成的，这些脆硬材料的划切分离始终是LED 产业发展的主要制约环节之一，所以晶圆技术与其加工设备是晶圆制造技术的关键所在。

晶圆切割的传统方式是采用刀具切割，就是所谓的接触式加工，接触式加工，接触式加工极易使边缘破裂，交叉部分更为严重，导致成品率低，原材料的损耗大，有时还可能造成隐性裂纹从而影响电性参数。紫外激光切割设备加工式所谓的非接触式加工，新型紫外激光器的出现，成功地解决了这个难题。紫外激光指波长为100~400nm 的激光，它有两个非常好的特点：一是波长短，光子能量大；二是光束汇聚质量好。由于紫外激光波长短、能量集中，因此其加工半导体材料是直接破坏连接物质原子/分子的化学键，从而将物质分离成原子/分子的加工过程，选择合适的激光参数，激光加工过程中几乎不产生多余热量。该特性使紫外激光器成为加工蓝宝石等硬脆材料的理想工具。再加上紫外激光能被大多数材料有效吸收以及具有良好的聚焦性能，可在很小的空间区域内进行高精度微细加工，因此，紫外激光划切技术是目前划切以蓝宝石、氮化镓、碳化硅等硬脆材料为衬底的高亮度LED 晶圆的最有效方法之一，如（图1）。

 图1 紫外激光划切蓝宝石基LED

2.测试原理，技术指标及光路系统

激光经过聚焦后照射到材料上，使被切割材料温度急速升高，然后使之熔化或汽化。随着激光与被切割材料的相对运动，在切割材料上形成切缝从而达到切割的目的。这里我们采用的是355nm紫外激光切割设备，由于紫外激光光束波长短，能量高且最终到达加工平面的激光光斑较小，所以被广泛的应用于精密加工行业。

该设备的主要技术指标如下表所示：

表1  设备主要技术指标

测试平台的光路系统

3. 测试结果与分析

在做晶圆测试之前要保证激光光路的同轴性较为良好，这是激光切割的前提，也是最关键的条件之一，由于激光设备最终的出光质量会直接影响到测试结果。聚焦光斑理论上是越小越好，光斑越小激光能量越集中，同样切缝的宽度也会越小，这样可以提高加工精度，我们公司紫外激光设备聚焦光斑通常在2~3s（1s=10um）范围内。在对蓝宝石晶圆切割测试过程中，采用控制变量法，通过改变紫外激光器的脉冲重复频率、振镜扫描速度以及切割重复次数得到了多组微槽。使用三次元显微镜仪器检测这些微槽，获得了不同参数下切槽深度图片。

3.1激光频率对测试的影响

通常情况下，激光器的重复频率选择50kHz,激光器的输出功率在10W以上，经过中间光学系统功率衰减微乎其微，最终自聚焦镜出来的光功率也会达到10W左右。在测试过程中设定激光重复频率为60kHz，振镜扫描速度为100mm/s，经过多次改变激光重复频率，同时保证振镜扫描速度、切割重复次数及其他切割参数不变的情况下，可以得出在一定范围内（50kHz~400kHz）随着激光重复频率的增加切槽的深度值会有相应的减小，即随着激光功率的增加，切槽深度值会变大。

      图3  不同激光重复频率下晶圆的切槽情况

经过测量测试后的数据发现，当振镜扫描速度为100mm/s 时，脉冲重复频率由60kHz增加到100kHz，微槽深度减小了约0.54um，实验中发现当重复频率小于10 kHz时，切割时声音尖锐刺耳，切割深度较浅，切缝较宽，随着频率的增加，切割时声音变小，切割深度增加，切缝宽度也减小。当重复频率达到50 kHz时，切割深度达到最大。频率继续上升时，切割深度再次减小。这是因为在其他参数不变的情况下，重复频率越高，峰值功率越小，单脉冲与材料作用的时间越短，因此热影响区越小，切缝宽度也就越小。当重复频率较低时，虽然脉冲的峰值功率很高，但平均功率很低，所以造成了切缝较宽，切割深度却不大的现象。随着重复频率的上升，脉冲峰值功率降低，但平均功率增加，在一个适当的范围内，可以达到较小的切缝宽度和较大的切割深度。当重复频率继续上升时，虽然输出的平均功率增加，但是脉冲的峰值功率下降到不足以使晶圆气化，因此切割深度又变小。功率增大而振镜扫描速度不变，意味着激光作用于材料的时间一定但是能量不同，能量越高则切槽的深度越大。

3.2  振镜扫描速度对切割的影响

在激光频率一定的情况下，我们经过多次改变振镜扫描速度，观察晶圆的切槽深度（图4），经过测量得知，当脉冲重复频率为60KHz 时，速度由100mm/s 增加到150mm/s，微槽深度减小了约0.32um；速度由150mm/s 增加到200mm/s，微槽深度减小了约0.28um。

图4  从上至下依次是振镜扫描速度逐渐增大的切割效果

当激光频率及其他参数一定情况下，扫描速度增大意味着激光作用于晶圆上的时间减小，即作用在晶圆上的激光能量密度降低，故使得切割深度减小。

3.3  吸风、吹气装置对测试的影响

    在用设备为样品做测试的过程中，吸风装置的上吸风主要是吸收掉在晶圆测试过程中产生的粉尘碎渣，下吸风为使得样品能够和平台紧密贴合做辅助，吸风装置一来使得晶圆在加工过程中不易产生废渣污染样品，二来使得晶圆能够很好地被固定在平台上，从而提高测试精度。吹气装置主要作用是冷却材料的表面温度，要采用不与硅材料发生化学反应的气体，该装置使得材料在被加工过程中不易被烧灼、碳化，进而影响最终测试后的材料的外观、尺寸。

4.  本文小结

通过工艺测试，初步研究了紫外激光在切割晶圆过程中，入射激光能量密度对切割质量的影响规律以及入射激光功率、激光脉冲重复频率、振镜扫描速度等参数对切割深度宽度的影响规律，并对测试结果进行了简单的阐述分析，结合理论解释了测试结果中出现的一些现象。

由于作者自身工艺经验不足和其他客观条件的限制，仍有许多工艺方面的问题需要进一步探索。就目前完成的工作来看，今后仍需在以下几方面努力：

（1） 紫外激光与材料的相互作用以及材料对紫外激光的吸收情况等。

（2） 设计对比测试方案，研究材料表面粗糙度或者材料成分影响切割质量的规律。

 

参考文献：

[1] 黄欢，杨立军，等.紫外激光划切蓝宝石晶圆的实验研究[J].2009（5）：35-39.

[2] 燕来荣.LED照明：未来新光源.大众用电，2007：19-20

[3] 宋威廉.激光加工技术的发展.激光与紫外，2006,36:755-758