最近幾年來，筆記本電腦的電池壽命延長了三倍，內(nèi)存容量變大且成本變低，電腦、智能手機(jī)以及其它數(shù)碼設(shè)備的速度更快、性能更強(qiáng)。帶來這些進(jìn)步的原因可能是多方面的，但激光微加工的使用卻是一個公認(rèn)的因素。因此，電子行業(yè)對于激光微加工的需求從來沒有像現(xiàn)在這么強(qiáng)烈。

高亮LED（發(fā)光二極管）讓電池壽命更長久

液晶顯示器的背光源使用高效能的LED，以替代低效能的冷陰極管燈泡，這顯著增加了筆記本電腦的電池壽命，減少了電視機(jī)的耗能。因此，LED行業(yè)正在經(jīng)歷史無前例的增長。

在平板顯示器使用的LED是基于氮化鎵（GaN）的，在藍(lán)寶石晶圓上將氮化鎵培養(yǎng)和被加工成薄層（總厚只有幾微米）。藍(lán)寶石是理想的選擇，因為它能夠提供適合氮化鎵的晶格，而且是透明的。這非常重要，因為一些光能夠局部穿透藍(lán)寶石基底邊緣從LED逃逸出來。藍(lán)寶石同樣是一種不錯的熱導(dǎo)體，有助于LED的散熱。但是，藍(lán)寶石有一個眾所周知的特點——難以切割，難度僅次于鉆石。

實際生產(chǎn)中，LED是在一塊直徑2英尺厚度通常為100微米的藍(lán)寶石晶圓上進(jìn)行批量圖形化處理。由于最終的LED芯片僅有0.5毫米×0.5毫米，甚至更小，所以每塊晶圓能生產(chǎn)成千上萬的LED。接著通過單切工藝將LED物理分割。

圖 1                                                          圖 2

傳統(tǒng)上，單切是通過鉆石圓鋸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行刻劃（局部切割），再進(jìn)行物理壓扣。但現(xiàn)在，大部分LED制造商已經(jīng)轉(zhuǎn)而使用激光刻劃，再通過壓邊進(jìn)行物理壓扣（見圖1）。圖中一束聚焦的紫外脈沖光束正在局部切割藍(lán)寶石。通常要多程切割晶圓厚度的大約30%（見圖2）。接著進(jìn)行傳統(tǒng)的物理壓扣。

激光刻劃已成為首選方法，原因有幾個。 首先，通過光束聚焦到只有幾微米或更小的光斑大小，激光刻劃能夠遠(yuǎn)遠(yuǎn)窄于鋸痕，并且顯著減少邊緣損傷（開裂和剝落）。這意味著，LED設(shè)備可以排列得更密集，相互之間的縫隙（稱為芯片間隔）更小。而且，高質(zhì)量的邊緣能夠避免后處理，在如此微小的設(shè)備上進(jìn)行后處理是不切實際的。上述的優(yōu)勢可以帶來更高的產(chǎn)量和更低的單位成本。另外，緊密聚焦能夠以更低的激光功率進(jìn)行快速刻劃，從而減少激光運(yùn)行的成本。

刻劃對激光特性有哪些要求？最常見的激光單切方法是使用266納米調(diào)Q半導(dǎo)體泵浦固體激光器進(jìn)行前端（設(shè)備端）刻劃。最重要的激光參數(shù)之一是光束質(zhì)量，因為較低的M2值能夠確保很好的邊緣質(zhì)量和最小化的LED分割。基本上，M2值用來描述激光束聚焦的緊密程度，完美的高斯光束的聚焦光斑大小理論最小值定義為M2等于1。實際上所有激光器的M2值通常大于1。（許多LED制造商使用Coherent公司AVIA 266-3激光器的主要原因就在于其M2額定值小于1.3。）其它關(guān)鍵激光參數(shù)包括可靠性、脈沖波動穩(wěn)定性和至少2.5瓦的平均功率，以達(dá)到預(yù)定的處理速度。還有一些制造商使用355納米激光器從藍(lán)寶石背面進(jìn)行刻劃，這種波長會產(chǎn)生微小的碎片，因此從背面進(jìn)行切割能夠讓碎片遠(yuǎn)離LED。這種方法要求更高的光束質(zhì)量，因為藍(lán)寶石對于355納米波長非常透明，利用該波長加工必須使用高強(qiáng)度聚焦光束以促進(jìn)非線性吸收。采用這種方法的常用激光器型號有AVIA 355-5和AVIA 355-7，M2值均小于1.3。另外，還有一些LED制造商正在調(diào)研使用混合型皮秒級激光器，例如Coherent公司的Talisker，可以讓532納米波長產(chǎn)生與266納米納秒級脈沖相同的效果。

內(nèi)存容量更大、尺寸更小

最近幾年，SD和microSD內(nèi)存卡的容量穩(wěn)步提升，這些卡的物理尺寸和形狀還可以保持不變。而且，每兆字節(jié)（MB）單位成本顯著下降。上述進(jìn)步的主要原因在于：第一，顯微光刻法的發(fā)展帶來的電路密度提高；第二，使用物理上更薄的晶圓，從而能夠在同樣封裝尺寸中垂直疊放更多晶圓。

現(xiàn)在，內(nèi)存晶圓厚度通常為80微米或更薄，50微米是尖端技術(shù)，而20微米晶圓還處于研發(fā)層面。從規(guī)模經(jīng)濟(jì)考慮，這些晶圓的直徑能達(dá)到300毫米。硅是一種晶體材料，因此一塊300毫米×50微米的晶圓是非常易碎的，機(jī)械接觸很容易讓晶圓開裂和破損。而且，后處理費(fèi)用通常大大高于10萬美元，因此必須在單切工藝中避免破損。

圖 3

傳統(tǒng)上，使用鉆石圓鋸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行的單切將會重復(fù)多次。然而如果晶圓厚度為80微米，圓鋸必須放慢到很不經(jīng)濟(jì)的旋轉(zhuǎn)速度，降低切割壓力以避免剝落、開裂和破損（見圖3）。這給激光器創(chuàng)造了巨大的機(jī)會�，F(xiàn)在許多芯片生產(chǎn)商已經(jīng)轉(zhuǎn)而使用355納米調(diào)Q半導(dǎo)體泵浦固體激光器。與圓鋸類似，激光切割必須采用多程，以最大限度減少需要后處理才能消除的熱損傷。因此，唯一最重要的激光參數(shù)是極高的脈沖重復(fù)頻率。更為特別的是，掃描速度通常為600到750毫米/秒，這樣才能在做5程左右處理時讓總切割速度達(dá)到150毫米/秒。這種應(yīng)用還要求非常高的邊緣質(zhì)量，所以要有50%的脈沖波動空間疊加。因此，針對這種薄晶圓應(yīng)用，Coherent公司開發(fā)了一款脈沖重復(fù)頻率極高的激光器（AVIA 355-23-250），脈沖重復(fù)頻率為250千赫，輸出功率大于8瓦，能夠為單程提供充足的切割能量。另外，對于在工藝過程開發(fā)中使用混合皮秒級激光器的興趣與日俱增，原因在于更短的脈沖持續(xù)時間產(chǎn)生的熱影響區(qū)（HAZ）更小，從而能夠避免后處理。

讓電腦和手機(jī)的運(yùn)行速度更快

隨著集成電路外形的變小，電路導(dǎo)線之間的絕緣間隙也越來越窄。傳統(tǒng)上，間隙內(nèi)用到的絕緣材料是二氧化硅。然而，電路速度越高，就要求線路的阻抗更低，也就是說，必須使用介電常數(shù)更低（如電阻更高）的材料。因此，所謂低介電常數(shù)（low-K，用K表示介電常數(shù)）材料引起了人們的興趣。

圖 4

傳統(tǒng)上，人們采用二氧化硅來作為低介電常數(shù)材料，但這降低了孔隙度。因此，考慮采用全新的材料，通過增加空氣含量來提高孔隙度，從而降低介電常數(shù)值。內(nèi)存芯片這種快速的處理器是由緊密分布在大型硅晶圓上的薄外延層物體生成。單切面臨的問題在于低介電常數(shù)材料是很軟的。所以傳統(tǒng)的鉆石圓鋸會對電路造成包括脫層在內(nèi)的巨大損害（見圖4）。不過，對于不生產(chǎn)內(nèi)存設(shè)備的厚晶圓來說，激光鋸切的成本不是很劃算，當(dāng)前還不是很實用。

圖５

因此，現(xiàn)在首選的方法是混合工藝。特別地，355納米調(diào)Q半導(dǎo)體泵浦固體激光器被用來切割松軟的外延層以消除開裂。接下來使用機(jī)械鋸切來切割晶圓。圖5顯示了兩種工藝同時使用的情況。如果晶圓設(shè)計中電路之間的芯片間隔較寬，激光可以單程沿著每一條芯片間隔邊緣進(jìn)行窄刻劃。如果芯片間隔較窄，需要使用多條并行光束進(jìn)行單次寬刻劃，寬度要足夠容納鋸片切割。在同樣的處理速度下，前一種工藝需要的激光能量更少，也就是工藝成本更低，因此常被使用。這種工藝的關(guān)鍵激光參數(shù)是光束質(zhì)量和高重復(fù)頻率。這種應(yīng)用的典型激光器是AVIA 355-23-250，能夠提供需要的每脈沖30微焦耳的光束質(zhì)量，并且M2值小于1.3。另外，其重復(fù)頻率為250千赫，在50%脈沖波動疊加時支持200毫米/秒的刻劃速度。

結(jié)論

綜上所述，隨著電子元器件的尺寸越來越小，材料的不斷進(jìn)步，激光刻劃的吸引力將繼續(xù)擴(kuò)大，逐漸成為經(jīng)濟(jì)上可行的工藝。而且，隨著激光制造商們不斷改善其產(chǎn)品的性能、可靠性和擁有成本，激光刻劃的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏�加廣泛。