(huiyi)355nm全固态紫外激光切割硅片的研究

355nm全固态紫外激光切割硅片的研究 张菲， 杨焕， 段军， 曾晓雁 （ 华中科技大学武汉光电国家实验室 ，湖北武汉 430074） 摘要 近年来，激光微加工硅和蓝宝石等半导体材料已经吸引越来越多的关注。高精度激光切割和钻孔加工已经成功用于半导体、光电子、光机电系统（ MEMS ）行业，包括晶圆切割、划线、直接成型通孔和三维微结构。利用自主研发的紫外激光微加工设备，系统研究了激光功率密度、重复频率、扫描次数、单脉冲能量等工艺参数对切割 0.18mm厚多晶硅片和 0.38mm厚单晶硅片的缝宽和效率的影响规律。结果表明，采用扫描振镜加远心扫描透镜系统，当需要得到最大的切割深度时，优化的工艺参数为激光功率 5.4W，频率 40-60kHz， 扫描速度 150mm/s； 当需要得到最大的深宽比时， 优化的工艺参数为激光功率 5.4W， 频率 80kHz，扫描速度 100mm/s-150mm/s。最后利用优化的工艺参数对三种厚度（ 0.18mm、 0.38mm、 0.6mm）的硅片进行了直接成形加工，最小孔径 45μ m，加工精度 20μ m。 关键词 355nm；全固态紫外激光；多晶硅；单晶硅；切割中图分类号 TN249 文献标识码 A 文章编号单晶硅因为具有独特的性能， 在电子和精密器件行业中应用非常广泛。 它是典型的共价键结合的材料，硬度高、脆性很大，很难加工。以前，一般利用金刚砂轮和离子束等特种加工方法对硅片进行切割和各种微细加工， 在一定程度上因为上述工艺特点的局限性而使应用范围受到限制。 由于激光加工可以方便地将激光束和数控技术结合起来， 并通过选择激光波长、 控制激光参数来控制加工质量， 因此利用激光对单晶硅片进行刻蚀加工具有重要的应用价值。近年来，随着半导体电子产品朝着便携式、小型化的方向发展，传统的微加工方式已不能满足深径比的要求。 为了进一步提高加工精度和质量， 需要使用更短波长的激光例如紫外激光来进行微细加工。紫外激光因波长短、材料吸收率高、加工速度快、热影响区小、可聚焦光斑尺寸小等特点， 微加工时容易获得较高的加工精度和质量， 特别是近十年来迅速发展起来的高功率全固态紫外激光器，电光转换效率高、重复频率高、性能可靠、体积小型、光束质量好、 功率稳定， 在电子制造工业和半导体行业的精密加工和微细加工领域中得到广泛应用。紫外激光加工硅片的研究，国外科研机构起步较早 [1][2] ，国内利用红外 YAG激光加工硅片的研究时有报道 [3] ，但是受高功率紫外激光器设备昂贵的限制，短波长激光加工硅片的研究和报道的文献较少 [4-5] 。本文利用自主研发的紫外激光微加工设备对此技术进行了深入研究 。1．实验设备与材料 1.1 实验设备 实验设备如图 1 所示， 采用振镜扫描和工作台联动的方式， 这样可以大大提高加工精度和速度。激光器采用 355nm全固态紫外激光器，最大平均功率 10W，重复频率 15-100kHz，脉宽 10-60ns，远场发散角 1.2mrad，光束质量因子 1.1 。良好的光束质量可以提高激光切割的精度， 减小刻槽锥度， 提高激光切割的重复性， 测得平均功率和单脉冲能量的波动不大于 2，保证了实验结果具有较高的可靠性和重复性。光学系统由扩束准直镜、扫描振镜加 基金项目 863 重点项目“全固态激光器及其应用技术”资助课题“数控紫外激光微加工机床与技术” （项目编号SQ2007AA03xk140983） 。 作 者 简 介 张 菲 （ 1983- ） ， 男 ， 湖 北 武 汉 人 ， 博 士 生 ， 研 究 方 向 为 全 固 态 紫 外 激 光 加 工 设 备 与 技 术 。 Email hustlaserzfsmail.hust.edu.cn导师简介 段军 （ 1956-） ， 男， 湖北武汉人， 教授， 主要从事激光先进制造技术方面的研究工作。 Email duansmail.hust.edu.cn远心扫描透镜系统组成，微加工工作台为直线电机十字工作台，重复精度为 1 m，保证在加工大图形时实现无缝拼接。 1.2 实验材料和实验方法 本实验中选取的材料有三种， 分别为 0.18mm厚的多晶硅片以及 0.38mm和 0.6mm厚的单晶硅片。实验刻蚀线长度 10mm，每组参数重复实验 3 次，实验结果取平均值。由于采用振镜扫描系统并且振镜的加减速度非常快， 所以扫描线起止速度的差别影响可以忽略。 利用光学显微镜从表面观察切割缝宽和质量，用激光将扫描线从中间切断，从剖面测量切割深度。图 1 紫外激光微加工设备 图 2 台面功率随激光器 PWF值的变化曲线 2．实验结果和分析 图 2 所示为台面功率随激光器 PWF值的变化曲线， PWF为脉宽因子，实际上控制的是激光激励时间的占空比。采用这种方法调节功率，响应时间快，并且不会改变光束质量。相同频率下 PWF最大可设为 1000，此时输出功率最大。由图 2 可以看到，频率越低，平均功率越大。激光器在 40kHz， PWF1000时，输出功率最大为 9.55W。 2.1 激光功率和频率对硅片刻蚀的影响 保持激光束扫描速度 200mm/s、 扫描次数 20 次不变， 改变重复频率 30kHz-90kHz 和 PWF值 200-1000 ， 测量刻蚀缝宽和深度。 图 3 和图 4 分别为 0.38mm厚单晶硅和 0.18mm厚多晶硅激光功率和频率对刻蚀宽度的影响。 可以看出， 两种硅片的实验结果具有类似的趋势， 刻蚀宽度随着激光输出功率的增加而增加， 随激光频率的增加而减小。 由于频率增加时平均功率减小，所以可以认为刻缝宽度与激光功率密度成正比。 图 3 激光功率和频率对刻缝宽度的影响 图 4 激光功率和频率对刻缝宽度的影响 （ 0.38mm 厚单晶硅） （ 0.18mm 厚多晶硅） 图 5 激光功率和频率对刻缝深度的影响 图 6 激光功率和频率对刻缝深宽比的影响增加呈上描速度 200mm/s不变的情况下，激光频率对刻缝除（ 0.38mm厚单晶硅） （ 0.38mm 厚单晶硅） 图 5 所示为激光功率和频率对刻缝深度的影响， 可以看出， 刻缝深度随功率的升趋势。 频率为 60kHz 时， 刻蚀宽度要大于频率为 30kHz 和 90kHz 时的情况。 这是由于当激光重复频率较高时，单脉冲激光能量降低，所能够去除材料的能力降低，使刻蚀深度降低。当重复频率过低时， 刻蚀深度也降低， 这是由于相邻光斑重叠度低降低了孔深度。 图 6 所示为激光功率和频率对刻缝深宽比的影响， 由于刻缝宽度相对而言变化不大， 所以深宽比的变化趋势接近于刻蚀深度的变化趋势。在 90kHz， PWF900（输出功率 5.06W）时，刻蚀深度84μ m，刻蚀宽度 30μ m，深宽比达到最大 2.8 。 2.2 固定平均功率和扫描速度下的情况 图 7 所示为固定平均功率为 5.4W和扫宽度、深度和深宽比的影响。缝宽的变化差别不大，随频率的增加虽然光斑耦合度增加，但是单脉冲能量降低，使得刻蚀宽度呈下降趋势。刻蚀深度在 40kHz 和 80kHz 时较大，在50-70kHz 时较小，分析原因可能是当激光频率较小时，由于单脉冲能量较大，单脉冲去的材料较多， 所以刻蚀深度较大； 当频率较大时， 虽然单脉冲能量降低， 但是光斑耦合度大，并且此时激光脉冲宽度也增加， 也能刻蚀较深的材料。 当频率在 50-70kHz 时， 单脉冲能量、光斑耦合度和激光脉冲宽度都不大，因此刻蚀深度反而较小。在 80kHz 时，刻蚀深度 105μm，刻蚀宽度 30μ m，深宽比达到最大 3.5 。 图 7 固定平均功率和扫描速度下的情况 图 8 固定平均功率和平均扫描速度的情况 （ 0.2.3 固定平均功率和平均扫描速度的情况 38mm厚单晶硅，功率 5.4W，速度 200mm/s） （ 0.38mm 厚单晶硅 , 功率 5.4W，频率 50kHz， 平均扫描速度 12.5mm/s）平均扫描速度的定义为扫描速度除以扫描次数，由于振镜扫描跳转速度极快（通常为3000mm/s），在平均速度相同时，可以认为加工时间相同，例如实验所用到的 50mm/s扫描4 次， 100mm/s 扫描 8 次， 150mm/s 扫描 12 次，以此类推 400mm/s扫描 32 次。在相同的平均速度时，切割最深的加工参数效率最高。当扫描速度比较慢时，同一时间内，刻蚀面接受的激光能量太大，容易产生过多不易清除的熔渣，降低了刻蚀量，而且刻蚀面粗糙。如图 8所示，随着扫描速度的提高，刻蚀量明显增加，当进一步增加到 400mm/s以上时，由于光斑耦合度降低，单次扫描吸收的能量过低，造成刻蚀深度下降。 2.4 固定平均功率和光斑耦合度的情况 图 9 固定平均功率和光斑耦合度的情况 图 10 固定单脉冲能量的情况（ 0.38mm厚单晶硅 , 功率 5.4W， 光斑中心距 4μ m） （ 0.38mm厚单晶硅 , 单脉冲能量为 0.06mJ 和 0.13mJ）图 9 所示为固定平均功率为 5.4W和光斑中心距 4μm 不变的情况下， 激光频率对刻缝宽度、深度和深宽比的影响。缝宽的变化趋势与固定扫描速度的情况类似。随着频率增加，单脉冲能量减小，脉冲宽度增加，由图所示，缝深的变化与单脉冲能量的变化基本一致 2.5 固定单脉冲能量的情况图 10 所示为固定单脉冲能量为 0.13mJ 和 0.06mJ 不变的情况下，激光频率对刻缝宽度和深度的影响。 可以看到， 当功率密度达到刻蚀阈值后， 刻蚀宽度和刻蚀深度基本保持不变。单脉冲能量为 0.13mJ 时的刻蚀深度小于单脉冲能量为 0.06mJ 时的加工深度， 原因与低速切割时深度较小一样，加工过程中产生过多的熔渣。 3 硅片切割的工艺参数优化与直接成形加工 综上所述，当需要得到最大的切割深度时，优化的工艺参数为激光功率 5.4W，频率40-60kHz， 扫描速度 150mm/； 当需要得到最大的深宽比时， 优化的工艺参数为激光功率 5.4W，频率 80kHz，扫描速度 100mm/s-150mm/s。采用第一组参数进行了三种厚度硅片的直接成形加工，如图 11 所示为切割 0.18mm厚多晶硅的照片，圆盘外径依次为 10mm、 5mm、 2.5mm、1.25mm和 0.5mm。其中外径为 1.25mm的圆盘中心小圆孔直径约 110μ m，外径为 0.5mm的圆盘中心小圆孔直径约为 45μ m，该技术已经用于太阳能电池的钻孔应用中。 （ a） 50 倍，外径 10mm （ b） 50 倍，外径 5mm （ c） 50 倍，外径 2.5mm （ d） 200 倍，外径 1.25mm （ e） 200 倍，外径 0.5mm 图 11 激光切割 0.18mm厚多晶硅 （ a） 50 倍，外径 5mm圆盘 （ b）局部放大照片 图 12 激光切割 0.38mm厚单晶硅 图 12 和图 13 所示分别为切割 0.38mm厚和 0.6mm厚的单晶硅片，可以看到，采用这种加工方法具有较小的热影响区和较少的飞溅物，没有裂纹产生。 图 13 激光切割 0.6mm厚单晶硅 4 结论 利用自主研发的紫外激光微加工设备， 系统研究了激光功率密度、 重复频率、 扫描次数、径 45μ m，加工精度 20小的热影响区和较少的飞溅物，没有裂纹产生。 。 参考文献 ， and Corey DUNSKY ， et al. 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