355nm全固态紫外激光切割硅片的研究.pdf

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45μm，加工精度20μm。 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： hustlaserzf@smail.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：duans@mail.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。