水射流导引激光在微细加工中的应用

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1、第5期微细加工技术No．52008年1O月MICROFABRICATIONTECHNOLOGYOct．，2008’l文章编号：1003．8213(2008)05．0060．05水射流导引激光在微细加工中的应用蔡黎明，雷玉勇，邴龙健，唐令波(西华大学机械工程与自动化学院特种加工研究所，成都610039)摘要：研究应用水射流导引激光技术切割加工半导体材料5-．艺，并与传统切割工艺进行了比较。用25m的水射流和波长为1064nm的钇铝石榴石红外线激光源切割一个+125m的砷化镓晶片，典型的切割速度是40mm／s，切口宽度23m，切边无碎片和边

2、角损坏。与锯片切割相比，其加工速度高达5倍。实验发现，水射流导引激光切割工件温度在160℃以下，晶圆加工表面基本无碎片、毛刺产生。通过对晶圆切片的3点弯曲进行试验发现，对于125“m厚的硅晶圆而言，在同等切痕宽度的情形下，微水射流导引激光切片断裂强度比锯片切片在正反两面都要高50％左右。结果表明，水射流导引激光切割技术可以大幅提高晶圆加工的效率、质量和可靠性。关键词：水射流导引激光；激光微水射流；微细加工；切割；半导体中图分类号：TN2文献标识码：A1引言焦镜头随着微器件形状的多样化和新材料的大量采用，传统激激光进行全反射／光加工技术的

3、一些弊端也逐渐显露出来，一个典型的例子就是砷化镓(GaAs)的加工，因此，急需开发新型微细加工技术和方法。1993年，瑞士联邦科技研究所科学家在洛桑应用光学协会上宣告了水射流导引激光(waterjetguidedlaser)技术(亦称之为激光微射流(1aser-microjet，LMJ)E1j的诞生。最初，水射图1水射流导引激光示意图流导引激光加工主要是用于减少切割区域附近的热效应，但事实上用水射流取代传统激光切割中的辅助气体束流还有很影响水射流导引激光加工的关键之一是具有稳定的水射多别的优点，特别是在微电子和半导体制造行业，被证明是有

4、流。由于喷嘴附近水流的缩水现象、压力和水流内部紊乱以效且可靠的。及表面的不稳定性，使得对喷嘴直径、水压以及加工工件到喷2水射流导引激光技术简介嘴的距离(靶距)等参数有一定的要求。图2为射流流速与破碎长度(射流发生破碎点到喷嘴出口之间的长度)之间的关水射流导引激光技术利用蓝宝石或钻石喷嘴(直径系。由图可以看出，喷嘴直径越大，破碎长度的幅值就越高，+30／zm，+5om，+75肚m，+1ootLm，夺150／zm)在恒压(50Pa～但在微细加工中，为了保证切痕宽度，往往选用较小直径的喷500Pa)状态下产生一束稳定水射流，同时将激光聚焦于喷

5、嘴嘴(30m一50m)。在加工过程中，喷嘴到工件的实际加工人口，通过窗口经水射流喷嘴被引入水束中，在水和空气的接距离要远小于破碎长度。触表面进行全反射，从而引导激光束作用于被加工工件(其原激光在水射流中的损耗率和传输率是影响水射流导引激理类似于光纤的传输)，如图1所示。水射流能够引导不同波光加工的另一关键问题。为了减少激光在水束中传播的能量长的激光，并消除了传统的激光加工必须要调焦的问题。衰减，流体介质一般使用脱气或二次过滤后的纯净水。这样2．1水射流导引激光关键技术做的好处不仅在于减少了水对激光部分能量的吸收，而且也水射流导引激光技术

6、是水射流与激光技术的完美结合，使得激光束的传播距离缩短，减小了传播过程中能量的损耗。因此它的关键是水射流的产生和激光的选用与聚焦等。另一方面，由于水对不同波长激光的吸收率不同，因此对激光收稿日期：2008—01—09；修订日期：2008—07—01基金项目：人事部留学人员科技活动项目择优资助项目(07202081)；西华大学重点学科建设项目(SBZD0703—1)作者简介：蔡黎明(1982一)，男，浙江省湖州市人，硕士，主要研究方向为机电一体化技术。第5期蔡黎明等：水射流导引激光在微细加工中的应用61镓和硅材料为例，比较分析水射流导引激

7、光加工的性能。3．1水射流导引激光切割的效率对于GaAs晶圆加工方法一般有三种：金刚石锯片锯、划线折断和水射流导引激光加工技术。由于砷化镓的特殊性，加工硅晶片的一些方法将是不利的。如表1所示金刚石锯片誊loo切割GaAs芯片的宽度必须是比较大的，其切痕也要变宽，这甏将会减少每个芯片上晶片的数量，由于机械约束的存在，芯片()边角会变得容易碎裂，从而导致芯片报废。一般为了得到所】O0300500需的切割质量，锯的加工速度不得不降低在3mm／s～射流速度／(nl·s)12mm／s，由于晶片厚度的影响不得不考虑减慢整个加工过程。图2射流速度与破

8、碎长度曲线图表1比较三种加工方法加工GaAs晶圆类型就需要进行选择。由图3可以看出，在窗1：3区域水对激光的吸收率较小，因此被使用的激光一般为红外激光，波长为1064nm钇铝石榴石(Nd：YAG)，激光波长