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晏詩(shī)戀 銷售工程師

供稿/相干公司

在半導(dǎo)體微電子生產(chǎn)、顯示屏制造、醫(yī)療設(shè)備制造以及其它諸多工業(yè)領(lǐng)域中，企業(yè)對(duì)更高精度的精密加工的需求日益上升。具體而言，這意味著在對(duì)部件進(jìn)行切割、鉆孔和打標(biāo)時(shí)，加工部件的尺寸更小，加工精度要求更高，加工過(guò)程中對(duì)周圍材料的影響更少。在過(guò)去，多數(shù)精密加工應(yīng)用都依賴于納秒激光器或紫外激光器（或兩者兼?zhèn)洌?。但是，這些傳統(tǒng)激光器并不能一直滿足上述日益更新且愈加嚴(yán)苛的應(yīng)用需求。因此，一些應(yīng)用正依靠采用超快（皮秒或飛秒）激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)這些效果。本文將介紹超快加工的優(yōu)勢(shì)，并重點(diǎn)說(shuō)明其在玻璃和硅晶圓切割方面的應(yīng)用。 

超快加工的優(yōu)勢(shì) 

微加工旨在以較高的精度加工出微米量級(jí)的成果，如圓孔、凹槽和打標(biāo)等，同時(shí)避免對(duì)周圍材料造成熱損傷。即在實(shí)現(xiàn)精密、冷切割和打標(biāo)的同時(shí)，最大程度地縮小熱影響區(qū)域(HAZ)。 

激光通過(guò)兩種作用機(jī)理對(duì)材料進(jìn)行精密鉆孔、劃線、切割或打標(biāo)。許多傳統(tǒng)應(yīng)用依賴于紅外和可見(jiàn)光調(diào)Q激光器，此類激光器脈寬約為幾十納秒，通過(guò)光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)去除材料，我們稱之為“熱燒蝕”。加工過(guò)程中，激光聚焦在微小空間內(nèi)充當(dāng)熱源，靶材被迅速加熱，最終蒸發(fā)（本質(zhì)上為汽化）。 

這種作用機(jī)理的優(yōu)點(diǎn)是能夠快速去除相對(duì)大量的目標(biāo)材料。此外，納秒激光器技術(shù)已頗為成熟；這些激光源具有較高的可靠性，同時(shí)兼具購(gòu)置成本低廉的特點(diǎn)，極具吸引力。但是，對(duì)于一些要求非常嚴(yán)苛的應(yīng)用，由于外圍存在較大熱影響區(qū)域(HAZ)損傷（例如表面涂層剝離和微裂紋問(wèn)題）和/或再生余料，可能會(huì)限制其應(yīng)用。 

最大程度地減小HAZ范圍的方法之一是，采用紫外光納秒激光器取代可見(jiàn)光或近紅外激光器。紫外光可被大多數(shù)材料高效吸收。這使得激光透入零件的厚度不至于過(guò)深，從而減小熱影響區(qū)域。 

第二種激光去除材料機(jī)制運(yùn)用的是光燒蝕原理。這種方法可以通過(guò)超快激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檩^短的脈寬能夠產(chǎn)生極高的峰值功率（達(dá)到兆瓦或以上）。極高的峰值能量密度可以促進(jìn)多光子吸收，將電子從材料中激發(fā)，形成自由電子，隨后由于庫(kù)倫斥力而產(chǎn)生微爆以實(shí)現(xiàn)材料去除。由于光燒蝕直接破壞了材料結(jié)合的分子鍵或原子鍵，而不是依靠加熱進(jìn)行去除，因此從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，這并不是熱破壞過(guò)程。此外，對(duì)于超快脈沖，由于材料與激光的作用時(shí)間非常短，有效避免了熱傳導(dǎo)效應(yīng)，使得周圍區(qū)域能夠保持冷卻狀態(tài)。同時(shí)氣化粒子將大量殘余能量帶走，從而大大減小了熱影響區(qū)域。因此，這種干凈的燒蝕過(guò)程不會(huì)殘留再生材料，從而省去了復(fù)雜的后加工，我們稱之為“冷燒蝕”。

圖1：超快激光和長(zhǎng)脈沖激光加工機(jī)理對(duì)比 

超快加工的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，它可以應(yīng)用于非常廣泛的材料，例如玻璃、藍(lán)寶石和某些聚合物等，這些材料的線性光吸收能力較低，因此難以使用現(xiàn)有的激光器進(jìn)行加工。確切地說(shuō)，這種技術(shù)具有“波長(zhǎng)免疫性”，也就是說(shuō)，無(wú)論何種波長(zhǎng)，即使材料對(duì)該激光波長(zhǎng)是透明的，非線性吸收也會(huì)引起光和物質(zhì)相互作用。 

當(dāng)然，超快加工也有一個(gè)不利因素，此加工去除材料的效率非常低，并且超快激光器比長(zhǎng)脈沖激光器價(jià)格更昂貴。因此，只有針對(duì)要求加工精度和質(zhì)量極高，HAZ范圍小的應(yīng)用，才會(huì)考慮采用超快加工方式。

圖2：納秒激光器（左圖）和皮秒激光器（右圖）加工200 µm直徑的不銹鋼鉆孔對(duì)比圖。皮秒激光器能夠加工出更整齊的鉆孔，產(chǎn)生的廢料更少，且HAZ更小。

打造可靠的工業(yè)級(jí)皮秒激光器 

綜合來(lái)看，與其它激光器甚至非激光加工設(shè)備相比，超快激光器必須擁有頗具競(jìng)爭(zhēng)力的成本、可靠性和易用性，才可為大多數(shù)工業(yè)用戶帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的效益。相干公司在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中采取了多項(xiàng)措施，以確保達(dá)到上述目的。 

首先是采用充足的余量設(shè)計(jì)。具體而言，激光器設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了較大的提升空間，因此即使個(gè)別元件偏離其預(yù)定值，整套設(shè)備也能夠正常運(yùn)行。此外，這種設(shè)計(jì)還可以確保，即使部分光學(xué)器件隨著時(shí)間推移發(fā)生老化（如鏡面反射率降低或光學(xué)鏡架發(fā)生機(jī)械變形），激光器的輸出也能保持在預(yù)定的指標(biāo)范圍內(nèi)。 

其次，激光器在潔凈室內(nèi)完成組裝，并進(jìn)行了嚴(yán)格密封，以防止污染物進(jìn)入腔內(nèi)。同時(shí)，相干公司高質(zhì)量的品質(zhì)管控，在選擇腔內(nèi)部件時(shí)非常謹(jǐn)慎，以確保在抽真空的過(guò)程中激光器腔內(nèi)不會(huì)受到污染。 

另外，相干公司非常重視產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)計(jì)，最大程度地減少使用可調(diào)節(jié)鏡架，盡可能避免其因?yàn)闀r(shí)間推移而發(fā)生形變的可能。另外，每臺(tái)設(shè)備都會(huì)接受100 g以上的沖擊試驗(yàn)。如果輸出功率由于沖擊試驗(yàn)而有所變化，則判定產(chǎn)品不合格，并會(huì)分析具體的問(wèn)題成因。 

最后，相干公司還采用高精度的冷卻器將激光器的溫度波動(dòng)控制在0.1°C，以確保其輸出功率的穩(wěn)定性。 

上述種種措施成就了這些產(chǎn)品擁有極高的可靠性。來(lái)自客戶的報(bào)告表明，即使是在24/7無(wú)間斷的工作狀態(tài)下，這些系統(tǒng)正常運(yùn)行的可靠率仍然高于98%。 

相干公司的工業(yè)超快激光器采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——“Burst Mode”操作模式，對(duì)于某些應(yīng)用是一種更有效的的工作方式。在“Burst Mode”工作模式下，激光器會(huì)輸出連續(xù)的脈沖串（最多可達(dá)10個(gè)），而不是單一的脈沖。 

“Burst Mode”的優(yōu)點(diǎn)在于，在特定的情況下，即使保持在恒定的平均功率下，它可以顯著提高燒蝕率（單位時(shí)間內(nèi)去除的材料量）。例如，測(cè)試結(jié)果表明，特定條件下，使用五個(gè)連續(xù)脈沖串來(lái)代替單一脈沖，可以使燒蝕率提高5到10倍。 

“Burst Mode”功能有效地提高了激光加工能力，并大大拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。該模式已被證明在加工導(dǎo)體材料（如鋼和硬質(zhì)合金）時(shí)非常有效。相反，在加工絕緣體材料（如陶瓷和玻璃）時(shí)，“Burst Mode”的優(yōu)勢(shì)則相對(duì)有限。 

應(yīng)用 

憑借超快加工的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，這些激光器目前已被廣泛用于精密微加工。其中包括LED劃片、藍(lán)寶石切割、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴嘴和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻板鉆孔、生物過(guò)濾器的鉆孔和結(jié)構(gòu)制備、FR-4樹脂切割和鉆孔、低溫共燒陶瓷(LTCC)和高溫共燒陶瓷(HTCC)切割和鉆孔，以及不銹鋼和銅等金屬微加工。 

蘇州德龍激光有限公司幾年前開始使用相干公司的皮秒激光器進(jìn)行半導(dǎo)體晶圓切割和玻璃切割。該公司的美國(guó)地區(qū)銷售經(jīng)理Joshua Zhao介紹了激光器的應(yīng)用情況和已經(jīng)取得的相關(guān)業(yè)績(jī)。“晶圓切割實(shí)際上可以通過(guò)兩種不同的方式來(lái)完成。第一種被稱為表面切割，將激光束聚焦在晶圓表面的間隔區(qū)域（電路元件之間的空白區(qū)域）。首先使用激光在晶圓表面劃線，隨后再通過(guò)機(jī)械裂片來(lái)分離各個(gè)芯片。第二種被稱為隱形切割。這種方法將激光束聚焦在晶圓內(nèi)部，進(jìn)行激光劃片，隨后再通過(guò)機(jī)械裂片分離各個(gè)芯片。” 

“以前，我們使用355 nm納秒激光器進(jìn)行激光劃片，而現(xiàn)在，我們轉(zhuǎn)而采用相干公司的1064 nm皮秒激光器進(jìn)行隱形切割。這項(xiàng)改進(jìn)使我們獲益匪淺：首先，皮秒激光器所產(chǎn)生的熱影響區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于納秒激光器。這就使得切割間隔區(qū)域從25 µm減少到了14 µm。這樣，相同尺寸的晶圓上可以獲得更多數(shù)量的芯片，從而提升了產(chǎn)出率。同時(shí)，失效的產(chǎn)品數(shù)量也大大減少，提升了產(chǎn)品的良率，從而減少了資源浪費(fèi)。此外，我們的加工效率也顯著加快。例如，納秒激光器每小時(shí)可以加工15片晶圓，用于生產(chǎn)10 mil × 23 mil大小的芯片，而皮秒激光器每小時(shí)可以加工23片晶圓。而且，我們還可以加工更厚的晶圓；以前的納秒激光器最多只能切割100 µm厚的晶圓，而現(xiàn)在我們可以切割200 µm厚的晶圓。”

圖3. 使用皮秒激光器隱形切割碳化硅晶圓的結(jié)果（在機(jī)械裂片之前）。 

蘇州德龍激光有限公司另一個(gè)重要的皮秒加工應(yīng)用是玻璃切割。隨著觸摸屏手機(jī)和平板電腦市場(chǎng)的迅猛增長(zhǎng)，玻璃切割引起人們極大的關(guān)注。觸摸屏玻璃切割有兩個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。首先是傾向于使用更薄的玻璃基板，以盡量減輕顯示屏的總重量。其次是需要在玻璃中切割彎曲的形狀，而不是簡(jiǎn)單的直線，以實(shí)現(xiàn)倒角，以及更復(fù)雜的屏幕幾何形狀切割。 

隨著顯示屏玻璃日益變薄，產(chǎn)品仍需保留抗摔性、耐用性和抗壓性（針對(duì)觸摸屏），這一點(diǎn)至關(guān)重要。典型的LCD觸摸屏實(shí)際上包含四個(gè)玻璃疊層。頂層（外層）通常是700 µm厚的防護(hù)玻璃罩。為了最大限度地減少劃傷和破損的風(fēng)險(xiǎn)，頂層玻璃通常采用化學(xué)處理進(jìn)行強(qiáng)化（康寧公司生產(chǎn)的Gorilla® Glass、旭化成公司生產(chǎn)的Dragontrail和肖特公司生產(chǎn)的Xensation均屬于這一類型的玻璃）。這一強(qiáng)化層的厚度通?？梢赃_(dá)到幾十微米。 

傳統(tǒng)的機(jī)械切割方式不適合切割厚度在1 mm以下的玻璃，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生微裂紋，形成碎片，并在切割邊緣留下明顯的機(jī)械應(yīng)力殘余。所有這些問(wèn)題都需要通過(guò)進(jìn)一步的后加工來(lái)處理。強(qiáng)化玻璃就更難處理，因?yàn)閺?qiáng)化玻璃很難進(jìn)行機(jī)械切割，無(wú)法實(shí)現(xiàn)很高的切割速度。 

使用二氧化碳和納秒固體激光器進(jìn)行玻璃切割已經(jīng)在顯示屏行業(yè)取得了良好的應(yīng)用。這些激光器均可產(chǎn)生顯著優(yōu)于機(jī)械切割的效果，但仍有一定的局限性，特別是對(duì)于非常薄的玻璃（厚度<300 µm）來(lái)說(shuō)尤其如此。Joshua Zhao指出，“我們發(fā)現(xiàn)采用相干公司的1064nm皮秒激光器，切割玻璃時(shí)所造成的邊緣裂紋僅為30 µm左右，而納秒激光器所造成的玻璃裂紋約為100 µm。而且，當(dāng)我們僅進(jìn)行直線切割時(shí)，皮秒激光器所造成的裂紋長(zhǎng)度只有大約10 µm。這就使得成品玻璃的邊緣強(qiáng)度更高，在使用過(guò)程中具有更強(qiáng)的抗裂性。此外，與我們考慮的其他幾種皮秒激光器相比，相干公司的激光器還有幾個(gè)非常實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，包括功率穩(wěn)定性更佳和宕機(jī)時(shí)間更少，以及在中國(guó)更完善的客戶支持服務(wù)。”

圖4. 使用納秒激光器（左圖）和皮秒激光器（右圖）切割玻璃的橫截面。使用皮秒激光器進(jìn)行切割具有更少的微裂紋和殘留碎片。 

總之，新一代的可靠、高功率、工業(yè)超快激光器可以實(shí)現(xiàn)更高精度的微加工，并得以應(yīng)用到更多工業(yè)領(lǐng)域中。這項(xiàng)技術(shù)預(yù)計(jì)將對(duì)微電子制造、醫(yī)療設(shè)備制造和汽車生產(chǎn)等行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。