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激光分束提高半导体材料加工效率

作者: 时间:2021-07-23

2019年半导体行业持续低迷,对比2018年跌幅超过12%2020年开始疫情影响全球各行各业,但半导体行业却乘势而起,2020年涨幅超过5%2021年涨幅超过8%,因此造成了“一芯难求“的市场行情。受到供求关系的影响,芯片的价格持续走高,对芯片的需求越来越大。如何在现有技术上做提升,提高生产效率,是每个研发机构和公司研发组织非常关注的课题。这不仅仅是出于技术更新的需要,也是企业更好生存发展的要求。



激光分束加工系统举例:

Holoor的激光分束器将一束光源扩展成二维点阵排列分布,一个点就是一个加工光源,相对于由普通激光器+聚焦镜形成的系统来讲,极大提高了加工效率。根据目前已知的技术,已有可行的技术方案。包括还应用于半导体或钢材表面的激光表面纹理(表面纹理、激光表面加工)技术,高效率钎焊(分束钎焊)等。

激光表面织构的光学系统及效果图如下,主要光学元件包含光源+透镜+分束器DOE


高效率钎焊(分束钎焊)的典型光学原理如下图。传统激光加工光路包含一个激光源+多个透光镜与反光镜的组合,通过偏振分光原理,在系统上输出多点光束,一般是一维点阵。缺点是体积较大,系统较复杂。而激光分束器DOE加工系统光路的结构比较简单,通过衍射折射原理,可以用来产生二维点阵排布,应用的范围更广。


不仅仅于此,分束也可用于显微领域。比如:多焦点差分非线性光学显微成像的方法可以同时应用于 双光子激发荧光显微成像 与 二次谐波显微成像 系统中。这种方法不依赖于样品特殊的荧光特性,应用范围更为广泛,理论上可以应用于任何基于点扫描方式的显微成像中。

分束器的应用越来越广泛,因为:

1) 系统结构紧凑;

2) 对入射光的要求不敏感(支持单模或多模和);

3) 加工效率相对于传统加工方法,有很大提高。




激光加工的应用举例:

那么,激光加工技术对于半导体究竟有着什么作用呢?激光器加工的激光源可以是准分子激光器,也可以是固体激光器;可以是光纤激光器,也可以是半导体激光器。激光对半导体加工(或芯片加工)的应用很广,主要有激光切割、激光打孔、激光焊接、激光打标、激光表面纹理、激光系统测量等等。

激光打在半导体表面主要存在几种光电效应:热传导、载流子耦合扩散、光化学、表面热蒸发等等。通过选择合理的光学系统加工材料是很重要的。比如,采用飞秒脉冲激光(波长800nm90fs1kHz)烧蚀来诱导产生直径几百nm的硅微结构,形成的孔分布均匀,孔径大约为 400nm700nm,如下图。

准分子激光器有五种常见的波长的激光器:157nm F₂激光器、193nm ArF激光器、248nm KrF激光器、308nm XeCl激光器、351nm XeF激光器。其中氮化铝AlN(带隙能量6.3eV)对193nm(6.4eV)强烈吸收,而蓝宝石(带隙能量9.9eV)不受影响,可在接触面进行氮化铝与蓝宝石的激光剥离;氮化镓(带隙能量3.3eV)对248nm强烈吸收,蓝宝石不受影响,可在接触面进行氮化稼与蓝宝石的激光剥离。



结论:

随着半导体材料的需求增加,对半导体材料加工的技术更新要求越来越高,利用分束器可以提高加光加工效率。





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