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【摘要】近年来，LED行业发展迅速，尤其是深紫外LED研发及应用已经吸引越来越多的关注。本文利用355nm固态紫外激光加工设备，系统研究了激光功率密度、重复频率、切割速度、单脉冲能量等工艺参数切割倒装器件的0.22mm 厚单晶硅片的外观和效率的影响规律。结果表明，工艺采用双面切割，并只能采用正面裂片方式，背切速度92mm/s，正切速度98mm/s，激光功率1.30w，PRF=130KHZ，可达到最优裂片效果。
【关键词】深紫外LED;激光切割;单晶硅
1.深紫外LED结构特点
首先，深紫外LED后道工艺中的划裂工艺，难点是：由于深紫外LED（波长为280nm）其发出的紫外光会被正面P-GaN层吸收，所以深紫外LED只能由背面出光，在制程工艺中，必须采用倒装方式。这就使后续划裂工艺中，必须采用正裂片方式进行，以避免损伤器件。
目前，工业上选用的理想的倒装材料为单晶硅。它是典型的共价键结合的材料，硬度高、脆性很大，很难加工。为了提高加工精度和质量，采用紫外激光来进行划片。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，特别是近年来迅速发展起来的全固态紫外激光器，重复频率高、性能可靠、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，短波长激光加工硅片的研究和报道的文献较少。本文利用紫外激光划片设备对深紫外LED划硅片工艺进行了深入的研究。
2.实验设备与材料
2.1实验设备
实验设备激光器采用355nm全固态紫外激光器，最大平均功率2W，重复频率90-150kHz，光学系统由扩束镜、全反射镜和聚焦镜组成。工作台最高速度100mm/s，XY平台定位精度为±3um，XY平台重复精度为±1um，平台旋转精度为±0.001°，定位检测分辨率为±0.5um。
2.2实验材料和实验方法
本工艺采用厚度为220um的2英寸Si片深紫外LED倒装载体，Si载体通过电镀技术形成倒装图形，深紫外LED通过倒装技术与Si衬底焊接成一体。根据Si衬底的图形，利用紫外激光划片，然后使用裂片机由正面裂片，裂片完成后，从剖面测量切割深度，观察裂片效果及外观，对比激光器参数、切割速度、切割深度对芯片外观质量的影响。
3.实验结果分析
3.1 单面与双面划片对深紫外LED裂片外观影响
若采用单面划片，激光器频率PRF为120KHz，PWF=700，激光扫描速度为50mm/s，激光器功率测量为1.34w，硅片切深为105um。裂片后，外观参差不齐，造成硅片乱裂较多，影响产品良率。所以对深紫外LED倒装后，划片工艺采用双面切割。
3.2 激光功率深紫外LED倒装硅片的划裂影响
保持PRF=120KHz，保持激光束扫描速度背划80mm/s、正划85mm/s不变，改变PWF值(400-1000)。⑴PWF=400，激光功率0.33W，激光功率较低，对硅片刻蚀深度较低，激光能量不足以使Si气化，造成裂片存在斜裂现象，并且可以看出Y轴方向裂片完全未按切割道裂开；⑵PWF=700，激光功率1.36W，激光功率升高后，对硅片刻蚀深度明显增大，裂片时Y轴方向未按切割道裂片情况明显减少，但是有部分芯片斜裂；⑶PWF=1000，激光功率1.80W，可以看出，将功率继续到最高后，对硅片的刻蚀也继续增大，但裂片后乱裂却更加严重，功率过高刻蚀硅片时，使硅片熔融回填较多，冷却后与晶圆熔为一体，使切割道更为坚固，裂片时无法按照原先切割道裂片，造成较多的乱裂、斜裂。
3.3 激光频率PRF对深紫外LED划裂片的影响
保持PWF=700，保持激光束扫描速度背划80mm/s、正划85mm/s不变，改变重复频率(90kHz-150kHz)。⑴频率为90kHz时，激光功率1.67w，可以看出平均功率过高，又会出现严重的熔融回填现象，使造成较多乱裂、斜裂；⑵频率为120kHz时，裂片效果与上文4.2.（3）相同；⑶频率为150kHz时，激光功率1.17w，频率过高，使脉冲峰值功率降低，平均功率也较小，使切割硅片的深度不够，造成裂片存在部分斜裂。
3.4 激光扫描速度对深紫外LED划裂片的影响
根据激光功率和频率对硅片切割后的裂片效果，保持频率PRF=120KHz不变，调整PWF=650，激光输出功率为1.30W，对比速度改变时(背切速度50mm/s、70mm/s、90mm/s，正切速度55mm/s、75mm/s、95mm/s)。⑴切割速度为50mm/s时，可以看出切割速度较慢，激光刻蚀硅片时间相对较长，刻蚀较深，激光密度较大，造成较多乱裂、斜裂；⑵切割速度为70mm/s时，切割速度增加后，减少了激光作用时间，即激光密度相对减小，刻蚀深度变浅，裂片后斜裂明显减小，但裂片仍存在未按切割道裂片的现象；⑶切割速度为90mm/s时，切割速度继续增加，对硅片的刻蚀程度进一步降低，虽然切深降低，但有效减少了因激光密度过高造成材料熔融回填，裂片效果及切割效率可以达到较好效果，只有少许崩边现象。
3.5 激光功率、激光频率与切割速度共同影响
激光功率、激光频率和切割速度共同决定了切割中晶圆获得能量的多少，即共同决定了切割深度和切缝宽度。另一方面激光以脉冲方式工作，利用极高能量密度在瞬间熔化和气化材料，在晶圆上打一系列连续的孔从而实现切割。因此在实际且各种要根据输入能量和重叠率来合理的选择参数来搭配。根据上述各项参数的试验结果，激光频率130KHz下，可达最大切深，为达到最优生产效率并避免激光密度过高，进一步提高速度背划速度92mm/s、正划速度98mm/s，优化PWF=650，测得激光平均功率1.30W，在此参数下对正式片进行划裂工艺，得到了良好的外观及效率。
4.结论
对于划片切割工艺，针对不同的材料(蓝宝石、碳化硅等)以及厚度会采用不同的划裂参数。在此试验中，用紫外激光对深紫外LED这种特殊情况的晶圆切割进行了测试，测得不同的激光功率、频率和速度下对切割深度和切缝宽度的影响，以及最终裂片效果和效率。对其做出理论分析，对实际应用中参数的选择和工艺的改进提供了参考和依据。另外还依据实验结果分析来选择合适的参数，对深紫外LED样品进行切割，取得了良好的效果。 [科]
【参考文献】
［１］Tom CORBOLINE，Edward C.REA，and Corey DUNSKY.High Power UV Laser Machining of Silicon Wafers [C].SPIE.2003:495-500.
［２］Mingwei Li，Kevin Hartke.Study of silicon micromachining using diode-pumped solid-state lasers[C].SPIE.2004: 64-72.
［３］崔建丰，赵晶，樊仲维等．厚硅片的高速激光切片研究[J]．光学精密工程. 2006，14(5):829-834.
［４］管自生，张强．激光刻蚀硅表面的形貌及其对浸润性的影响[J]．化学学报. 2005，63(10):880-884.
【关键词】深紫外LED;激光切割;单晶硅
1.深紫外LED结构特点
首先，深紫外LED后道工艺中的划裂工艺，难点是：由于深紫外LED（波长为280nm）其发出的紫外光会被正面P-GaN层吸收，所以深紫外LED只能由背面出光，在制程工艺中，必须采用倒装方式。这就使后续划裂工艺中，必须采用正裂片方式进行，以避免损伤器件。
目前，工业上选用的理想的倒装材料为单晶硅。它是典型的共价键结合的材料，硬度高、脆性很大，很难加工。为了提高加工精度和质量，采用紫外激光来进行划片。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，特别是近年来迅速发展起来的全固态紫外激光器，重复频率高、性能可靠、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，短波长激光加工硅片的研究和报道的文献较少。本文利用紫外激光划片设备对深紫外LED划硅片工艺进行了深入的研究。
2.实验设备与材料
2.1实验设备
实验设备激光器采用355nm全固态紫外激光器，最大平均功率2W，重复频率90-150kHz，光学系统由扩束镜、全反射镜和聚焦镜组成。工作台最高速度100mm/s，XY平台定位精度为±3um，XY平台重复精度为±1um，平台旋转精度为±0.001°，定位检测分辨率为±0.5um。
2.2实验材料和实验方法
本工艺采用厚度为220um的2英寸Si片深紫外LED倒装载体，Si载体通过电镀技术形成倒装图形，深紫外LED通过倒装技术与Si衬底焊接成一体。根据Si衬底的图形，利用紫外激光划片，然后使用裂片机由正面裂片，裂片完成后，从剖面测量切割深度，观察裂片效果及外观，对比激光器参数、切割速度、切割深度对芯片外观质量的影响。
3.实验结果分析
3.1 单面与双面划片对深紫外LED裂片外观影响
若采用单面划片，激光器频率PRF为120KHz，PWF=700，激光扫描速度为50mm/s，激光器功率测量为1.34w，硅片切深为105um。裂片后，外观参差不齐，造成硅片乱裂较多，影响产品良率。所以对深紫外LED倒装后，划片工艺采用双面切割。
3.2 激光功率深紫外LED倒装硅片的划裂影响
保持PRF=120KHz，保持激光束扫描速度背划80mm/s、正划85mm/s不变，改变PWF值(400-1000)。⑴PWF=400，激光功率0.33W，激光功率较低，对硅片刻蚀深度较低，激光能量不足以使Si气化，造成裂片存在斜裂现象，并且可以看出Y轴方向裂片完全未按切割道裂开；⑵PWF=700，激光功率1.36W，激光功率升高后，对硅片刻蚀深度明显增大，裂片时Y轴方向未按切割道裂片情况明显减少，但是有部分芯片斜裂；⑶PWF=1000，激光功率1.80W，可以看出，将功率继续到最高后，对硅片的刻蚀也继续增大，但裂片后乱裂却更加严重，功率过高刻蚀硅片时，使硅片熔融回填较多，冷却后与晶圆熔为一体，使切割道更为坚固，裂片时无法按照原先切割道裂片，造成较多的乱裂、斜裂。
3.3 激光频率PRF对深紫外LED划裂片的影响
保持PWF=700，保持激光束扫描速度背划80mm/s、正划85mm/s不变，改变重复频率(90kHz-150kHz)。⑴频率为90kHz时，激光功率1.67w，可以看出平均功率过高，又会出现严重的熔融回填现象，使造成较多乱裂、斜裂；⑵频率为120kHz时，裂片效果与上文4.2.（3）相同；⑶频率为150kHz时，激光功率1.17w，频率过高，使脉冲峰值功率降低，平均功率也较小，使切割硅片的深度不够，造成裂片存在部分斜裂。
3.4 激光扫描速度对深紫外LED划裂片的影响
根据激光功率和频率对硅片切割后的裂片效果，保持频率PRF=120KHz不变，调整PWF=650，激光输出功率为1.30W，对比速度改变时(背切速度50mm/s、70mm/s、90mm/s，正切速度55mm/s、75mm/s、95mm/s)。⑴切割速度为50mm/s时，可以看出切割速度较慢，激光刻蚀硅片时间相对较长，刻蚀较深，激光密度较大，造成较多乱裂、斜裂；⑵切割速度为70mm/s时，切割速度增加后，减少了激光作用时间，即激光密度相对减小，刻蚀深度变浅，裂片后斜裂明显减小，但裂片仍存在未按切割道裂片的现象；⑶切割速度为90mm/s时，切割速度继续增加，对硅片的刻蚀程度进一步降低，虽然切深降低，但有效减少了因激光密度过高造成材料熔融回填，裂片效果及切割效率可以达到较好效果，只有少许崩边现象。
3.5 激光功率、激光频率与切割速度共同影响
激光功率、激光频率和切割速度共同决定了切割中晶圆获得能量的多少，即共同决定了切割深度和切缝宽度。另一方面激光以脉冲方式工作，利用极高能量密度在瞬间熔化和气化材料，在晶圆上打一系列连续的孔从而实现切割。因此在实际且各种要根据输入能量和重叠率来合理的选择参数来搭配。根据上述各项参数的试验结果，激光频率130KHz下，可达最大切深，为达到最优生产效率并避免激光密度过高，进一步提高速度背划速度92mm/s、正划速度98mm/s，优化PWF=650，测得激光平均功率1.30W，在此参数下对正式片进行划裂工艺，得到了良好的外观及效率。
4.结论
对于划片切割工艺，针对不同的材料(蓝宝石、碳化硅等)以及厚度会采用不同的划裂参数。在此试验中，用紫外激光对深紫外LED这种特殊情况的晶圆切割进行了测试，测得不同的激光功率、频率和速度下对切割深度和切缝宽度的影响，以及最终裂片效果和效率。对其做出理论分析，对实际应用中参数的选择和工艺的改进提供了参考和依据。另外还依据实验结果分析来选择合适的参数，对深紫外LED样品进行切割，取得了良好的效果。 [科]
【参考文献】
［１］Tom CORBOLINE，Edward C.REA，and Corey DUNSKY.High Power UV Laser Machining of Silicon Wafers [C].SPIE.2003:495-500.
［２］Mingwei Li，Kevin Hartke.Study of silicon micromachining using diode-pumped solid-state lasers[C].SPIE.2004: 64-72.
［３］崔建丰，赵晶，樊仲维等．厚硅片的高速激光切片研究[J]．光学精密工程. 2006，14(5):829-834.
［４］管自生，张强．激光刻蚀硅表面的形貌及其对浸润性的影响[J]．化学学报. 2005，63(10):880-884.