激光技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用

韓仲夏

（天津三安光電有限公司，天津 300000）

半導(dǎo)體行業(yè)是電子信息產(chǎn)業(yè)中的一部分，它是以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一個(gè)產(chǎn)業(yè)。半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)社會(huì)的發(fā)展起著重要的積極作用，將激光技術(shù)應(yīng)用到半導(dǎo)體行業(yè)中更能促進(jìn)其轉(zhuǎn)型發(fā)展，融入世界發(fā)展潮流。

1 激光技術(shù)

激光是一種由于刺激而產(chǎn)生輻射強(qiáng)化的光，它具有亮度高、單色性好、方向性好等特點(diǎn)。它的高亮度體現(xiàn)在一臺(tái)較為普通的紅寶石激光器發(fā)出的激光亮度比太陽亮度都會(huì)高7個(gè)數(shù)量級(jí)；高強(qiáng)度體現(xiàn)在存在于地球上的任何一種材料，不管其熔點(diǎn)多么高，在強(qiáng)激光的照射下不超過3 s即可開始?xì)饣?，而無論是什么金屬或鉆石，激光都可以在其身上打孔。單色光是只具有單一頻率的光波。激光不同于普通光，普通光屬于自發(fā)輻射非相干光，而激光屬于受激輻射相干光。

激光技術(shù)是興起于20世紀(jì)60年代的新型技術(shù)，其誕生標(biāo)志為一臺(tái)紅寶石激光器的研制問世，如今，我國已開發(fā)出將近30種激光加工技術(shù)。激光接近于單色光波，頻率范圍非常狹窄，但同時(shí)它可以在一個(gè)狹小的空間內(nèi)集中高能量，激光具有單色波長、平行光束和同調(diào)色三大特征。激光技術(shù)大原理為在電管中以光和電流的能量來撞擊特定的晶體或者電子易受激大的物質(zhì)，從而使其自身原子的電子到達(dá)一種高能量狀態(tài)，一段時(shí)間后，這些電子會(huì)回復(fù)到較為穩(wěn)定的低能量狀態(tài)，這時(shí)原子就會(huì)射出光子，從而放出多余的能量；隨后，這些被放出的光子還會(huì)去撞擊其他原子，激發(fā)越來越多的原子產(chǎn)生光子，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，而且光子都會(huì)向著同一個(gè)方向前進(jìn)，從而形成較為集中并向著某個(gè)方向高度集中的光。

激光技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛。它不僅可以應(yīng)用為激光切割技術(shù)、激光加工技術(shù)、激光焊接、激光打孔，還可用于激光手術(shù)、激光武器和激光能源等應(yīng)用中。由于激光的時(shí)間控制性和空間控制性都比較好，對(duì)加工環(huán)境、加工對(duì)象的尺寸、形狀和材料都沒有限制，所以其廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化加工。將激光加工系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)組合應(yīng)用可以構(gòu)成高效自動(dòng)化加工設(shè)備。光是一種頻率很高的電磁波，它的相干性較好，所以它還被當(dāng)作傳遞信息的載波。

目前為止，世界發(fā)明的激光種類多達(dá)幾千種，比如最常見的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光，真空紫外分子激光，高功率激光和自由電子激光等類型。但是，即使激光種類眾多，具有實(shí)用價(jià)值的激光卻不是很多。所以，研究激光技術(shù)的科學(xué)家還在不斷對(duì)于激光的性能、效率的提高和其脈沖寬度的壓縮或輸出頻率的靈活改變進(jìn)行研究，并且不斷取得新的突破[1]。

2 半導(dǎo)體行業(yè)

半導(dǎo)體器件是電子電路中必不可少的組成成分。半導(dǎo)體是人們?yōu)榱松a(chǎn)生活需要，將兩物質(zhì)按照電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分類時(shí)確定的一個(gè)名稱。它的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間。半導(dǎo)體導(dǎo)電性能全是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。以元素半導(dǎo)體硅和鍺為例，其原子序列分別是14和32，它們兩個(gè)最外層電子數(shù)都是4。半導(dǎo)體具有自由電子和空穴兩種載流子。而半導(dǎo)體的性質(zhì)不同于導(dǎo)體和絕緣體，就是因?yàn)榘雽?dǎo)體擁有的載流子數(shù)目不同而載流子是能夠運(yùn)動(dòng)的荷電粒子。電子和空穴都是載流子，它們相互運(yùn)動(dòng)即可產(chǎn)生電流。硅和鍺是最為典型的元素半導(dǎo)體。

根據(jù)構(gòu)成物質(zhì)元素的不同，半導(dǎo)體可分為元素半導(dǎo)體和化合物導(dǎo)體，元素半導(dǎo)體由一種元素構(gòu)成，化合物半導(dǎo)體由多種元素構(gòu)成。而根據(jù)摻雜類型的不同，半導(dǎo)體可分為本征半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體；如果按照原子結(jié)構(gòu)的排列規(guī)則不同，又可分為單晶半導(dǎo)體、多晶半導(dǎo)體和非晶態(tài)半導(dǎo)體。半導(dǎo)體行業(yè)具有技術(shù)密集、資金密集，高風(fēng)險(xiǎn)高回報(bào)和知識(shí)密集等特點(diǎn)。進(jìn)入2010年以來，國家大力支持半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，2011年11月，國家稅務(wù)總局和財(cái)政部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于退還集成電路企業(yè)采購設(shè)備增值稅期末留紙稅額》；2012年4月政府部門又發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步鼓勵(lì)軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展企業(yè)所得稅政策的通知》；而于2014年，工信部又發(fā)布了《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》。近幾年，我國半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展速度超快，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)逐漸呈現(xiàn)向大陸地區(qū)轉(zhuǎn)移的新趨勢，為我國各行業(yè)的發(fā)展帶來設(shè)備國產(chǎn)化的發(fā)展機(jī)遇。而且政府政策大力支持半島體行業(yè)的發(fā)展，大基金入場將會(huì)加速產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，成熟化發(fā)展。半導(dǎo)體具有摻雜特性、熱敏性和光敏性三大特點(diǎn)。

3 激光技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)中的應(yīng)用

3.1 紫外DPSS激光器在LED晶圓劃片中的應(yīng)用

紫光DPSS激光器是一種應(yīng)用于印刷電路板和消費(fèi)電子產(chǎn)品的激光器。由于它的加工重復(fù)性好且可靠性較高，所以廣泛應(yīng)用于表面處理、材料加工和微加工行業(yè)中。這種激光器可以用于塑料、陶瓷和金屬材料的微加工。266 nm和355 nm多倍頻DPSS激光器在紫外波段就可輸出幾瓦的功率、kHz量級(jí)高重復(fù)頻率和高脈沖能量的激光。我們可以使用DPSS激光器對(duì)硅片、藍(lán)寶石、砷化鎵和磷化鉀等材料進(jìn)行加工，提高生產(chǎn)質(zhì)量，提高成品率和產(chǎn)量。硅是最常見的半導(dǎo)體材料，價(jià)格便宜，工作溫度高，也容易形成高質(zhì)量的氧化層。比如，應(yīng)用266 nm的DPSS激光器對(duì)藍(lán)光LED藍(lán)寶石晶圓的氮化鎵正面劃片，正切劃片的速度高達(dá)150 mm/s，切口速度非常小，切割質(zhì)量好。除此之外，紫外DPSS激光器還可用于碳化硅材料的劃片[2]。

半導(dǎo)體的光敏性表現(xiàn)在半導(dǎo)體對(duì)光的敏感性非常強(qiáng)。假設(shè)有光照射在半導(dǎo)體上，它們就會(huì)像導(dǎo)體一樣，導(dǎo)電能力非常強(qiáng)；但是，當(dāng)沒有光照射時(shí)它們又會(huì)像絕緣體一樣完全不導(dǎo)電。任何光源發(fā)出的光波都具有一定的頻率和波長范圍，在此波長范圍內(nèi)，各種頻率相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度有所不同。半導(dǎo)體的光敏性應(yīng)用比較廣泛，比如電腦或手機(jī)的攝像頭、各類型光控紅外檢測測試設(shè)備、光控影玩具和光控照明產(chǎn)品等。激光在光敏半導(dǎo)體中的應(yīng)用也比較普遍。

3.2 激光打標(biāo)技術(shù)

激光打標(biāo)是通過高能量密度的激光對(duì)器件的局部進(jìn)行照射，使表層材料騎化或者發(fā)生顏色變化的反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記。激光打標(biāo)的優(yōu)勢在于它可以打出各種類型的符號(hào)、圖案和文字，字符大小也可以小到微米量級(jí)，這種技術(shù)給產(chǎn)品的防偽標(biāo)記帶來了福音，減少假冒偽劣產(chǎn)品的危害。而近幾年又出現(xiàn)了準(zhǔn)分子激光打標(biāo)，這種技術(shù)甚至可以實(shí)現(xiàn)亞微米打標(biāo)。

如今，半導(dǎo)體激光打標(biāo)機(jī)是最常用的打標(biāo)機(jī)。它是用波長為808 nm的激光二極管使介質(zhì)產(chǎn)生大量的反轉(zhuǎn)粒子，在其他物質(zhì)的作用下形成波長為1 064 nm的句脈沖激光輸出來。這種激光器的體積較小，而且電光轉(zhuǎn)換效率很高。激光打標(biāo)機(jī)主要由光路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。半導(dǎo)體激光打標(biāo)機(jī)的激光光束模式較好，耗能量小，而且其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于一般打標(biāo)機(jī)，不用過于維護(hù)。而且它還可以在很短的時(shí)間內(nèi)控制開關(guān)，還可以得到各種類型的波長滿足實(shí)際需求。從結(jié)構(gòu)方面來說，激光打標(biāo)技術(shù)的結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固操作簡單方便，打標(biāo)精度可觀。

3.3 激光脈沖退火技術(shù)

激光脈沖退火技術(shù)簡稱為LSA技術(shù)，它是通過長波激光器產(chǎn)生得微細(xì)光束來掃描硅片表面，在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生尺寸較小的局域熱點(diǎn)。但硅片的整體依然保持低溫，因?yàn)楦叻逯禍囟瓤梢约せ罡嗟膿诫s原子，所以此技術(shù)可以在較短的時(shí)間內(nèi)使摻雜原子的擴(kuò)散降到最低，從而使經(jīng)過退火處理的范圍不會(huì)影響到硅片的其他部位。退火技術(shù)的優(yōu)勢在于LSA可以實(shí)現(xiàn)無擴(kuò)散的結(jié)和超低的電阻。如今，激光脈沖退火技術(shù)已經(jīng)大范圍地應(yīng)用于多晶硅柵極的退火環(huán)節(jié)，從而提高器件的性能。LSA技術(shù)可以靈活調(diào)整對(duì)應(yīng)變反應(yīng)產(chǎn)生直接影響的生產(chǎn)工藝參數(shù)，比如，退火時(shí)間、溫度、晶圓卡盤溫度和晶圓在反應(yīng)腔內(nèi)的方向等參數(shù)，從而對(duì)晶圓加工過程中出現(xiàn)的應(yīng)變和翹曲現(xiàn)象進(jìn)行優(yōu)化。

3.4 激光技術(shù)在LED行業(yè)中的應(yīng)用

LED材料是半導(dǎo)體二極管中的一種，能夠把電能轉(zhuǎn)化成光能。在LED行業(yè)中運(yùn)用激光加工技術(shù)。激光加工是把激光束照射在工件表面，以激光的高能量切除或熔化材料和改變物體表面的性能。2013年，市場上出現(xiàn)了LED激光刻劃和激光晶圓劃片設(shè)備。這兩種設(shè)備的出現(xiàn)為LED制造商提供了性價(jià)比較高的工業(yè)工具。LED激光刻劃與傳統(tǒng)的機(jī)械刻劃相比要窄得多，因此，LED材料的利用率就相應(yīng)提高，產(chǎn)出效率也優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械刻劃。而且激光加工是一種非接觸式工藝，刻劃過程所帶來的晶圓微裂紋相對(duì)較少，從而使晶圓顆粒與顆粒之間的空隙更小，產(chǎn)出效率更高，LED器件的可靠性也隨之提高。比如，單晶藍(lán)寶石和氮化鎵都是抗拉強(qiáng)度大的硬脆性材料，這兩種材料被切割成單體LED器件的難度較大，如果采用傳統(tǒng)的機(jī)械鋸片切割會(huì)使晶圓崩邊、分層或產(chǎn)生微裂紋[3]。為了避免這些情況，制造者可能會(huì)使單體之間保留足夠?qū)挼膶挾?，但這樣會(huì)使LED晶圓的產(chǎn)出效率降低。而激光加工則不一樣，激光劃片的切口很小，聚集后的激光微細(xì)光斑晶圓表面會(huì)迅速氣化材料，制造很細(xì)小的切口，從而可以在面積有限的晶圓表面切割出更多的LED單體。激光刻劃技術(shù)對(duì)于砷化鎵等半導(dǎo)體晶圓材料的切割能力更加突出。除此之外，激光刻劃使LED單體之間的距離更近，從而有利于出產(chǎn)效率和產(chǎn)能的提高。所以，使用激光技術(shù)切割LEC材料，不僅可以提高產(chǎn)出效率，還可以避免刀片磨損造成的成本損耗和加工缺陷，從而提高LED材料產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量和效益。目前，激光加工技術(shù)已經(jīng)成為LEF制造業(yè)中較為普遍的工具。

4 結(jié)語

我國半導(dǎo)體行業(yè)想要長期穩(wěn)定發(fā)展必須推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，將激光技術(shù)等新型可利用技術(shù)應(yīng)用到半導(dǎo)體產(chǎn)品中，生產(chǎn)出功能更多、實(shí)用性更強(qiáng)的產(chǎn)品，為社會(huì)生產(chǎn)生活提供方便。

[參考文獻(xiàn)]

[1]楊洪星，劉曉偉，陳亞楠，等.激光技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)中的應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010（2）：10-13.

[2]劉瑞廷.激光技術(shù)在材料加工產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用[J].技術(shù)與市場，2017（11）：174.

[3]王霄.激光加工技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與未來發(fā)展分析[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2017（22）：34-35.