李 悅

(北京大學信息科學技術(shù)學院，微納電子研究院，微米/納米加工技術(shù)國家重點試驗室，北京100871)

1 引言

激光是20世紀60年代發(fā)展起來的一門新興科學，它具有高亮度、高方向性、高單色性及高相干性的特點。激光束經(jīng)透鏡聚焦以后能在焦點處產(chǎn)生數(shù)千乃至上萬攝氏度的高溫，因此使其可能對幾乎所有材料進行加工［1］。隨著激光技術(shù)的發(fā)展和不斷完善，其在軍事、醫(yī)學、通信、快速成型、顯示技術(shù)、材料加工及微電子等領(lǐng)域得到廣泛應用。激光打標是利用激光的熱效應燒蝕掉物體表面材料從而留下永久標記的技術(shù)，與傳統(tǒng)的電化學、機械等標記方法相比具有無污染、高速度、高質(zhì)量、靈活性大、不接觸工件等優(yōu)點。目前激光打標已經(jīng)在很多領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的打標方式而成為常規(guī)的加工方式［2］。

半導體微電子行業(yè)所采用的每一枚Si片都有唯一標識碼。大規(guī)模集成電路生產(chǎn)廠家所用8～12 in晶片來自國外生產(chǎn)廠家，根據(jù)行業(yè)標準，晶片購入時本身已具有標碼?？蒲袉挝凰捎玫男〕叽缇话銇碜試鴥?nèi)廠家，無法實現(xiàn)自帶標碼。針對后者，常用方法是采用人工借助劃片筆的書寫方式。其弊端包括:書寫不規(guī)范且因人而異、字體無法控制很小而不能反映更多信息、無法產(chǎn)生美觀效果、書寫力度無法精確控制而產(chǎn)生硅渣并造成較深劃痕，其結(jié)果對后續(xù)工藝及工藝總結(jié)果產(chǎn)生負面影響。針對此情況，本單位在現(xiàn)有激光打標設備上針對激光標識技術(shù)進行深入研究并在此基礎(chǔ)上從事了大量的實驗，開發(fā)出Si片激光標識制作技術(shù)并取得良好效果。

2 打標技術(shù)與工藝研究

2．1 激光打標技術(shù)與激光打標機

激光打標技術(shù)是一種新標記工藝。近年來，隨著激光器可靠性及實用性的提高，加上計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和光學器件的改進，促進了激光打標技術(shù)的發(fā)展。激光打標是利用高能量密度的激光束對目標作用，使目標表面發(fā)生物理或化學變化，從而獲得可見圖案的標計方式。高能量的激光束聚焦在材料表面，使材料迅速汽化，形成凹坑。隨著激光束在材料表面有規(guī)律地移動，同時控制激光的開斷，激光束也就在材料表面加工成一個指定的圖案［3］。

激光打標機是綜合激光、光學、精密機械、電子和計算機等技術(shù)于一體的機電一體化設備。它主要由激光器、光學系統(tǒng)和控制器組成，其中控制器為核心部件。在激光打標方式中，現(xiàn)在常用的有掩模方式和掃描方式［2］。本研究采用北京鐳杰明激光科技發(fā)展有限公司所生產(chǎn)的LJM－FB－20－10型激光打標機。該設備分別配有德國IPG光纖激光器及美國Synrad CO2激光器、高速掃描振鏡系統(tǒng)、聚焦鏡、工作臺、電源控制系統(tǒng)及工控機。其工作原理采用掃描方式:待標刻信息輸入計算機，后者按事先設計好的程序控制激光器及掃描振鏡，其結(jié)果使得經(jīng)過特殊光學系統(tǒng)變化的高能量激光點在被加工表面上掃描運動從而形成標記。為了能夠在Si材料上制作激光標碼，必須要保證盡量多的能量被Si材料所吸收，盡量少的能量穿透Si材料。針對Si材料透射波長處于1．1～9μm［4］的特性，研究中采用波長1060 nm光纖激光器。激光器型號:德國IPG公司/YLP－10－1－20，技術(shù)參數(shù):發(fā)射波長1060 nm;額定平均輸出功率20 W;脈沖重復頻率20～100 kHz;脈沖寬度100 ns;單脈沖能量＜2 mJ;脈沖峰值功率＜10 W。

2．2 工藝研究

研究中采用4 in、n型、(100)面、厚度520μm和電阻率2～4Ωcm的單面拋光Si單晶片。分別采用目視、Olympus BX51M金相顯微鏡及Bruker動態(tài)三維光學輪廓儀等觀察測量手段來了解標識清晰度、微觀形態(tài)、硅渣污染程度及深度。研究中每次改變某一工藝參數(shù)而維持其他參數(shù)不變，以此來觀察工藝結(jié)果與變化的工藝參數(shù)之間的對應關(guān)系。不同工藝參數(shù)選取范圍分別為:平均輸出功率:15%～90%W(n%表示額定平均輸出功率的比例);脈沖頻率:20～90 kHz;掃描速度:300～3500 mm/s。表1為研究時采用的不同工藝條件。

表1 不同工藝條件Tab．1 Table 1 Different test process condition

表2為基于研究所得到的工藝參數(shù)與工藝結(jié)果的對應關(guān)系。

表2 工藝參數(shù)與工藝結(jié)果的對應關(guān)系Tab．2 Correspondence of the process parameter Vs．result

3 分析及討論

本研究中可控的、決定激光標識碼效果的主要工藝參數(shù)為激光平均輸出功率、脈沖重復頻率及掃描速度。

3．1 平均輸出功率及脈沖重復頻率

激光打標的效果主要取決于激光束作用在工件材料上的功率密度及作用時間［2］。本研究中光斑的大小為固定值，功率密度由功率大小決定。

研究結(jié)果表明:在較低的脈沖頻率下，激光的平均輸出功率對工藝結(jié)果所起的作用非常明顯。隨功率逐漸增加，標識字體在目視的情況下由不可視、模糊、可視逐漸變?yōu)榉浅Ｇ逦ｏ@微鏡觀察結(jié)果表明:功率的增加使得標識字體由線寬較小、顏色較淺及無任何硅渣污染的狀況逐漸向線寬增大、顏色變黑及硅渣的數(shù)量和分布區(qū)域增大的趨勢轉(zhuǎn)變。此外，在字體與背景的交界區(qū)域出現(xiàn)大量硅渣并呈現(xiàn)放射狀的分布，上述交界區(qū)域邊界模糊，字體線條邊界呈現(xiàn)黃色。造成上述現(xiàn)象的原因是:激光能量的增加導致功率密度提高，由此造成硅材料被汽化的數(shù)量增大，其結(jié)果使得打標的深度及寬度逐漸變大，反應在視覺上則是清晰度的不斷提高。同時，激光能量的增高，也產(chǎn)生了大量沒有汽化的附產(chǎn)物，其粘附于字體旁邊及鄰近區(qū)域而形成黑色硅渣并造成污染，字體邊緣出現(xiàn)的黃色線條則是未汽化的附產(chǎn)物在高溫下氧化的結(jié)果。

在高脈沖頻率條件下，隨平均功率持續(xù)增大，標識字體的清晰度只表現(xiàn)出輕度增加。同時，在顯微鏡下標識字體線寬無顯著變化，字體輪廓略微加深，沒有觀察到任何硅渣出現(xiàn)的現(xiàn)象。當采用極限功率時，標識字體在目視下的清晰度仍不理想。

造成平均輸出功率對工藝結(jié)果產(chǎn)生截然不同影響的原因是由于采用了不同的激光脈沖頻率。低脈沖頻率時，激光的單脈沖能量較高，隨平均功率的增大，單脈沖能量增大，導致功率密度增大，從而出現(xiàn)顯著結(jié)果。高脈沖頻率時，激光的單脈沖能量很低，盡管提升平均功率，其對單脈沖能量的提升貢獻不大，導致功率密度提升不大，由此產(chǎn)生工藝結(jié)果變化不明顯現(xiàn)象。相同功率、相同掃描速度及不同脈沖頻率的測試實驗進一步驗證了此規(guī)律。綜上所述，欲得到清晰的激光標識標碼，應避免采用高脈沖頻率。在采用低脈沖頻率時，不宜使用很高的平均輸出功率，需采用折中的方式以兼顧清晰度與清潔度的要求。此外，脈沖頻率影響著激光光斑在Si材料上重疊度，而后者則影響著標識碼的清晰程度。為此，在選用低脈沖頻率時應予以考慮。

3．2 掃描速度

掃描速度決定了激光能量在待加工材料上停留的快慢。掃描速度慢，意味著待加工材料接受激光能量大，硅材料被汽化的數(shù)量大，從而造成標識碼深度及寬度大，字體清晰度高，更容易產(chǎn)生硅渣。掃描速度快，意味著待加工材料接受激光的能量小，其所造成的工藝結(jié)果則相反。研究結(jié)果顯示:當采用較低的平均輸出功率、較低的脈沖頻率及300 mm/s掃描速度進行激光打標時，可以獲得清潔無硅渣、標刻深度大于200 nm的清晰標記，同樣的條件下將掃描速度提高到1500 mm/s及以上時，標識碼的深度及字體邊緣的凸起高度均滿足預期要求的200 nm以下，其變化趨勢滿足上述的理論解釋。此外，掃描速度決定著激光光斑在待加工材料上的重疊度，后者則影響標識碼的清晰度。掃描速度的過量增加造成激光光斑重疊度降低，其結(jié)果造成標識字體在目視下出現(xiàn)斷點現(xiàn)象，使得字體變得模糊?；诖朔N情況，需要選擇適合的激光掃面速度，以達到標識碼清晰度與字體深度間的平衡。

4 激光標識碼制作

基于上述的研究成果，針對目前所采用的單晶硅片從事激光標識碼的制作工藝。具體的工藝參數(shù)為:激光平均功率40%;激光脈沖功率25 kHz;激光掃面速度1500 mm/s。同時，為補償因掃描速度增大而造成標識碼清晰度的損失，標刻字體采用更易于辨別的“黑體”“雙線填充字體(TrueType)”。圖1為顯微鏡下放大5倍的激光標識照片(數(shù)字0的一部分)。

圖2為顯微鏡下放大100倍的激光標識照片，其反應出激光能量在光斑處的分布情況。鏡檢聚焦過程表明:光斑中心點－白點處的深度大于其外圍深度，由此可知激光能量的峰值集中在光斑的中心點。此點向外，能量逐漸減弱。

圖1 激光標識碼的顯微鏡照片(5倍)Fig．1 Laser mark microscope picture(5X)

圖2 激光標識碼的顯微鏡照片(100倍)Fig．2 Laser mark microscope picture(100X)

5 結(jié)論

通過光纖激光器對Si材料進行激光標識制作的研究，明確了工藝參數(shù)與工藝結(jié)果的對應關(guān)系，針對Si單晶材料，平均輸出功率、脈沖激光頻率及掃描速度均對標識工藝結(jié)果產(chǎn)生影響。功率在低頻率下作用明顯而在高頻率下表現(xiàn)不突出。掃描速度決定打標字體深淺程度。頻率及速度均對激光光斑的重疊度產(chǎn)生影響。通過采用優(yōu)化的工藝參數(shù) 取得外形美觀、清晰可辨、無硅渣污染且字體凸凹深度都小于200 nm激光標識，解決了標識深度與清晰度間相互對立的矛盾。同時，為進一步提高標刻的外觀效果及質(zhì)量，調(diào)整了激光標刻的線間距、邊距、字體大小、字體高寬比、開光延時、關(guān)光延時、結(jié)束延時及拐角延時，使得標識字體效果高度一致，解決了標識碼尾部殘缺、開口等現(xiàn)象。

［1］ ZHU Lingquan，NIU Jingchan，ZHU Sulei，et al．Modern laser engineering application technology［M］．Beijing:National Defense Industry Prsess，2007:2－3．(in Chinese)朱林泉，牛晉川，朱蘇磊，等．現(xiàn)代激光工程應用技術(shù)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2007:2－3．

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［3］ YANG Hongxing，LIU Xiaowei，CHEN Yanan，et，al．Application of laser technology in semiconductor industry［J］．Equipment for Electronic Poducts Manufacturing，2010，39(2):10－13．(in Chinese)楊紅星，劉曉偉，陳亞楠，等．激光技術(shù)在半導體行業(yè)中的應用［J］．電子工業(yè)專用設備，2010，39(2):10－13．

［4］ YU Huaizhi．Infrared optical materials［M］．Beijing:National Defense Industry Press，2007:52．(in Chinese)余懷之．紅外光學材料［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2007:52．