硅單晶片的激光標(biāo)識技術(shù)研究

于 妍，張殿朝，楊洪星

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

激光是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一門新興科學(xué)。它是一種具有亮度高、方向性好、單色性好的相干光，因此在理論上經(jīng)聚焦后能形成直徑為亞微米級的光點，焦點處的功率密度可達(dá)到1×108～1×1011W/cm2，溫度高達(dá) 10 000 ℃以上，可在千分之幾秒內(nèi)急劇熔化和汽化各種材料[1]。目前，激光已經(jīng)在音像設(shè)備、測距、醫(yī)療儀器、加工（如激光切割、激光鉆孔、高精度微孔加工等）、半導(dǎo)體等領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。激光幾乎可以對任何材料進(jìn)行加工，但受到激光發(fā)射器功率的限制，目前激光工藝可進(jìn)行加工的材料主要以非金屬材料為主，包括有機(jī)玻璃、塑膠、雙色板、竹木、布料、皮革、橡膠板、玻璃、石材、人造石、陶瓷、絕緣材料等。

硅材料是目前所有已知材料中研究最為充分的材料，廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，集成電路，探測器，二極管等等，不但在民用，而且在軍用也有廣泛要求。由于在軍事領(lǐng)域的特殊要求，單片質(zhì)量可追溯性就成為硅單晶拋光片的必須要求。采用激光加工技術(shù)在硅材料上制作標(biāo)識碼，增強(qiáng)硅拋光片“可追溯性”，成為當(dāng)前一種迫切的需求。

1 激光打標(biāo)原理

掃描式打標(biāo)系統(tǒng)由計算機(jī)、激光器和x、y掃描機(jī)構(gòu)組成，其工作原理是將需要打標(biāo)的信息輸入計算機(jī)，計算機(jī)按照事先設(shè)計好的程序控制激光器和x、y掃描機(jī)構(gòu)，使經(jīng)過特殊光學(xué)系統(tǒng)變換的高能量激光點在被加工表面上掃描運動，形成標(biāo)記。

通常x、y掃描機(jī)構(gòu)有兩種形式：一種是機(jī)械掃描式，另一種是振鏡掃描式。

振鏡掃描式打標(biāo)系統(tǒng)主要由激光器、x y偏轉(zhuǎn)鏡、聚焦透鏡、計算機(jī)等構(gòu)成。其工作原理是將激光束入射到兩反射鏡（振鏡）上，用計算機(jī)控制反射鏡的反射角度，這兩個反射鏡可分別沿x、y軸掃描，從而達(dá)到激光束的偏轉(zhuǎn)，使具有一定功率密度的激光聚焦點在打標(biāo)材料上按所需的要求運動，從而在材料表面上留下永久的標(biāo)記，聚焦的光斑可以是圓形或矩形，其原理如圖1所示。同時振鏡式打標(biāo)也可采用點陣式打標(biāo)方式，采用這種方式對于在線打標(biāo)很適用，根據(jù)于不同速度的生產(chǎn)線可以采用一個掃描振鏡或兩個掃描振鏡。

圖1 振鏡掃描式激光打標(biāo)原理圖

為保證在硅材料上制作出激光標(biāo)識，必須使盡可能多地激光能量被硅材料吸收，減小透過硅材料的能量。當(dāng)波長＜0.4μm時，硅的光吸收系數(shù)明顯增大。

2 試驗方案

2.1 樣品

100mm（4英寸）硅單晶片，厚度：310±5μm，型號：N型。

2.2試驗條件

在本試驗中，選用了波長1 064 nm的光纖型激光器，選用MODE 0工作模式，在硅化拋片上進(jìn)行幾組工藝試驗。

激光功率：選擇 50%、60%、70%、80%、90%等幾種功率進(jìn)行試驗。

注：n%表示激光器全功率的百分比。

2.3 測試儀器

1）熒光燈：觀察打標(biāo)后硅片的表面狀況；

2）光學(xué)測量儀：觀察打標(biāo)后硅片的表面狀況；

3）深度測量儀：測試打標(biāo)深度。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

3.1.1 目測結(jié)果

將硅單晶片化拋后，在熒光下觀察，無論選用何種頻率，當(dāng)激光功率超過90%時，硅單晶片表面有明顯的“燒灼”痕跡；當(dāng)激光功率不超過90%時，硅單晶片表面無明顯變化。

3.1.2 光學(xué)測量儀觀察

如圖2所示，本試驗采用點陣式的SEM IOCR字體在硅單晶片上制作標(biāo)識碼，在每個標(biāo)識點的周圍均有部分區(qū)域的顏色與襯底的顏色不一致。

圖2 激光打標(biāo)結(jié)果

3.1.3 深度測量儀測試結(jié)果

圖3為打標(biāo)深度的測試結(jié)果，圖中激光功率指總功率的百分比。

圖3 打標(biāo)深度測試結(jié)果

3.2 分析與討論

隨著激光功率的增加，打標(biāo)深度呈現(xiàn)出逐步增加的趨勢；另一方面，隨著功率的增加，由激光加工所造成的損傷趨于嚴(yán)重，當(dāng)激光功率超過總功率的50%時，氧化物殘留物也逐漸增多，但激光功率不超過50%時，硅單晶片表面出現(xiàn)少量的氧化物殘留。

激光的功率在光斑處并不是均勻分布，而是呈現(xiàn)出一定的形貌。李力鈞、陳根余等[5]采用LASERSCOPE UFF100型光束質(zhì)量分析儀對激光功率分布情況進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明，激光功率的峰值集中于光斑的中心區(qū)域，而在光斑的外圍區(qū)域，激光功率較小。

當(dāng)功率增大時，光斑中心區(qū)域加工速度過快，加工過程產(chǎn)生的氧化物來不及氣化而沉積在了光斑的外圍區(qū)域，從而造成了氧化物在打標(biāo)孔邊緣沉積，出現(xiàn)了如圖2所示的異色區(qū)域。

在金相顯微鏡下的觀察結(jié)果如圖4所示，從(b)圖中可以看出，當(dāng)激光功率超過90%時，標(biāo)識點與背景區(qū)域的邊界較模糊，并且在背景區(qū)域出現(xiàn)黑色斑點。經(jīng)過適當(dāng)?shù)那逑垂に囘M(jìn)行清洗，可以有效去除這些黑色斑點。從而證明，在較大激光加工過程形成的附產(chǎn)物未能完全氣化，部分附產(chǎn)物附著于標(biāo)識區(qū)域周圍，形成黑色斑點。因而，應(yīng)將激光功率控制在50%～90%的范圍內(nèi)。

圖4 金相顯微鏡觀察結(jié)果

4 結(jié) 論

本文對硅片的激光打標(biāo)技術(shù)進(jìn)行了一些有益的探索，研究了激光的功率對打標(biāo)深度的影響，確定了激光器功率的50%～90%為合適的打標(biāo)功率，解決了硅片的可追溯性問題。

[1]文秀蘭，林宋，譚昕，鐘建琳.超精密加工技術(shù)與設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2]SEM IM 12 Specification for serialalphanumericmarking of the frontsurfaceofwafers，[S].Book of SEM IStandards，1997.

[3]余懷之.紅外光學(xué)材料[M].北京：國際工業(yè)出版社，2007.

[4]李力鈞，陳根余.折疊式準(zhǔn)封離型CO2激光器及其在切割和焊接中的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2004(2):34-37.