激光技術在半導體行業當中的應用

韓仲夏

（天津三安光電有限公司，天津 300000）

半導體行業是電子信息產業中的一部分，它是以半導體為基礎發展起來的一個產業。半導體行業對社會的發展起著重要的積極作用，將激光技術應用到半導體行業中更能促進其轉型發展，融入世界發展潮流。

1 激光技術

激光是一種由于刺激而產生輻射強化的光，它具有亮度高、單色性好、方向性好等特點。它的高亮度體現在一臺較為普通的紅寶石激光器發出的激光亮度比太陽亮度都會高7個數量級；高強度體現在存在于地球上的任何一種材料，不管其熔點多么高，在強激光的照射下不超過3 s即可開始氣化，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，普通光屬于自發輻射非相干光，而激光屬于受激輻射相干光。

激光技術是興起于20世紀60年代的新型技術，其誕生標志為一臺紅寶石激光器的研制問世，如今，我國已開發出將近30種激光加工技術。激光接近于單色光波，頻率范圍非常狹窄，但同時它可以在一個狹小的空間內集中高能量，激光具有單色波長、平行光束和同調色三大特征。激光技術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，從而使其自身原子的電子到達一種高能量狀態，一段時間后，這些電子會回復到較為穩定的低能量狀態，這時原子就會射出光子，從而放出多余的能量；隨后，這些被放出的光子還會去撞擊其他原子，激發越來越多的原子產生光子，產生連鎖反應，而且光子都會向著同一個方向前進，從而形成較為集中并向著某個方向高度集中的光。

激光技術的應用非常廣泛。它不僅可以應用為激光切割技術、激光加工技術、激光焊接、激光打孔，還可用于激光手術、激光武器和激光能源等應用中。由于激光的時間控制性和空間控制性都比較好，對加工環境、加工對象的尺寸、形狀和材料都沒有限制，所以其廣泛應用于自動化加工。將激光加工系統和計算機數控技術組合應用可以構成高效自動化加工設備。光是一種頻率很高的電磁波，它的相干性較好，所以它還被當作傳遞信息的載波。

目前為止，世界發明的激光種類多達幾千種，比如最常見的異質結半導體激光，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，具有實用價值的激光卻不是很多。所以，研究激光技術的科學家還在不斷對于激光的性能、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行研究，并且不斷取得新的突破[1]。

2 半導體行業

半導體器件是電子電路中必不可少的組成成分。半導體是人們為了生產生活需要，將兩物質按照電學性質進行分類時確定的一個名稱。它的導電性介于導體和絕緣體之間。半導體導電性能全是由其原子結構決定的。以元素半導體硅和鍺為例，其原子序列分別是14和32，它們兩個最外層電子數都是4。半導體具有自由電子和空穴兩種載流子。而半導體的性質不同于導體和絕緣體，就是因為半導體擁有的載流子數目不同而載流子是能夠運動的荷電粒子。電子和空穴都是載流子，它們相互運動即可產生電流。硅和鍺是最為典型的元素半導體。

根據構成物質元素的不同，半導體可分為元素半導體和化合物導體，元素半導體由一種元素構成，化合物半導體由多種元素構成。而根據摻雜類型的不同，半導體可分為本征半導體、N型半導體和P型半導體；如果按照原子結構的排列規則不同，又可分為單晶半導體、多晶半導體和非晶態半導體。半導體行業具有技術密集、資金密集，高風險高回報和知識密集等特點。進入2010年以來，國家大力支持半導體行業的發展，2011年11月，國家稅務總局和財政部聯合發布了《關于退還集成電路企業采購設備增值稅期末留紙稅額》；2012年4月政府部門又發布了《關于進一步鼓勵軟件產業和集成電路產業發展企業所得稅政策的通知》；而于2014年，工信部又發布了《國家集成電路產業發展推進綱要》。近幾年，我國半導體行業發展速度超快，半導體產業逐漸呈現向大陸地區轉移的新趨勢，為我國各行業的發展帶來設備國產化的發展機遇。而且政府政策大力支持半島體行業的發展，大基金入場將會加速產業轉型升級，成熟化發展。半導體具有摻雜特性、熱敏性和光敏性三大特點。

3 激光技術在半導體行業中的應用

3.1 紫外DPSS激光器在LED晶圓劃片中的應用

紫光DPSS激光器是一種應用于印刷電路板和消費電子產品的激光器。由于它的加工重復性好且可靠性較高，所以廣泛應用于表面處理、材料加工和微加工行業中。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量級高重復頻率和高脈沖能量的激光。我們可以使用DPSS激光器對硅片、藍寶石、砷化鎵和磷化鉀等材料進行加工，提高生產質量，提高成品率和產量。硅是最常見的半導體材料，價格便宜，工作溫度高，也容易形成高質量的氧化層。比如，應用266 nm的DPSS激光器對藍光LED藍寶石晶圓的氮化鎵正面劃片，正切劃片的速度高達150 mm/s，切口速度非常小，切割質量好。除此之外，紫外DPSS激光器還可用于碳化硅材料的劃片[2]。

半導體的光敏性表現在半導體對光的敏感性非常強。假設有光照射在半導體上，它們就會像導體一樣，導電能力非常強；但是，當沒有光照射時它們又會像絕緣體一樣完全不導電。任何光源發出的光波都具有一定的頻率和波長范圍，在此波長范圍內，各種頻率相對應的強度有所不同。半導體的光敏性應用比較廣泛，比如電腦或手機的攝像頭、各類型光控紅外檢測測試設備、光控影玩具和光控照明產品等。激光在光敏半導體中的應用也比較普遍。

3.2 激光打標技術

激光打標是通過高能量密度的激光對器件的局部進行照射，使表層材料騎化或者發生顏色變化的反應，從而留下永久性標記。激光打標的優勢在于它可以打出各種類型的符號、圖案和文字，字符大小也可以小到微米量級，這種技術給產品的防偽標記帶來了福音，減少假冒偽劣產品的危害。而近幾年又出現了準分子激光打標，這種技術甚至可以實現亞微米打標。

如今，半導體激光打標機是最常用的打標機。它是用波長為808 nm的激光二極管使介質產生大量的反轉粒子，在其他物質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，而且電光轉換效率很高。激光打標機主要由光路系統、電路系統、水路系統以及控制系統組成。半導體激光打標機的激光光束模式較好，耗能量小，而且其壽命遠遠長于一般打標機，不用過于維護。而且它還可以在很短的時間內控制開關，還可以得到各種類型的波長滿足實際需求。從結構方面來說，激光打標技術的結構緊湊、堅固操作簡單方便，打標精度可觀。

3.3 激光脈沖退火技術

激光脈沖退火技術簡稱為LSA技術，它是通過長波激光器產生得微細光束來掃描硅片表面，在極短的時間內產生尺寸較小的局域熱點。但硅片的整體依然保持低溫，因為高峰值溫度可以激活更多的摻雜原子，所以此技術可以在較短的時間內使摻雜原子的擴散降到最低，從而使經過退火處理的范圍不會影響到硅片的其他部位。退火技術的優勢在于LSA可以實現無擴散的結和超低的電阻。如今，激光脈沖退火技術已經大范圍地應用于多晶硅柵極的退火環節，從而提高器件的性能。LSA技術可以靈活調整對應變反應產生直接影響的生產工藝參數，比如，退火時間、溫度、晶圓卡盤溫度和晶圓在反應腔內的方向等參數，從而對晶圓加工過程中出現的應變和翹曲現象進行優化。

3.4 激光技術在LED行業中的應用

LED材料是半導體二極管中的一種，能夠把電能轉化成光能。在LED行業中運用激光加工技術。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，市場上出現了LED激光刻劃和激光晶圓劃片設備。這兩種設備的出現為LED制造商提供了性價比較高的工業工具。LED激光刻劃與傳統的機械刻劃相比要窄得多，因此，LED材料的利用率就相應提高，產出效率也優于傳統機械刻劃。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較少，從而使晶圓顆粒與顆粒之間的空隙更小，產出效率更高，LED器件的可靠性也隨之提高。比如，單晶藍寶石和氮化鎵都是抗拉強度大的硬脆性材料，這兩種材料被切割成單體LED器件的難度較大，如果采用傳統的機械鋸片切割會使晶圓崩邊、分層或產生微裂紋[3]。為了避免這些情況，制造者可能會使單體之間保留足夠寬的寬度，但這樣會使LED晶圓的產出效率降低。而激光加工則不一樣，激光劃片的切口很小，聚集后的激光微細光斑晶圓表面會迅速氣化材料，制造很細小的切口，從而可以在面積有限的晶圓表面切割出更多的LED單體。激光刻劃技術對于砷化鎵等半導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，從而有利于出產效率和產能的提高。所以，使用激光技術切割LEC材料，不僅可以提高產出效率，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材料產品生產的質量和效益。目前，激光加工技術已經成為LEF制造業中較為普遍的工具。

4 結語

我國半導體行業想要長期穩定發展必須推動整個產業鏈的發展，將激光技術等新型可利用技術應用到半導體產品中，生產出功能更多、實用性更強的產品，為社會生產生活提供方便。

[參考文獻]

[1]楊洪星，劉曉偉，陳亞楠，等.激光技術在半導體行業中的應用[J].電子工業專用設備，2010（2）：10-13.

[2]劉瑞廷.激光技術在材料加工產業中的應用[J].技術與市場，2017（11）：174.

[3]王霄.激光加工技術的應用現狀與未來發展分析[J].科學技術創新，2017（22）：34-35.