成本、質(zhì)量、產(chǎn)量是半導(dǎo)體和光伏制造業(yè)贏得成功的關(guān)鍵因素。其中，一個重要的加工方式是切割，因為需要采用不同的切割工藝將晶圓（wafer）分離成裸片（die）或?qū)⑻柲茈姵厍懈畛蔀榘腚姵?。然而，傳統(tǒng)的機械式或基于激光工藝的切割技術(shù)或多或少存在諸如因去除材料而導(dǎo)致的顆粒形成或在切割邊緣造成材料損傷等弊端。
熱激光束分離技術(shù)
在這種情況下，熱激光束分離技術(shù)（TLS-Dicing）成為分離硅（Si）、碳化硅（SiC）、鍺（Ge）和砷化鎵（GaAs）等半導(dǎo)體材料的一種快速、清潔、高成本效益的替代解決方案。
根據(jù)應(yīng)用的不同，先從初步的劃片工藝開始，然后，按照經(jīng)過仔細(xì)計算過的能量對材料進行激光加熱（圖1a）。材料受熱膨脹，受熱區(qū)內(nèi)壓力上升，同時受熱區(qū)周邊的拉伸應(yīng)力也隨之增加。激光加熱后緊接著的是噴射極少量的去離子水進行冷卻（低于10ml/min）（圖1b）。這將在第一區(qū)域附近形成第二個冷卻區(qū)，從而引起切向拉伸應(yīng)力模式。在兩種應(yīng)力模式的疊加區(qū)域產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力將導(dǎo)致材料發(fā)生開裂，并引導(dǎo)裂紋尖端貫穿材料。（圖1C）。
圖1：熱激光束分離技術(shù)的原理包含激光加熱（a）、水噴霧冷卻（b）、以及應(yīng)力引起的開裂(c) 等要素。
與傳統(tǒng)切割技術(shù)相比，熱激光束分離技術(shù)彰顯出諸多優(yōu)勢，例如分離速度快、側(cè)壁非常光滑、無碎裂和微裂紋、優(yōu)異的抗彎強度、以及無刀具磨損和物料消耗所實現(xiàn)的低擁有成本。
該工藝使用了兩種激光源：用于初步劃片的高斯光束短脈沖劃片激光器（532nm 或近紅外波長激光）和另一款切割激光器。切割激光器可實現(xiàn)200W 連續(xù)波激光以及近紅外波長。
熱激光束分離技術(shù)是一種無切口的切割工藝，工藝本身幾乎不產(chǎn)生顆粒。與傳統(tǒng)切割技術(shù)相比，TLS-Dicing 是能夠一次性完成晶圓整個厚度切分的高效工藝。
碳化硅器件的切割
基于帶間空隙大、機械強度高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點，碳化硅（SiC）在某些功率器件中得到了廣泛的應(yīng)用。這些器件可以在更高的電壓、頻率和溫度下工作，也能夠以更高的效率或更低的功率損耗轉(zhuǎn)換電能。同時，由于SiC 是一種非常硬而脆的材料（莫氏硬度為9.2），其加工過程中也會面臨諸多挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)的切割技術(shù)在加工速度和切割質(zhì)量方面存在一些弊端。例如，機械鋸切的進給速度慢、刀片磨損大，成本高。此外，鋸切容易導(dǎo)致晶片邊緣產(chǎn)生碎屑以及造成脫層。相比之下，激光燒蝕會產(chǎn)生顯著的熱影響區(qū)、導(dǎo)致邊緣質(zhì)量不佳，以及形成微細(xì)裂紋。同時，激光燒蝕率很低，需要通過多次燒蝕才能完成單個晶圓裸片的分離。
相較以上加工手段，熱激光束分離技術(shù)則是一次性即可完成的工藝，它能夠以300mm/s 的速度對完整厚度的SiC 晶圓進行分離。由于TLS-Dicing 是一種切割工藝，因此，有望降低晶圓的切割寬度，并且提高每個晶圓可切割的晶片數(shù)量；同時，晶片邊緣可實現(xiàn)光滑的效果、無殘余應(yīng)力、微裂紋和碎裂區(qū)（圖2）。此外，前端切割跡道上的金屬結(jié)構(gòu)、晶片上的聚酰亞胺和背面的金屬均能夠順利分離，且不會產(chǎn)生脫層或熱效應(yīng)。
圖2：經(jīng)過熱激光束分離的SiC晶片邊緣光滑、無微細(xì)裂縫、無碎裂。
對背面全金屬化、含聚酰亞胺、切割跡道帶金屬結(jié)構(gòu)的典型功率器件晶片使用熱激光束分離工藝的產(chǎn)能進行了分析，結(jié)果顯示，平均產(chǎn)能大于98%。此外，TLS-Dicing 工藝顯著改善了每片晶圓的加工成本。3D-Micromac 是激光微加工領(lǐng)域的主要供應(yīng)商，該公司開發(fā)的高性能microDICE 激光劃片系統(tǒng)采用了熱激光分離技術(shù)，能夠?qū)⒕蛛x成模具，顯著降低了各晶片的劃片成本，在提高產(chǎn)能的同時，也提供了優(yōu)質(zhì)的封邊質(zhì)量，對碳化硅而言尤為如此。該系列設(shè)備已經(jīng)為許多工業(yè)制造企業(yè)所使用。
硅太陽能電池的切割
隨著半模電池組概念的引入，使得電池的分離呈現(xiàn)出工業(yè)關(guān)聯(lián)性，這種方法可以獲得顯著的功率增益。光伏類電池的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)流程是建立在激光劃片和隨后的機械切割基礎(chǔ)上的。這種工藝的缺點是降低了電池效率和機械強度，同時，因為采用了激光加工與隨后的機械切斷相結(jié)合的技術(shù)，使得加工成本變得高昂。
為了克服這些缺點，3D-Micromac 公司將熱激光分離技術(shù)應(yīng)用于其microCELL 工業(yè)激光系統(tǒng)中，microCELL 是將標(biāo)準(zhǔn)硅太陽能電池分離成半電池的高效激光系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的分離技術(shù)相比，TLSDicing工藝能獲得清潔、無裂紋的邊緣；并且，不會在分割的邊緣上出現(xiàn)晶體受損現(xiàn)象（圖3）。非燒蝕工藝確保實現(xiàn)良好的封邊質(zhì)量。與激光切割相反，由于基材僅僅受到加熱而不是蒸發(fā)，所以不會出現(xiàn)膨脹及形成顆粒。經(jīng)TLS 加工的半模電池的機械穩(wěn)定性比常規(guī)處理的太陽能電池高出很多。
圖3 所示為經(jīng)激光切割的邊緣出現(xiàn)了斷裂（a）和經(jīng)過TLS-Dicing 工藝加工的邊緣質(zhì)量（b）。
熱激光分離技術(shù)可實現(xiàn)的進給速度最高為500mm/s，與傳統(tǒng)蝕刻和切割方法相比，其加工速度增加了近5倍。激光飛行加工及創(chuàng)新型處理概念實現(xiàn)了全面制造晶體半電池的最大生產(chǎn)能力和產(chǎn)量，每小時可以將加工近10,000只半模電池。
當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r
除了用于光伏或半導(dǎo)體行業(yè)，3D-Micromac還可提供一種基于熱激光束分離的玻璃切割技術(shù)。這種切割技術(shù)使用了CO2激光器。根據(jù)具體應(yīng)用的不同，可采用加工后切斷或激光全切的方法。
切割效果能夠滿足工業(yè)顯示器的生產(chǎn)要求，并可以確保清潔、溫和的加工流程。此外，可以實現(xiàn)沒有微細(xì)裂縫的光學(xué)層面上的清潔切割邊緣。
圖4：使用TLS 工藝切割鈉鈣玻璃樣品的切割邊緣
主要的應(yīng)用范圍從顯微鏡載玻片延伸到平板顯示器前蓋。最常用于加工的玻璃是0.7mm-1.1mm 范圍的鈉鈣玻璃，以及用于平板顯示器的0.1mm-0.7mm 的無堿硼硅酸鹽。
總體而言，熱激光分離是一種全新的分割半導(dǎo)體和光伏行業(yè)用脆性半導(dǎo)體材料的高效手段，它具有產(chǎn)量高、成本低、分割質(zhì)量高的優(yōu)點，通常一次性就能完成分離。這種工藝的進給速度介于300mm/s和500mm/s之間，具體視不同應(yīng)用而異。與傳統(tǒng)的劃片或切割技術(shù)相比，TLS-Dicing 具有側(cè)壁質(zhì)量優(yōu)異，無碎裂，以及擁有成本低等多重優(yōu)勢。
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