出于制造成本考慮，制造商需要生產(chǎn)功能更強(qiáng)大、但更小和更節(jié)能的設(shè)備，因此，激光技術(shù)在半導(dǎo)體以及微電子制造過(guò)程中的作用正在急劇增強(qiáng)。與現(xiàn)有的智能手機(jī)相比，下一代產(chǎn)品需要具備更強(qiáng)大的處理能力和高質(zhì)量顯示屏，而且這種趨勢(shì)日益顯著。零部件制造商已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)向具備高分辨率、高能量以及低損傷加工特性的紫外（UV）和深紫外（DUV）激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)的生產(chǎn)。
        本文闡釋了激光器應(yīng)用于智能手機(jī)制造的實(shí)例，并對(duì)因應(yīng)未來(lái)需求而研發(fā)的新激光技術(shù)進(jìn)行了綜述。
        
        晶片切割
        智能手機(jī)所需的小物理尺寸與高性能需要較薄的內(nèi)存晶片（用于*的封裝）以及組成低電介質(zhì)的晶片，以改進(jìn)功耗。這兩種晶片對(duì)傳統(tǒng)模具切割（采用鋸）方式提出了挑戰(zhàn)。特別是，低電介質(zhì)具備高多孔性、柔軟性以及低粘附性，令傳統(tǒng)的鋸切割難以應(yīng)對(duì)。目前， “半切割”的激光劃片已經(jīng)成為用于切割低電介質(zhì)zui普遍的方法。
        

圖1 一種半切割激光器的示意圖;其中, 紫外激光器和常用的鋸均用于切割。

        在這一過(guò)程中，激光器被用于切穿軟質(zhì)外延層，從而使軟質(zhì)外延層在模具上絕緣，并使其邊緣層相對(duì)清潔，沒有損壞。隨后硅片將被機(jī)械鋸切而無(wú)須擔(dān)心外延層與鋸片接觸。
        對(duì)內(nèi)存晶片而言，機(jī)械鋸切在工業(yè)中仍然居于主導(dǎo)地位；但是隨著晶片變薄，機(jī)械鋸切會(huì)產(chǎn)生裂縫或斷裂，由此必須較慢地進(jìn)行，因而降低了產(chǎn)能。我們可以利用激光*切穿晶片，以避免這些問(wèn)題。對(duì)于100 m以下的晶片厚度，可以預(yù)期激光切割與鋸切之間的總成本相仿；對(duì)50 m以及更小晶片所做的激光加工，它將更具優(yōu)勢(shì)。
        當(dāng)前，類似Coherent公司AVIA系列355-23-250這樣的半導(dǎo)體泵浦固體激光器，已經(jīng)針對(duì)晶片劃片做了特殊的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并且成為切割應(yīng)用的設(shè)備。短波長(zhǎng)帶來(lái)小的熱影響區(qū)域（HAZ），并且調(diào)Q激光器的短脈寬（數(shù)十納秒）意味著每個(gè)脈沖的熱能被減小到zui低限度，并且可以在下一個(gè)脈沖到達(dá)之前通過(guò)傳導(dǎo)而消散。高重復(fù)頻率以及高功率降低了總擁有成本（COO），從而促使制造成本下降。
        未來(lái)趨勢(shì)：采用更高精度切割可以帶來(lái)加工簡(jiǎn)單化以及精度方面的益處。近來(lái)出現(xiàn)的工業(yè)用皮秒激光器成為了一種有效的解決方法。皮秒脈沖主要通過(guò)稱為多光子吸收的光學(xué)過(guò)程去除材料。這是一個(gè)相對(duì)冷（非熱）的過(guò)程，可以帶來(lái)比納秒激光器更優(yōu)異的邊緣質(zhì)量，從而提高成品率，并且有可能無(wú)須進(jìn)行后續(xù)加工。Coherent公司的Talisker系列激光器在355 nm波長(zhǎng)下提供了4 W的輸出，脈沖寬度為15 ps，這種全新的工業(yè)皮秒激光器已經(jīng)通過(guò)實(shí)踐證明了其提供的超高精度、速度以及可靠性的能力。
        

圖2 AVIA系列的355-23-250 為晶片劃片進(jìn)行了優(yōu)化。

         激光直接成像
        智能手機(jī)中，將更多電路安裝到更小空間的需求導(dǎo)致了越來(lái)越多地使用高密度互連（HDI）電路板，而激光直接成像（LDI）在生產(chǎn)這種電路板方面已成為一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。在LDI中，鎖模的紫外激光器可將圖案直接成像到涂有光刻膠的面板上，*排除了使用傳統(tǒng)的成像工具（即膠片）。LDIzui明顯的好處是節(jié)省了與這些成像工具的生產(chǎn)、使用、處理以及存儲(chǔ)有關(guān)的時(shí)間和成本。LDI還提供了明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的接觸印刷制備方法的精度。
        Coherent公司的Paladin系列激光器是專門為滿足LDI以及其他需要可靠、高功率紫外激光光源的應(yīng)用而開發(fā)的。Paladin系列是鎖模的半導(dǎo)體泵浦三倍頻固體激光器，波長(zhǎng)355 nm，輸出功率可以高達(dá)16 W。Paladin系列的全固態(tài)構(gòu)造堅(jiān)固耐用、具有高可靠性和長(zhǎng)壽命，并且具備的模式質(zhì)量和*的指向穩(wěn)定性、功率穩(wěn)定性以及噪聲特性。16 W的輸出功率可以在保持足夠的加工產(chǎn)能的同時(shí)，使用較廉價(jià)的干膜。
       鉆孔
        制造HDI電路板的另一個(gè)重要步驟是鉆微孔，這實(shí)現(xiàn)了電路板中的各不同層之間的電連接。與其他競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)相比，激光鉆孔提供了相當(dāng)大的實(shí)用性和成本優(yōu)勢(shì)，因此激光鉆孔已經(jīng)成為微孔生產(chǎn)的方法。例如，隨著孔直徑越來(lái)越小，直至250 m以下，機(jī)械鉆孔變得越來(lái)越昂貴，而對(duì)于150 m以下的孔則幾乎無(wú)法勝任。
        大多數(shù)用于智能手機(jī)電路板的微孔鉆孔是利用在100 W至500 W的功率范圍內(nèi)的CO₂激光器來(lái)完成。其中的一個(gè)*是Coherent公司DIAMOND K - 225i，該激光器產(chǎn)生9.4 m的波長(zhǎng)和高達(dá)225 W的功率。由于包括FR4、樹脂涂層鋁箔（RCC），聚酰亞胺、聚四氟乙烯以及芳綸在內(nèi)的電介質(zhì)材料在該波長(zhǎng)處呈現(xiàn)了顯著高于常見的10.6 m的CO₂輸出波長(zhǎng)的吸收，使得9.4 m波長(zhǎng)具有更高的價(jià)值。另外，Coherent公司DIAMOND K - 225i也證明了高光束質(zhì)量對(duì)于在加工表面達(dá)到足夠小的聚焦光斑是必須的。
        未來(lái)趨勢(shì)：半導(dǎo)體泵浦固體紫外激光器也用于鉆微孔。這些激光器的短波長(zhǎng)和高光束質(zhì)量可提供更小的聚焦尺度。相對(duì)于CO₂激光器（能產(chǎn)生100 m大小范圍內(nèi)的大多數(shù)微孔），小的焦點(diǎn)以及紫外固體激光器較低的平均功率（與CO₂相比）使得紫外固體激光器處于不利地位。然而，隨著設(shè)備小型化的趨勢(shì)仍在繼續(xù)，以及對(duì)于較小的微孔的需求增加，這些激光器的應(yīng)用將會(huì)擴(kuò)大。表1提供了CO₂激光器與紫外固體激光器在該應(yīng)用方面的全面對(duì)比。
        
        低溫多晶硅淬火
        用于諸如iPhone等智能手機(jī)的顯示屏是基于多晶硅，而非大多數(shù)平板顯示器所采用的非晶硅。多晶硅具有明顯高于非晶硅的電子遷移率。因此，基于多晶硅技術(shù)的液晶顯示器（LCD）可以提供更高的分辨率和亮度、更寬的視角以及更高的像素刷新率。多晶硅的使用也令在面板上集成顯示器驅(qū)動(dòng)電路成為可能，從而促進(jìn)正在進(jìn)行中的小型化工藝。
        基于*的低溫多晶硅（LTPS）淬火是目前顯示器制造過(guò)程中加工多晶硅層的方法。這是因?yàn)樗梢栽跍囟鹊椭?00℃時(shí)執(zhí)行，而無(wú)需使用昂貴的石英或熱玻璃襯底。目前，使用zui廣泛的LTPS技術(shù)被稱為準(zhǔn)分子激光淬火（ELA）。
        在ELA中，308 nm*的矩形光束被光學(xué)勻化，并整形為一條細(xì)長(zhǎng)的能量分布高度均勻的直線（典型的大約為465 mm×0.4 mm）。這條直線光斑被導(dǎo)引到硅涂層襯底上，然后進(jìn)行掃描。
        硅可以有效地吸收308 nm的波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)脈沖幾乎*的利用。由于晶體在垂直方向上的生長(zhǎng)，導(dǎo)致了在融合硅與剩余的未融合硅的界面處開始的結(jié)晶化過(guò)程。
        ELA需要*具有高脈沖能量（1J）、達(dá)到幾百赫茲的高重復(fù)頻率以及高能量穩(wěn)定性。高脈沖能量使每個(gè)脈沖能作用在更大的面積上。而高重復(fù)頻率是實(shí)現(xiàn)預(yù)期產(chǎn)能所必需的。傳統(tǒng)的*或提供高脈沖能量或提供高重復(fù)頻率，但兩者無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)。Coherent公司為滿足ELA需求而提供了在重復(fù)頻率為300 Hz下提供1J脈沖能量的LAMBDA SX。
        

圖3 LDI工作原理的示意圖

        觸摸屏ITO刻蝕
        在過(guò)去幾年中，觸摸屏的成本一直在穩(wěn)步下降，智能手機(jī)的觸摸屏正變得越來(lái)越常見。例如，觸摸屏銷售額在2007年約為12億美元，預(yù)期在2012年將達(dá)到50億美元以上。目前，制造觸摸屏主要有三種技術(shù)：電阻、電容和表面聲波技術(shù)。電阻和電容技術(shù)通常用于中小型屏幕智能手機(jī)中。雖然電阻技術(shù)在市場(chǎng)居于主導(dǎo)地位，但是iPhone使用的電容技術(shù)允許多點(diǎn)觸摸同時(shí)檢測(cè)，這項(xiàng)技術(shù)受歡迎的程度可望在未來(lái)幾年中得以提升。
        典型的觸摸屏面板包括頂部保護(hù)層、粘合層、被刻蝕的透明導(dǎo)電氧化物（一般是ITO）層以及玻璃襯底組成。一些制造商使用半導(dǎo)體泵浦固體紫外激光器，通過(guò)TCO層來(lái)刻劃一系列寬度約為25 m至50 m的線。在某些情況下，紫外DPSS激光器還用于去除TCO，以產(chǎn)生穿過(guò)裝置正面的更線性的響應(yīng)。
        與諸如光刻的傳統(tǒng)ITO刻蝕技術(shù)相比，紫外激光加工具有若干優(yōu)勢(shì)。特別是，基于激光的加工提供了更高的產(chǎn)能，更高的加工靈活性以及達(dá)到較小尺度的能力避免了濕化學(xué)物質(zhì)及其帶來(lái)的安全性和環(huán)境污染問(wèn)題。
        通常用于觸摸屏刻蝕的激光器是半導(dǎo)體泵浦紫外激光器，例如Coherent公司AVIA355-20在355 nm時(shí)輸出超過(guò)20 W。這種激光器不僅可以輕松地提供觸摸屏刻蝕所需的加工尺度，而且更重要的是，短波長(zhǎng)不會(huì)深入襯底，這意味著在脆弱的薄玻璃或塑料襯底上的熱負(fù)荷會(huì)非常小。
        
        結(jié)論
        多種紫外激光器已經(jīng)成為各類微電子生產(chǎn)應(yīng)用中的重要工具，這是由于他們可以支持電路尺寸更小的趨勢(shì)，而且可以實(shí)現(xiàn)比其它技術(shù)（尤其是濕化學(xué)方法）更環(huán)保和更經(jīng)濟(jì)的工藝。隨著個(gè)人電子設(shè)備的小型化和多功能趨勢(shì)的延續(xù)，我們預(yù)期更多需要激光的新應(yīng)用。相信，隨著制造商持續(xù)尋求能夠低成本制造下一代個(gè)人微電子產(chǎn)品的更好途徑，紫外激光器將日益受到青睞。