文章來源：學習那些事

原文作者：路漫漫

本文主要講述激光劃片機。

概述

激光劃片機是利用高能激光束對晶圓等材料進行切割或開槽的精密加工設備，廣泛應用于半導體、微電子、光學器件等領域。其核心原理是通過激光與材料的相互作用，實現(xiàn)材料的固態(tài)升華、蒸發(fā)或原子鍵破壞，從而完成高精度加工。

根據(jù)技術原理，激光劃片機主要分為干式激光劃片機和微水導激光劃片機兩類；按自動化程度則可分為半自動與全自動機型。以下從設備結(jié)構(gòu)、工作原理及技術特性展開詳細介紹。

對比傳統(tǒng)機械劃片的優(yōu)勢

適應薄型化趨勢：機械劃片對薄晶圓（厚度＜50μm）破片率高，而激光劃片非接觸加工可大幅降低損耗；

異形切割能力：可實現(xiàn)橢圓、六邊形等復雜輪廓切割，優(yōu)化晶圓排版效率，提升有效晶粒數(shù)量；

潔凈加工：避免機械劃片的金屬碎屑污染與刀刃磨損問題。

干式激光劃片機

1.設備組成與功能

干式激光劃片機主要由激光系統(tǒng)、X-Y工作臺、θ向旋轉(zhuǎn)臺、Z向調(diào)焦系統(tǒng)、除塵及真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。其中：

激光系統(tǒng)根據(jù)材料對激光的吸收特性選擇波長與能量參數(shù)，常見波長包括1064nm、532nm、355nm等；

X-Y工作臺實現(xiàn)快速直線往復運動與精密步進運動，定位精度達微米級；

θ向旋轉(zhuǎn)臺用于晶圓劃切道的精密對位，確保切割路徑準確；

Z向調(diào)焦系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光焦點與CCD成像焦點，保證加工精度；

除塵與真空系統(tǒng)及時清除加工碎屑，維持潔凈環(huán)境。

干式激光劃片機典型結(jié)構(gòu)

2. 加工原理與分類

干式激光劃片的核心原理是通過激光能量與材料的熱作用或非熱作用實現(xiàn)加工，主要分為燒蝕加工與隱形切割兩種方式：

燒蝕加工：

原理為極短時間內(nèi)將激光能量集中于材料表面微小區(qū)域，使劃切道內(nèi)材料熔化、汽化，實現(xiàn)開槽或全切割。

分類包括激光開槽加工和激光全切割加工：

激光開槽加工在材料表面切割出深度為總厚度1/4~1/3的凹槽，后續(xù)通過裂片工藝沿槽分裂獲得芯片；

激光全切割加工直接切穿材料全厚度，需通過擴晶工藝分離芯片。

其特點是切割速度快、槽寬窄，但存在熱影響區(qū)、材料重凝、裂紋等問題。

隱形切割：

原理為將激光能量聚焦于材料內(nèi)部，利用特定波長（如紅外激光）使硅原子鍵斷裂，在材料內(nèi)部形成變質(zhì)層，再通過擴展膠膜等方式分離芯片。

特點是表面無損傷、無碎屑、無需清洗，適用于抗污染與抗負荷能力差的材料（如薄型晶圓、MEMS器件）。

隱形切割

1. 紫外激光劃片

冷切割原理：紫外激光（波長＜400nm）直接破壞材料化學鍵，熱影響區(qū)極小，適用于聚合物、玻璃等敏感材料；

應用場景：精密切割集成電路、光學元件，尤其適合金屬鍍層晶圓與超薄芯片。

關鍵工藝參數(shù)：

激光波長與脈寬：波長越短（如紫外355nm）、脈寬越短（飛秒級），熱效應越小，適合微細加工，但成本較高；

光斑直徑：聚焦后光斑直徑越小，劃片槽越窄，但焦深縮短，需平衡切割厚度與精度；

功率：功率增大則劃片深度與寬度增加，但熱累積風險上升；

頻率：頻率影響峰值功率與平均功率，臨界頻率（如50kHz）可獲最佳切割深度與質(zhì)量；

速度：速度過快會導致切割痕跡不連續(xù)，形成鋸齒狀邊緣，需與頻率匹配。

2.微水導激光技術

復合加工優(yōu)勢：在微水導激光基礎上，利用水柱沖刷帶走切割熱與熔融顆粒，避免表面污染與熱損傷；

技術瓶頸：設備成熟度低，噴嘴壽命短，需解決水柱穩(wěn)定性與激光防護問題。

微水導激光劃片機

1.設備組成與功能：

微水導激光劃片機由激光頭、CCD視覺系統(tǒng)、耦合裝置、X-Y精密定位工作臺、Z向調(diào)整系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)等組成。關鍵部件包括：

激光頭與聚焦鏡引導激光束并聚焦于噴嘴圓心；

微水柱噴嘴噴出直徑30~100μm的高壓純凈水柱，作為激光傳輸介質(zhì)；

水循環(huán)系統(tǒng)提供過濾后的高壓純凈水，確保水柱穩(wěn)定性與潔凈度。

2. 加工原理

微水導激光切割基于“激光在微水柱中全反射傳輸”的原理：

激光束經(jīng)聚焦鏡進入水腔，聚焦于噴嘴圓心；

高壓純凈水從水腔左側(cè)流入，通過微孔噴出形成穩(wěn)定微水柱；

激光束耦合至水柱中，利用水柱與空氣界面的全反射效應，沿水柱傳輸至材料表面；

激光能量僅在水柱直徑范圍內(nèi)燒蝕材料，實現(xiàn)非接觸切割。

其特點是無熱影響區(qū)、無熔渣、無機械應力，切割表面潔凈，適合高精密器件（如超薄晶圓、光學芯片）。

技術挑戰(zhàn)在于噴嘴制作精度要求高，水柱穩(wěn)定性直接影響加工質(zhì)量，需防范激光輻射。

微水導激光劃片機典型結(jié)構(gòu)

總結(jié)

激光劃片機憑借高精度、非接觸、適應復雜輪廓等特性，成為半導體封裝與微加工領域的核心設備。干式激光劃片機在效率與成本上具優(yōu)勢，微水導與紫外激光則向高精度、低損傷方向突破。未來，隨著飛秒激光、智能化控制系統(tǒng)的發(fā)展，激光劃片機將進一步提升加工效率與材料適應性，推動微電子制造向更微型化、集成化邁進。