微电子元件的微型化

        微电子元件制造商利用激光来提高技术水平。

        

        便携性是计算机领域的工业标准。现在，消费电子产品，如笔记本电脑、PDA和MP3播放器随处可见。随着人们对于小型化，更大的存储器容量，更快的处理速度，数字资料更好的可视化性能，和更好的通信能力的要求不断增长，微电子工业的技术也呈指数式提高。

        

        所取得的许多进展是由于工业生产制造量的提高以及磁盘和芯片空间更有效的利用。然而，如果没有那些促使微电子元件制造商使用先进光学技术取代许多电学、机械以及化学工艺过程的突破性发展，这些进展也不可能发生。不妨考虑一个典型的笔记本电脑（如图1）。事实上，目前每个元件的制造都至少受益于一项激光应用，激光技术改变了这些元件的生产方式。

        

        微电子设计的两个主要标准是生产更快、更小的元件。对于在加工过程中使用的激光器来说，要得到更高的生产量就必须提高脉冲的重复频率，要得到更小的特征尺寸就必须有更小的光斑大小（即更短的波长）。固态激光器的发展致力于满足这些要求，它对微电子工业产生了巨大的影响，其应用范围包括了计量学、存储器修复、电路微调、钻孔、硬盘纹理加工和子部件标记。光是平板显示器（FPD）的生产就包括了几项激光器应用，包括激光退火，玻璃分离和打标。调Q二极管泵浦固态（DPSS）激光器已经成为在许多应用方面的工业标准，因为它的重复频率得到了提高，也更容易得到可靠的固态紫外激光光源。

        

        现在，随着激光器从研究工具和重型机械设备的角色发展成为在大范围的微型工业加工领域内的可行技术，人们更多的认识到了光学在工业应用方面的潜力。许多公司，如Newport公司(www.newport.com) 和它下属的光谱物理激光公司(www.spectra-physics.com)，已经进行了四十年的激光器和光学元件开发，现在它们在微电子工业领域扮演着越来越重要的角色，因为它们能够为系统集成器和主要设备的供应商把稳固的固态激光器光源和振荡控制设备、光学-机械设备、及激光定位设备结合到原始设备供应商的局部装配中。

        

        生产制造中的DPSS激光器

        

        以基于激光的方案来替代化学和机械的生产过程带来了几项与传统技术相比的优势。DPSS激光器已经成为一种有力的生产工具，这是由于它们的小型化、稳固性、光束质量，以及重复频率和波长的可变性。当前，紫外（UV）波长（主要是355 nm和266 nm）在微电子制造中变得更为重要，这是因为它们有更小的光斑尺寸。

        

        激光微加工是一个非接触的过程：不需要使用水，几乎不会产生灰尘颗粒，没有必要使用有毒的化学物。随着基于激光的生产更多地取代湿式化学工艺，生产步骤变得更“干净”，而他们也使得生产过程得到更好的控制。激光刻绘，纹理加工和标记，使得在一个单独的元件内，所用的空间更少，排列更规范，尺寸更小，结构更精确。这带来了质量控制的改善，成品率更高，产量更大。此外，还有一些基于激光的制造应用是其他技术无法完成的，比如高分辨率的光刻法。

        

        笔记本电脑

        

        为了表明在微电子制造中光学应用的重要性，我们以笔记本电脑为例。并且我们大致给出目前基于激光加工的一些制造步骤，包括硬盘驱动器、动态随机存取存储器（DRAM）、键盘、PCB和平板显示器的生产加工。

        

        在笔记本电脑的制造中，有许多单独的元件被加工。激光对这些元件进行标记，就为它们标上了日期时间或者其它的字母和数字符号。这个过程没有使用染料，通常使用它来对电子元件封装和键盘进行标记。类似的，半导体晶圆的标记是利用了绿光（532 nm）调Q激光器。这里，光源被作用在在晶圆的背面，以避免对于有效面的损坏可能，同时，它对晶圆上每个芯片都加了独特的记号。 

        

nextpage        打标，或说“印上标志”，也被用来帮助跟踪平板显示器（FPD）。在这项应用中，制造商要求解决方案必须能尽可能减小在FPD表面的面积。因此，许多公司都使用紫外激光器，这是由于它能够得到目前最小的光斑尺寸。在FPD工业领域，有许多不同的激光标记技术得到应用。在一些情况下，玻璃被覆盖上了一层感应紫外光的材料，而其他制造商可能利用激光对玻璃表面或者表面以下进行直接标记。

        

        硬盘纹理加工产生了一个有纹理的，或者“粗糙”的区域，这个区域用来作为硬盘上的一个磁头停放区（如图2）。若没有使用这项技术，高度抛光的表面将导致读-写磁头对硬盘的附着。在计算机的启动过程中，当磁盘开始旋转时，读-写磁头可能会破坏没有纹理的元件。在过去，硬盘制造商不得不依靠金刚石研磨剂来对表面进行研磨。然而，在几年中，使用激光器来产生纹理就取代了这项湿式加工。

        

        利用激光对磁盘进行纹理加工，就要求有高脉冲重复频率以提高加工的产量。同时，要求有高度可靠性以降低生产的停工时间，要求有脉冲之间稳定度高，并且对脉宽有精确的控制，以确保可重复的结构成型。高重复频率还意味着能够产生更密集的磁头停放区，因为有更多结构可以在相同的时间内产生。目前，在磁盘驱动器工业内的纹理加工技术是利用调Q的DPSS激光器来实现，例如由光谱物理（Spectra Physics）公司生产的V系列激光器，这类激光器可以产生的平均功率达到8W（波长为1064 nm），同时，脉冲之间的稳定性很好，重复频率高达300 kHz。激光光束接近衍射极限（TEM00），这就能够重复产生圆形的“隆起”。这类激光器目前已成为业内标准，在硬盘制造工业内占了总市场份额的90%。

        

        PC板的制造

        

        PC板的制造中有许多步骤采用了激光工艺，包括集成电路标记，存储器修复，硅晶圆的切片和电阻器的微修整。

        

        PC板上的组件会收缩，在许多情况下，在直接的制造过程中，无法得到元件的阻抗和容抗的准确值。取而代之的是，在两步（包括在线测量和修整）的加工中，电阻率被优化了。小型精确电阻和电容的制造商们通过有选择性的去除块状物质（即激光调阻技术）来得到准确的值，这是以“L”形（如图3）来加工，它使用了红外调Q的DPSS激光器，如光谱物理（Spectra Physics）公司的Navigator系列。激光微调技术要求有一致的脉宽和很好的光束质量，以实现高效和可重复的加工。

        

        在优化元件后，激光器被用来对陶瓷的基底进行打孔和划线工作，以便将单独的芯片分开。划线是一个局部的切割或者打孔。在加工的后期，利用了机械加压来分离单独的元件（如图4）。

        

        类似的，半导体晶圆也利用了激光器来划线和切片。利用激光进行晶圆切片与可用的金刚石锯切相比有几项优势。以传统的方法，叶片会变钝，需要更换，有时候只加工了一到两块晶圆就要换了。由于叶片的更换和大量的停工时间，将导致额外的加工成本。激光切片是一个非接触的工程，不需要消耗性工具。非接触方法几乎不产生灰尘，并且切割的边缘更加干净；边缘质量的提高使得损坏减少，产品质量更好。此外，使用传统的机械锯无法切割薄的半导体晶圆，而紫外激光器或者红外激光器对于在半导体晶圆上分离单独的芯片来说尤为重要。

        

        存储器修复

        

        在存储器芯片的生产中，芯片有许多的扇区会被破坏或者是多余的。激光光束被用来切断特定的电路或者引线，这样就隔离或者禁用了被破坏的存储器扇区，这带来了更高的成品率。传统上存储器修复是由红外激光器实现的，但是，可靠的固态绿光（532 nm）和紫外（355 nm）光源的发展提供了所需要的更小的光斑尺寸（它能够实现在更小或者更稠密压缩的存储器扇区中选择性的除去更小的引线），这就使得微电子工业内的进一步小型化成为可能。目前的工业加工要求单脉冲工艺，这就要求激光器脉冲之间的稳定性很好，并且有轮廓分明的圆形光束。

        

        下一个步骤

        

        随着微电子加工的发展，更多目前使用红外或可见波段的制造过程将改变方案和材料以利用紫外波长，因为它具有更小光斑尺寸。更高的重复频率可以提高产量，但是还有其他可能的手段。通过改变工业加工过程，使用单个的高功率激光器作为单个光源（“光引擎”）来为多个工作站提供光，这就实现了产量的进一步提高。

        

        激光的不断发展，以更小的封装实现了更高的功率，并且使得人们能够在工业应用中更广泛地利用光子技术。随着激光技术的发展，毫无疑问，它将给微电子行业带来前所未有的提高。

        

        随着更小、更快、功率更强、更灵活、更可靠光源的发展，激光器和激光系统公司提供的应用领域将不断地扩大。分系统（包括光学系统、机械控制系统和振动隔离方案）的不断发展，将提供完整的“光引擎”分系统。这一系统将被系统集成器和主要设备制造商利用来进一步提高他们自己的技术和应用。

        

        Arnd Krueger (arnd.krueger@spectra-physics.com)是光谱物理（Spectra Physics）公司产品市场部的高级主管。Wolfgang Juchmann是该公司固态激光器的产品经理。