激光切割水射流外文翻译文献.docx

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激光切割水射流外文翻译文献

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（文档含英文原文和中文翻译）

附录1英文翻译

水射流与激光结合加工在半导体中的应用

摘要

最近几年，半导体晶圆已经占据了市场的很大一部分，它在复合材料的生产中超过其他硅产品的知名度。

由于这些III/V半导体材料的加工工艺要求高，因此产生了许多与传统加工不同的加工工艺和方法。

不同的切割方法之间存在着显著差异。

在传统切割中，由于存在严重的热损失，使工件的切口处产生结晶体。

现在，有了让人满意的解决方法---与激光微射流（lmj）这一成果，一个革命性耦合激光和水射流的技术。

这是一种比其他加工方法更快捷和清洁的加工方法，并且能产生很高的加工精度。

此外，它可以切割任意的形状，这在其他传统加工方法中是不可能的。

最后，安全问题不应该忘记。

事实上，由于融入了水射流，在加工过程的检测中没有发现产生有毒气体。

关键词：

激光切割，水射流引导激光，砷化镓，化合物半导体。

1.导言

硅占半导体晶圆市场已经超过三十年。

然而，持续的要求，更高的速度和增加小型化带动无线电和宽带通讯行业的发展，使III/V半导体材料，如砷化镓（GaAs）的和磷化铟（InP）的需求量增大。

事实上，这些材料的电学性比纯硅更具有优势，它们在高频率的运作，改善信号接收效果，更好的处理信号在拥挤的频带，和增大大的功率效率更有优势。

根据“IC的洞察”的市场研究（公司总部设在斯科茨代尔，亚利桑那州），在2002年占市场87％的份额的化合物半导体集成电路仍然主要是基于砷化镓。

半导体市场已经把他们生产的产品定在这个方向。

“IC的洞察”调查，在2002年到2007年化合物半导体每年平均的增长率为22%。

相较之下，比同一时期的IC市场增长率为10％。

在2000年该化合物半导体IC市场的高峰24.2亿美元，但在2002年下跌至16.9亿美元。

“IC的洞察”预测增长强劲，在随后的岁月，与不断扩大到2007年，当市场将会扩大一倍以上，达46.5亿美元。

今天，砷化镓市场已不再被认为是为特定盈利市场。

最重要的应用不光是无线通信业，砷化镓是揭示了它的潜力在光电电子应用在军事，医疗，特别是LED照明领域。

标准的生产技术仍然需要变得更加适应这一新的高增长的市场。

减少芯片尺寸低于500um的规定，使用更薄的晶圆比100um的，缩小晶圆厚度也有其优点，可以降低其温度梯度。

由于砷化镓是非常脆弱，改善方法是用树脂叶片。

这需要提高切削速度和质量。

此外，考虑制造晶圆的切割过程是精密的，这需要使用新的切割方法，达到高生产率。

此外，砷化镓的价格昂贵也是需要考虑的。

另一个不如忽视的重要方面是：

制造和加工的化合物半导体，尤其是砷化镓，对安全有严重的威胁。

砷化镓气体有毒，是引起人类致癌物质。

这些事实提出了很多的关注，从环境，健康和安全的立场。

2.比较不同的切割方法

目前有三种加工方法，用来加工砷化镓晶圆，即砂轮切断，刨切，和激光引导水射流切割。

由于砷化镓的特定属性，缺点不容忽视，当切割硅晶片，因为划片砷化镓在加工时有很多缺点。

传统的切割方法在加工半导体时会遇到很多问题。

激光引导水射流切割主要优势切割硅晶圆时的切缝质量高。

如果是传统的切割方法的话，由于硅晶圆非常的脆，加工出高质量的切缝是很难实现的。

刨切宽度较大的砷化镓时，加工面面要拓宽，从而减少芯片数量的百分之晶圆。

此外，由于机械的限制，导致工件的边缘往往容易破碎，从而使该件无法使用。

在一般情况下，要达到一个符合条件的切割质量，切削速度要在3到12mm/s之间，这主要取决于晶圆的厚度，从而大大减缓了整个加工效率。

表1显示的是3种切割方法的比较。

水射流切割可以在同样的毛配件中切削出更多的工件，既节约材料降低成本。

在加工一个昂贵的复合材料，这是一个真正的优势。

举例来说，晶圆并不总是沿内切线。

这往往是晶圆破损的主要原因。

这意味着，要清楚处理大量的废弃晶圆时间和精力。

利用激光引导水射流，不需要将它与一个标准的激光看待，可以增加砷化镓晶圆的切削速度，提高切缝质量。

此外，它可以切割任意形状，包括多项目晶圆，这在传统切割中是不可能的。

3.水射流引导激光加工

激光引导水射流采用了薄水射流作为一个引导件，以指导工件加工（参见图1）。

除了引导激光，水射流冷却作用正是它的优势所在，它可以降低切削时的温度，也就消除了材料的熔融。

事实上，在激光引导水射流是一个低温切割系统，在任何切削过程中检测的工作的切削温度不会超过160°C的[2]。

这种水射流很安全，在晶圆在切割中不存在由于机械和热而产生的损失（见图2）。

该水射流提供了一个不断切缝宽度等于直径的射流，因此，特别是对非常脆和难以加工材料如砷化镓，即使厚度小25μm也可加工，（25至75μm的根据该喷嘴直径）。

另一个明显的优势，这种水射流对于此特定的应用是当工件变薄时它的切削速度和质量会增加，而在传统切割中，这是刚好相反。

薄砷化镓晶圆，可实现非常高切割速度。

传统的激光切割砷化镓时产生大量的碎片，很难消除，甚至可以破坏附近的活性成分。

在水射流切割中，这个问题已经克服。

使用一种特殊的薄水膜，新技术的具体不断晶圆清洁和免费的粒子。

由此产生的水平芯片的污染，比传统的切削方法要小得多。

任意形状的切割，在薄晶圆加工中已变得日益重要，为各种应用在微电子学和医学，在其中的任意形状使用。

传统技术不能提供所需的灵活性和两维自由度。

图3介绍了水射流全方位的定向切割。

左图的砷化镓晶圆厚175μm，切缝宽75μm的，所取得的速度15mm/s（点表面上是没有残留）。

该切削的晶圆（右侧）是250μm厚，切削速度2mm/s。

4.安全

关于安全问题，多次对水射流测试表明在切割过程中空气里没有发现存在砷化氢的气体，切割砷化镓晶圆[3]，一个重要的差异，以传统激光切割为例（见表2）

这是不得不令人惊讶，因为激光引导水射流是水射流和再加上在一个很短激光脉冲（约450ns）相互作用的雷射光与物质。

由于有水的存在，在切割时不会产生有毒气体，而是是有毒气体溶解到水中。

因为废水中砷的浓度很高，所以废水应当适当的过滤或循环。

与传统切割相比，激光引导水射流切割砷化镓不需要任何额外的保安系统。

5.结论

总括而言，较传统的切割方法，水射流切割展示了无可争议的优势。

100μm厚的晶圆可以切割在六60mm/s和卓越的品质是达成共识。

甚至，尽管传统方法已有所改善所做，多年来，他们将很快取代晶圆变薄和聘用更多的成本和关键材料。

参考

[1]“2003年麦卡琳报告”，新闻稿，IC的洞察，2003年。

[2]N.Dushkina,B.Richerzhagen:

“划片砷化镓晶圆与思诺瓦激光微-挑战，改善和安全

[3]N.Dushkina“安全切割砷化镓晶圆与雷射器”，技术文件的工业标准结构，第一卷。

438，175-183，2003。

英文原文

ABSTRACT

Forafewyearsnowthesemiconductorwafermarkethasturnedasubstantialpartofitsproductiontowardscompoundmaterials,fasterthanthewell-knownsilicon.ThemechanicalandchemicalpropertiesoftheseIII/Vsemiconductormaterials（ofwhichthemostusedbeinggalliumarsenide,GaAs）requirenewspecializedtechnologies.Inparticular,thesingulationprocessisprovedtobedelicate.Differentdicingmethodsexist,butimportantdifferencesinresultscanbeobserved.Thesawcreatesconsequentchippingaswellasbrokenedges.Conventionallasersshouldbeavoidedbecauseofimportantheatdamages.Thescribeandbreakmethodcancreatecracksthattendtobreakwafers.ThemostsatisfyingresultsareobtainedwiththeLaserMicrojet（LMJ）,arevolutionarytechnologycouplingalaserandawaterjet.Itisfasterandcleanerthananyotherprocess,andgeneratesanimpressivekerfquality.Furthermore,itallowsfree-shapecutting,whichisimpossiblewithblades.Atlast,thesafetyquestionshouldnotbeforgotten.Infact,becauseofthewaterjet,notoxicarsenicgascouldbedetected.

Keywords:

Lasercutting,Waterjetguidedlaser,GaAs,Compoundsemiconductors,Chipping-free

1.INTRODUCTION

Siliconhasdominatedthesemiconductorwafermarketformorethanthreedecades.However,thecontinuingdemandsforhigherspeedandincreasingminiaturizationhavedriventhewirelessandbroadbandcommunicationsindustriestousethebrittleanddifficult-to-handle,butmuchfaster（meaninghighercarriermobility）,III/Vsemiconductormaterials,suchasgalliumarsenide（GaAs）andindiumphosphide（InP）.Indeed,thesematerials’electricalpropertiesgivethemseveralperformanceadvantagesoverpureSi,includinghighfrequencyoperation,improvedsignalreception,bettersignalprocessingincongestedfrequencybands,andgreaterpowerefficiency.AccordingtoICInsights,marketresearchfirmsbasedinScottsdale,Arizona,compoundsemiconductorICsarestilllargelybasedonGaAs,whichaccountedfor87%ofthemarketin2002.Mostofthebigplayersinthesemiconductormarkethaveturnedtheirproductioninthisdirection.ICInsightsexpectsthecompoundsemiconductorICmarkettoexperienceanaverageannualgrowthrateof22%from2002through2007.Incomparison,thetotalICmarketwillgrowatarateof10%overthesametimeperiod.ThecompoundsemiconductorICmarketpeakedat$2.42billionin2000,butfellto$1.69billionin2002.ICInsightsforecastsstronggrowthinthefollowingyears,withacontinualexpansionthrough2007,whenthemarketwillhavemorethandoubledto$4.65billion.

TheGaAsmarketisnolongerconsideredanichemarket.Today,ifthemostimportantapplicationremainsthewirelesscommunicationindustry,GaAsisrevealingitspotentialinopto-electronicsforapplicationsinthemilitary,themedicalandespeciallytheLEDlightingdomains.Standardproductiontechnologiesstillneedtobecomemoreadaptedtothisnewhigh-growthmarket.Decreasingthechipsizebelow500μmrequiresusingwafersthinnerthan100μm;shrinkingthewafers’thicknessalsohavetheadvantageofloweringitstemperaturegradient.TheuseofGaAswafers,

whichmightbeasthinas25μm,createsproblemswhentheyreachthelastleveloftheproductionchain–chipsingulation.BecauseGaAsisverybrittleandfragile,evenimprovedsawmethodsusingresinoidbladesdonotprovidethedesiredhighcuttingspeedandyield.Furthermore,consideringthatdicingistheverylastprocessofwafermanufacturing,whichmeansthatthewaferhasthehighestvalueatthatstage,andthedrivetowardhigherproductionvolumesatlowercosts,itisparamounttoemploythedicingmethodthatachievesthehighestyield.ItisalsoimportanttoconsiderthatalthoughGaAs’spriceisnotashighasitusedtobe,itisstillacostlymaterial.Anotherimportantaspectmustnotbeneglected:

manufacturingandprocessingofcompoundsemiconductors,especiallyGaAs,revealsseriousindustrialsafetyconcernsbecauseofthehazardouschemicalcompoundsfoundincertainprocesses.PurecompoundGaAscontains51.8%wtarsenic.Itisdescribedastoxicbyinhalationandapossiblehumancarcinogen.Thesefactsraisealotofconcernsfromanenvironmental,healthandsafetystandpoint.

2.COMPARISONOFTHEDIFFERENTDICINGMETHODS

Therearecurrentlythreewell-knownmethodstodiceGaAswafers,namelytheabrasivesaw,scribingandbreaking,andlaserLMJdicingprocesses.BecauseofGaAs’sspecificproperties,disadvantagesofcertainmethodsthataretoleratedwhendicingSiwafersbecauseitisaratherforgivingmaterialbecomeunacceptabledisadvantageswhendicingGaAs.Traditionalsawingisthemostcommondicingtechniqueusedinthesemiconductorindustryingeneral.ItsprimaryadvantageontheSiwaferisthequalityofthekerf.ButthesawingprocessinducesmechanicalconstraintsthatarecriticalinthecaseofGaAs.IfchippingisacceptableforSi,itisnotthecaseforthisbrittlecompound.ChippingwidthsofGaAsbeinglarger,thestreethastobewidened,therebydiminishingthenumberofchipsperwafer.Also,becauseofthemechanicalconstraintsinducedbysawing,chipscornerstendtobreakeasilythusrenderingthepiecesunusable.Ingeneral,toachieveanacceptablecuttingquality,sawspeedhastobereducedtovaluesrangingbetween3and12mm/s,dependingonthewafer’sthickness,therebyconsiderablyslowingthewholeprocess.Table1showsacomparisonofthreedicingmethods.

Withthescribeandbreakmethod,streetwidthcanbereduceddrastically,increasingthenumberofdiesperwafer.Thisisarealadvantagewhenprocessinganexpensivecompoundmaterial.However,automationistoolowtoensureanacceptableyield.Forexample,wafersdonotalwaysbreakalongthescribedline.Thisoftenresultsintototalwaferbreakageandloss.Thismeansaswellthattheprocessingspeedisslow,andalargeamountofscrapwafersarerequiredforqualifications.

UseoftheLaserMicrojet,nottobeconfusedwithastandardlaser,appreciablyincreasesthespeedandkerfqualityofGaAswaferdicing.Moreover,itallowsfree-shapecutting,includingmulti-projectwafers,whichisnotpossiblewithconventionalsawingtechniques.

3.WATER-JETGUIDEDLASERPROCESSING

TheLaserMicrojet（LMJ）usesathinwaterjetasalight-guidetoguidethelaserontotheworkpiece（seeFig.1）.Apartfromguidingthelaser,thewaterjetcoolsthepieceexactlyattheplacewhereitisbeingcutandheated,alsoremovingthemoltenmaterial.Infact,LMJisalow-temperaturelaserdicingsystemsincethemeasuredtemperatureduringanyworkingconditionsdoesnotexceed160°C[2].

Thelow-pressurejetalsoinsuresthatnomechanicalandnothermaldamagesareincurredbythewaferduringdicing（seeFig.2