雷射清洗聚醯亚胺薄膜课件.ppt

1、第第 10 10 章章最新雷射加工技術最新雷射加工技術10.1 雷射修補10.2 雷射光刻10.3 雷射清洗10.4 雷射劃片10.5 雷射引致分離10.6 雷射加工高密度撓性電路板10.7 脈衝雷射濺射沉積薄膜技術10.8 雷射輔助化學氣相沉積10.9 雷射強化電鍍10.10 雷射退火非晶矽10.1 雷射修補雷射修補l10.1.1 雷射微調雷射微調1 l 雷射微調包括薄膜電阻（0.010.6m厚）的微調、厚膜電阻（2050m厚）的微調、電容的微調和混合積體電路阻抗值的微調。l 調阻時將雷射聚焦在電阻薄膜上，在計算機精確控制下，將物質汽化。首先對電阻進行監測，把監測數據傳送給計算機，計算機根據

2、預先設定的程序，控制雷射依一定路徑切割電阻薄膜，並在線監測直至阻值達到設定值，完成一個調阻過程。圖圖10.1L型切割方式及調阻曲線型切割方式及調阻曲線 圖圖10.210.2雷射調阻的部雷射調阻的部份份切割線型切割線型 l 目前，雷射微調設備主要採用連續氪燈激發的Nd：YAG聲光調Q雷射器，平均功率幾瓦至二十幾瓦，調制頻率1030kHz。 圖圖10.31.3 m波長波長Nd：YAG的雷射厚膜電阻微調機的雷射厚膜電阻微調機 l10.1.210.1.2儲存器雷射冗餘修正儲存器雷射冗餘修正1,21,2l 製造儲存器雷射冗餘修正系統的關鍵技術是合適的雷射波長、微小的光斑、高定位精度掃描和高速控制軟體。用

3、波長為1.3m的雷射進行修正，切口清潔、矽基片無破壞，每秒可切斷1000條連線。l10.1.310.1.3掩模版雷射修補掩模版雷射修補11l 高積體度電路的掩模版的製造，不可避免地會出現缺陷，缺陷主要有兩種形式：一種是非透明區域出現針孔，另一種是透明區出現黑點（鉻）。用雷射修補系統修補掩模版時，先將半成品掩模版的圖像與CAD數據庫中的數據進行比較，確定缺陷的種類和位置。雷射修補系統接受這些訊息後，對於黑點缺陷，系統將雷射聚焦在多餘的鉻點上，使之汽化而去除了黑點，對於針孔缺陷，使針孔處在有機鉻氣氛中，用雷射照射使有機鉻分解，鉻沉積在針孔處，補上了針孔。10.2 雷射光刻雷射光刻l 雷射光刻技術比

4、傳統的汞燈光刻技術精細，可大幅度降低生產成本，可加工0.1251m的線寬，非常適合於超大規模積體電路的製造。246nm的KrF準分子雷射，首先用於0.25m的晶片曝光，加上相移圖形和光學鄰近效應修正，後來可做到0.15m的晶片曝光。193nm的ArF準分子雷射，可用於0.13m的晶片曝光，這一線寬與16Gbit動態隨機儲存器(DRAM)的相當。157nm的F2準分子雷射，可用於0.1m的晶片曝光，其最小特徵可達0.07m。 圖圖10.410.4採用採用F F2 2準分子雷射光源進行光刻腐蝕的線條準分子雷射光源進行光刻腐蝕的線條 10.3 雷射清洗雷射清洗l 雷射清洗是一種新型雷射表面處理技術，

5、其利用高能雷射照射工件表面，使表面的污物、銹斑或塗層發生瞬間蒸發或剝離，高速有效地清除對象表面附著物或表面塗層，而達到清潔材料表面的技術過程。l 由於雷射清洗需要專用的雷射設備，主要包括雷射清洗物體表面的微粒、雷射脫漆、雷射除銹和去氧化皮、雷射去油脫脂、雷射清洗微電子元件等。l 雷射的波長、能量密度、脈衝次數、偏振狀態、入射方向、使用的氣流以及被清洗物體的材料和污染物的性質、大小等，都對雷射清洗效果有重要影響。l10.3.110.3.1輪胎模具雷射清洗輪胎模具雷射清洗l 在汽車輪胎的生產中，輪胎模具由於受到橡膠、配合劑以及硫化過程中，所使用的脫模劑的綜合沉積污染，反覆使用會造成一些花紋污染死區

6、。因此，輪胎模具的底部及周邊花紋，每隔23周需要清洗一次，每隔幾個月就要將整個模具徹底清洗一次。傳統方法是用化學藥水浸泡或噴砂清洗，不但費用昂貴、噪聲大、污染嚴重，而且還影響到模具的表面品質。l 1. 1.雷射清洗輪胎模具的優勢雷射清洗輪胎模具的優勢(1)對環境無污染。(2)可實現在線上清洗作業。(3)對模具表面無損傷(4)清洗速度快，經濟效益好。(5)雷射清洗乾淨徹底。l 2. 2.輪胎模具雷射清洗系統輪胎模具雷射清洗系統圖圖10.510.5JET laser system JET laser system GmBHGmBH的雷射清洗機的雷射清洗機 圖圖10.610.6雷射清洗前後的對比照片

7、雷射清洗前後的對比照片 l10.3.210.3.2矽片雷射輔助清洗矽片雷射輔助清洗l 對於高積體度次微米半導體元件的製造來講，在矽片的製造過程中未完全清除的微粒污染會造成致命的缺陷，灰塵尺寸即使只有元件線寬的10%就可能造成元件失效。l 1. 1.雷射清洗的優勢雷射清洗的優勢(1)提高精密元件的成功率。(2)特別適合於極高分辨率光刻前所需晶片的清洗。(3)效率高。(4)保護環境。(5)經濟效益高。l 2. 2.通常採用的方法通常採用的方法l 雷射乾式清洗：用高峰值功率的脈衝雷射照射被清洗材料，微粒或材料表面吸收雷射能量，由於熱擴散產生的力，將微粒撞擊離開表面，使基片實現清洗。雷射乾式清洗常用的

8、是短脈衝的紫外KrF準分子雷射。l 雷射輔助清洗：一是雷射能量被微粒周圍和下面的清洗劑吸收，導致清洗劑迅速升溫而發生爆炸性汽化，把微粒推離材料表面。二是使被清洗材料吸收雷射能量，使能量加熱清洗劑，導致產生爆炸性汽化而帶走微粒。雷射輔助清洗常用的是脈衝CO2雷射器。 l10.3.310.3.3雷射清洗聚醯亞胺薄膜雷射清洗聚醯亞胺薄膜l 在封裝的過程中，需要在聚醯亞胺薄膜上打通路孔、製造表面微結構電路圖案和佈置高密度連線等。在這些過程中，聚醯亞胺常常遭受Ti、Cr、W、Ni或Pb等的污染，紫外雷射由於有很高的光子能量，能打斷聚醯亞胺的分子鏈，通過對薄膜的剝離，達到清除污染的目的。l10.3.410

9、.3.4積體電路組件雷射消閃積體電路組件雷射消閃l 積體電路封裝中模閃常常填塞IC導架。隨IC積體度提高，接腳越來越多，孔也越來越小。準分子雷射剝離能徹底清除小孔模閃。l 雷射消閃一般使用KrF準分子雷射器，波長248nm，脈寬20ns。用直徑50mm，焦距500mm的平凸透鏡聚焦，在空氣中雷射光束垂直入射。l10.3.510.3.5積體電路組件雷射退標積體電路組件雷射退標l 在積體電路的生產中常會發生封裝標記品質不好或出現差錯，還有的用戶臨時改變設計，在重新標記前需清除已有標記。l 雷射退標的同時也將表面的灰塵、油脂和氧化物等清除乾淨，露出純淨的模材，重新標記後耐久性很好。l10.3.610

10、.3.6大型天文望遠鏡的清洗大型天文望遠鏡的清洗l 大型天文望遠鏡由於露天使用，鏡面常被微粒污染，採用KrF準分子雷射清洗，獲得良好的效果。l 雷射不產生鏡面損傷的能量密度閾值隨波長增加而提高。從避免損傷鏡面出發，選擇較長的波長清洗比較安全。l10.3.710.3.7磁頭滑座空氣軸承的清洗磁頭滑座空氣軸承的清洗l 磁頭滑座空氣軸承是由三氧化二鋁(Al2O3)和碳化鈦(TiC)製造的，在製造過程中，其表面通常黏附二氧化鋯(ZrO2)微粒。先用強氣流吹掉鬆散的微粒，再進行雷射清洗，清洗前後用光學顯微鏡檢查表面黏附的微粒數目。l 採用KrF準分子雷射器，波長248nm，脈寬23ns，使用脈衝重複頻率

11、5Hz，最大脈衝能量300mJ，經石英透鏡聚焦照射到空氣軸承上，經100個脈衝清洗，其潔淨度接近100%。圖圖10.710.7導光臂輸出的雷射清洗機導光臂輸出的雷射清洗機 l10.3.8藝術品雷射清洗藝術品雷射清洗圖圖10.810.8清洗前後的對比照片清洗前後的對比照片 圖圖10.910.9建築清洗前後的對比照片建築清洗前後的對比照片 l圖圖10.1010.10為光纖輸出的雷射清洗機，採用為光纖輸出的雷射清洗機，採用NdNd：YAGYAG調調Q Q固體雷射器，波長固體雷射器，波長1064nm1064nm，脈寬脈寬7ns7ns，重複頻率，重複頻率20Hz20Hz，光束直徑，光束直徑6mm6mm，

12、發散角發散角0.6mrad0.6mrad，脈衝能量，脈衝能量100100400mJ400mJ。l10.3.910.3.9雷射脫漆雷射脫漆l一、雷射脫漆機制一、雷射脫漆機制l 雷射脫漆機制主要是由於油漆層對雷射有高吸收率，雷射能量會使漆層熔化甚至汽化，達到去除漆層的目的，常用的脫漆方法有以下幾種類型：l 1. 1.熔化型脫漆熔化型脫漆l 吸收的雷射能量使漆層完全熔化，同時採用吹惰性氣體或吹空氣輔助排渣，而去除漆層。l 2. 2.屑片剝離型屑片剝離型l 只是吸收的雷射能量未能使漆層完全熔化，但採用吹氧化型輔助氣體使油漆氧化。隨著光束移開，漆層重新凝固，由於熱應力變形、卷翹，最終變成屑片而被剝離。l

13、 3. 3.汽化和昇華型汽化和昇華型l 只是漆層吸收的雷射能量較大，使漆層被強烈加熱達到汽化溫度，體積驟然膨脹，推動表面原子離開基體。l 4. 4.昇華型昇華型l 昇華型是在高能脈衝下，漆層未發生熔化而直接形成蒸汽，產生剝離。l 5. 5.光致分解型光致分解型l 主要採用紫外脈衝雷射器。l 由於紫外雷射有很高的光子能量，當其達到或超過該材料的化合鍵結合能時，分子鍵會直接被裂解，並在靜電斥力作用下形成粒子流離開基體。l二、雷射脫漆應用實例二、雷射脫漆應用實例l 1. 1.高壓輸電線路塔脫漆高壓輸電線路塔脫漆l 高壓輸電線路塔的材料是鍍鋅耐蝕鋼。漆皮一般有兩層，內層為環氧樹脂，外層是紅色或白色的聚

14、酯，厚度約為100m。為了避免鍍鋅鋼架受侵蝕，需要定期維修。採用光纖傳輸的高平均功率Nd：YAG雷射器（脈寬約200ns），獲得滿意的脫漆效果。l 2. 2.飛機蒙皮雷射脫漆飛機蒙皮雷射脫漆l 一台連續的5.4kWCO2雷射系統，每小時能脫淨厚度254m、面積111.6m2的漆皮。一個半小時可脫完一架戰鬥機外殼的漆，只留下一茶杯的殘渣。而傳統的化學清洗脫漆需要810h，排出385L的有害廢液。l10.3.10雷射除銹和去氧化皮雷射除銹和去氧化皮l 雷射除銹和去氧化皮的機制與脫漆基本相同，是由於銹和氧化皮對工作雷射的吸收率很大，由於能量絕大部份被吸收，而使銹和氧化皮汽化脫落，但基材表面（如鍍Zn

15、鋼板）對工作雷射的吸收率很小，有較高的反射率，因此雷射掃描不會對基體材料留下任何損傷。l10.3.11雷射去油脫脂雷射去油脫脂l 用未經聚焦的CO2或Nd：YAG雷射器，可清洗金屬零件上乾的或濕的油脂，如礦物油、潤滑油、桐油、防護脂等。10.4 雷射劃片雷射劃片l 雷射劃片是把高峰值功率的雷射聚焦在矽片表面，使矽材料表面產生高溫汽化，而打出連續的盲孔，形成溝槽狀如圖10.11。調節脈衝重疊量可精確控制刻槽深度，再施加外力可很容易使矽片等材料沿溝槽整齊斷開，達到分割易碎材料的目的。l 也可用於刻劃陶瓷基片（厚膜電路的陶瓷基片）、金剛石薄膜、太陽能電池等。l 雷射劃片的優點如下：l (1)非接觸切

16、斷，矽片不會受機械力而產生裂紋，故成功率高。l (2)無切削粉末和冷卻液污染，適合於大規模積體晶片的單晶矽襯底的分割。l (3)切口光滑，無裂紋，切割品質好。l (4)精度高，劃縫窄，有利於提高矽片的利用率。l 對於積體電路的矽片，基體比較薄，一般不劃透（稱為Silicon Wafer Marking），主要選用準連續基模聲光調Q雷射器，波長1064nm，平均功率10W左右，調制頻率1030kHz。劃線寬度為1525m，槽深為5200m，加工速度快可達200mm/s，成功率可達99.5%以上。圖圖10.1110.11雷射劃片加工示意雷射劃片加工示意圖圖 圖圖10.1210.12雷射劃片樣品雷射

17、劃片樣品 10.5 雷射引致分離雷射引致分離l10.5.1傳統的玻璃和玻璃製品的切割方法傳統的玻璃和玻璃製品的切割方法l 在機械切割中，用砂輪或機械輪在玻璃上進行刻劃，產生沿著切割方向的切向張力，而使玻璃沿著劃痕裂開。這種方法所切割的邊緣不平滑、有微小裂痕，材料上殘存不對稱邊緣應力及殘留碎屑等。l 另外，機械輪加工中還需要輔助劑輔助切割，輔助劑也有可能黏在成品邊緣，需要過水清洗或超音波清洗等後續處理。後續處理程序以及低成功率（發生不確定的裂痕）等都將增加成品玻璃製品的成本。l10.5.210.5.2玻璃和玻璃製品的雷射熔化切割方法玻璃和玻璃製品的雷射熔化切割方法l 玻璃的傳統雷射切割方法是使用

18、高功率CO2雷射，玻璃材料吸收雷射而被熱能熔化完成切割。伴隨玻璃材料的下沉和熔化，或由切割部份周圍產生的熱能造成的局部影響，所以該CO2雷射切割技術難以保證整齊、平滑的切割邊緣，在許多應用場合中，仍然需要打磨切割邊緣。 l10.5.310.5.3玻璃的第二代雷射切割法玻璃的第二代雷射切割法l 應用較低功率的雷射器使玻璃分離，同時不對玻璃造成熔化等熱影響的玻璃切割方法。其基本原理是利用雷射引致的應力使玻璃“分離”，可以稱其為第二代雷射切割法。例如，使用平均輸出功率為150W的CO2雷射器（Coherent公司的K-150型），通過聚焦光路在玻璃表面形成橢圓形的聚焦點，保證了雷射能量在切割線兩側均

19、勻和最優化的分佈。玻璃強烈地吸收10640nm的雷射，所以幾乎所有的雷射能量都被玻璃表面15m吸收層所吸收，相對玻璃表面移動雷射光點形成所需的切割線。l1.第二代雷射切割法的特點第二代雷射切割法的特點(1)沒有機械切割方法中產生的玻璃碎屑問題。(2)無需邊緣磨削的加工過程，邊緣品質在尺寸上非常精確而且完全釋放應力。(3)不會產生像接觸型切割法所形成的垂直於切割面的直裂紋。(4)雷射切割的邊緣強度非常高，這是由於加熱、淬火過程中的自然回火效應引起的邊緣強化。l 2.第二代雷射切割法的特色應用第二代雷射切割法的特色應用(1)在平板顯示器生產中玻璃襯底的切割(2)計算機硬碟的切割(3)汽車玻璃切割(

20、4)浮法玻璃切割(5)民用玻璃切割圖圖10.1310.13雷射切割計算機硬碟雷射切割計算機硬碟 圖圖10.1410.14雷射切割浮法玻璃雷射切割浮法玻璃 l3. 3.第二代雷射切割法的缺點第二代雷射切割法的缺點(1)切割複雜圖形，成功率很低。(2)需要先用機械法在雷射切割線的起點，劃出微小的起始裂痕，這增加了技術的複雜程度。(3)需要淬火冷水或冷氣噴到玻璃受熱區域進行快速淬火。如LCD玻璃襯底的切割。冷卻液的污染物會形成問題，當LCD的玻璃母板被分割成小片時，在切割加工後殘留的冷卻液被導入液晶注入部份，而在液晶注入加工中產生了缺陷。l10.5.410.5.4玻璃的第三代雷射切割法玻璃的第三代雷

21、射切割法雙雷射法雙雷射法l 第三代雷射切割法僅使用一束刻劃雷射（第一束雷射）和一束分離雷射（第二束雷射），而無需製冷設備，與傳統方法相比使結構簡化並降低了製造成本。此外，切割速度可被第一束雷射的速度控制，與傳統切割方法相比切割速度更容易增加並控制。由於無需使用製冷劑，因此防止了在加工LCD的母板中的誤差，以及切割操作後液晶注入部份的污染問題。圖圖10.1510.15肖特公司肖特公司DLC 600DLC 600雷射玻璃切割系統雷射玻璃切割系統 10.6 雷射加工高密度撓性電路板雷射加工高密度撓性電路板l 紅外雷射加工聚醯亞胺等聚合物，會在加工邊緣產生熱損傷，如炭化和碎屑會留下隱患，而紫外雷射加工

22、聚合物不使用熱量，是使用紫外光的高光子能量，直接打斷聚合物的分子鏈，為冷加工。這種“冷”加工出來的元件具有光滑的邊緣和最低限度的炭化，非常適合撓性線路板的精密加工。l 常用的紫外雷射器有準分子雷射器，它是最早用於高密度撓性電路板加工的雷射器。由於準分子雷射器輸出光束為方形，空間品質較差，光束的聚焦性也較差，所以需要使用掩模板進行刻蝕加工，效率不高，只有1%的脈衝能量作用於加工表面，而其他約99%的光能量損失於模板。l 隨著更為可靠的三倍頻半導體激發固體雷射器的發展，能量密度水平已與準分子雷射器相當，重複頻率更高，光束品質更好。如Coherent公司生產的AVIA355-1500型半導體激發固體

23、雷射器，輸出波長355nm，平均功率1.5W，最高重複頻率可達100kHz，光束品質好，優秀的聚焦能力可擺脫掩模板進行加工，通過計算機控制的掃描振鏡系統，可將光束傳導到工作檯上的任何位置，使用CAD/CAM軟體通過直接刻寫的方法，執行鑽孔、刻線或切割，當圖樣變化時，無需更換硬體。10.7 脈衝雷射濺射沉積薄膜技術脈衝雷射濺射沉積薄膜技術l 脈衝雷射濺射沉積薄膜技術(PLD)是一種最簡單的薄膜生長技術。它由高功率密度的脈衝雷射聚焦後，照射、蒸發放在真空室中的靶材，使靶材表面產生高溫及熔蝕，並進一步產生高溫、高壓、高活性電漿，這種電漿定向沉積於基板而在局域形成薄膜，在幾平方厘米上可以保證較高品質，

24、但粒子流的角分佈使鍍膜厚度不均，不能滿足在大於10cm2面積上生成高精度均一鍍膜的需要。由於高能離子的轟擊，薄膜形成初期的三維生長受到限制，薄膜傾向於二維生長，這樣就有利於連續奈米薄膜（厚度小於10nm）的形成。 l PLD所用脈衝雷射聚焦後的功率密度可達108109W/cm2，如此高的功率密度會產生獨特的物理過程，使PLD鍍膜技術具有如下特點：(1)可以製備任何薄膜。(2)由於雷射能量的高度集中，有利於解決難熔材料的薄膜沉積問題。(3)靈活的換靶裝置，便於實現多層膜及超晶格薄膜的生長，多層膜的原位沉積便於產生原子級清潔界面。(4)不會引入任何外來污染。(5)薄膜可以在反應氣體中沉積。(6)可

25、進行沉積高精度薄膜。(7)可製成滿足X射線雷射需要的多層鍍膜。(8)可對細長的管道進行內部鍍膜。(9)技術簡單，投資少，該技術成為目前新型薄膜材料研究的最基本方法，PLD鍍膜技術成熟。10.8 雷射輔助化學氣相沉積雷射輔助化學氣相沉積l 根據雷射在氣相沉積過程中作用的不同，可以分為光LCVD和熱LCVD技術。光LCVD是利用反應氣體分子或催化分子，對特定波長的雷射共振吸收，雷射加熱反應氣體分子引起其發生雷射分解、雷射裂解、雷射光敏化和雷射誘導化學反應，在一定技術條件下，獲得超細粒子空間成核和生長，完成沉積。熱LCVD主要依靠選擇合適的雷射波長，使之不被反應物吸收，而被基體吸熱，反應氣體流經基體

26、表面受熱發生化學反應，而在表面沉積。 l 1.LCVD1.LCVD與與CVDCVD技術相比的主要優勢技術相比的主要優勢(1)薄膜生長過程低溫化。(2)產物組成可通過選用氣體的不同配比來精確控制。(3)可實現在襯底表面薄膜的選擇性沉積。(4)雷射加熱速度快、表面沾污小、低損傷、膜厚精確可控，並易於獲得均勻超精細奈米微粒薄膜。l 2.LCVD2.LCVD常用雷射器常用雷射器(1)準分子雷射。(2)CO2雷射。(3)Nd：YAG雷射及其倍頻雷射(532nm)。l 3.LCVD3.LCVD的應用的應用l LCVD可以在鋼和合金鋼、鈦及鈦基合金、銅及銅合金、矽、石英、陶瓷等金屬和非金屬基材上，沉積C、S

27、i3N4、Fe、Fe2O3、B-C、TiN、TiC、TiN-Ti(C，N)、金剛石和類金剛石等多種單一或複合膜。膜層具有高硬、耐磨抗蝕，或獨特的光、電等性能，有廣泛和重要的應用前瞻。 10.9 雷射強化電鍍雷射強化電鍍l 雷射強化電鍍技術是採用連續雷射或脈衝雷射照射電鍍陰極表面，則可提高金屬的沉積速度，比無雷射照射快1000倍。若採用噴射液體法的雷射噴射強化電鍍技術，金屬的沉積速度還可大範圍提高。 l 雷射強化電鍍技術的另一個優點是可使電鍍層的牢固度提高1001000倍。l 雷射強化電鍍技術可廣泛應用於微型開關、精密儀器零件、微電子元件和大規模積體電路的生產和修補，及大型設備中的較大關鍵零件在

28、生產線上修補。10.10 雷射退火非晶矽雷射退火非晶矽l 為了使TFT-LCD做得可靠和在小尺寸上能做出高分辨率、高開口率的產品，目前正在發展多晶矽TFT-LCD生產技術。低溫多晶矽(LTPS TFT)生產多用雷射退火非晶矽(a-Si TFT)，使其改變性質成為多晶矽，如圖10.16所示。多晶矽主要用於生產小尺寸TFT-LCD。圖圖10.1610.16雷射退火非晶矽雷射退火非晶矽 l 與非晶矽相比，低溫多晶矽TFT響應速度快、亮度高，可與周邊驅動電路積集在同一基板上，獲得高開口率及高分辨率。LTPS技術不僅可驅動LCD，又是發展主動式有機發光二極體(AM-OLED)的技術平臺，成為下一代顯示的關鍵技術，因此LTPS技術的發展受到了廣泛的重視。採用線狀雷射光束掃描非晶矽得到的p-Si晶粒均勻，操作方便，使LTPS技術真正實現了工業化。