標籤: 雷射加工

雷射技術因其高能量密度、高精度和非接觸式的特點，在半導體製造中扮演著越來越重要的角色。從晶圓的隱形切割（Stealth Dic）、開槽（Groov），到晶片的標識碼刻印（Mark），再到先進封裝中的微鑽孔（Micro-drill），雷射加工無處不在。這些過程的核心是雷射能量在極短時間（奈秒、皮秒甚至飛秒）內與材料的劇烈交互作用，其物理機制極其複雜。

高速攝影機，特別是具備超高時間解析度的相機，為科學家和工程師提供了一扇獨一無二的窗口，得以窺見並理解這些超快現象，從而對雷射加工製程進行精密的優化與控制。

雷射加工的挑戰：超快、高溫與電漿現象

• 極短的作用時間：超快雷射（如皮秒、飛秒雷射）的脈衝寬度極短，材料在吸收能量後會經歷熔化、氣化、甚至電漿化等一系列相變，整個過程在皮秒到奈秒的時間尺度內完成。
• 極端的物理條件：雷射作用點的局部溫度可瞬間達到數千甚至上萬攝氏度，並伴隨著高壓衝擊波和高速噴濺的熔融物或電漿羽輝（Plume）。
• 複雜的交互機制：雷射與材料的交互作用涉及非線性吸收、多光子電離、雪崩電離等多種複雜的物理機制，直接影響加工的品質和效率。

高速攝影機在雷射加工中的關鍵應用

1. 雷射燒蝕（Ablation）動力學分析：高速攝影機可以捕捉雷射脈衝燒蝕材料的完整動態過程。透過時間解析的陰影成像或紋影成像技術，可以清晰地觀測到衝擊波的產生與傳播、熔融物的噴濺速度與方向，以及電漿羽輝的膨脹過程。這些數據對於建立理論模型、優化雷射能量密度和脈衝頻率至關重要。

2. 隱形切割（Stealth Dic）製程監控：隱形切割是利用對矽透明的長波長雷射，在晶圓內部聚焦形成改質層，然後透過應力將其分離。高速攝影機可以即時監控內部改質層的形成過程與均勻性，並在後續的擴片（Expansion）步驟中，觀測裂紋的擴展路徑是否沿著預期的雷射路徑進行，從而確保切割品質。

3. 雷射標識（Laser Mark）品質控制：在晶片表面刻印標識碼時，雷射參數需要被精確控制，以在保證對比度的同時，盡可能減少對晶片活性區的熱損傷。高速攝影機可以觀測打標過程中的熔融物飛濺和熱影響區（HAZ）的範圍，幫助找到最佳的加工參數窗口。

4. 微鑽孔（Micro-drill）形貌分析：在製造矽中介層或進行扇出型封裝（Fan-out）時，需要在矽或環氧樹脂上鑽出數以萬計的微孔。高速攝影機可以分析單脈衝或多脈衝鑽孔過程中的排屑機制、孔壁的重鑄層形成以及孔洞的錐度變化，有助於提升鑽孔的深寬比和品質一致性。

結論

對於半導體雷射加工這一高度複雜的領域，高速攝影機不僅僅是一個觀測工具，它更是一個強大的物理診斷儀器。它將皮秒級的能量釋放過程在時間維度上進行了「拉伸」，使得原本瞬息即逝的電漿、衝擊波和相變過程變得清晰可辨。藉助高速攝影機提供的寶貴數據，研究人員能夠深入理解雷射與物質交互作用的底層物理機制，而製程工程師則能夠開發出更高效、更精確、損傷更小的雷射加工技術，持續推動半導體技術向著更小、更強、更三維化的方向演進。

參考資料

[1] NAC Image Technology. (2022). _High Speed Camera Applications (Laser Mark)_. 檢索自 https://www.youtube.com/watch?v=wMzbiPsLXKU

[2] General research on laser ablation dynamics and plasma diagnostics.