自上世紀六十年代第一台激光器設備問世以來，關於激光及其在各個領域的應用研究得到了迅猛的發展，近20年來，激光製造技術已滲入到諸多高科技領域和產業，其中激光技術在半導體領域的應用是最為廣泛和活躍的領域之一。
近年來光電產業的快速發展，高集成度和高性能的半導體晶圓需求不斷增長，矽、碳化矽、藍寶石、玻璃以及磷化銦等材料被廣泛應用於半導體晶圓的襯底材料。隨著晶圓集成度大幅提高，晶圓趨向於輕薄化，很多傳統的加工方式已不再適用，於是在部分工序引入了激光技術。
在諸多激光技術中，脈衝激光尤其是超短脈衝激光在精密加工領域應用又尤為廣泛，超短脈衝激光是指激光單個脈衝寬度達到甚至小於10-12秒（即皮秒）這個量級的激光，由於激光脈衝時間寬度極短，在某個頻率（即一定脈衝個數）下需要釋放設定的激光功率，單個脈衝的激光功率是固定的，將單個脈衝的能量在極短的時間釋放出去，造成極高的瞬時功率（兆瓦及以上），瞬間改變材料性質，平均功率很低對材料加工區域熱影響很小的加工效果即激光冷加工。
超短脈衝激光加工具有諸多獨特的優勢：
● 非接觸式加工：激光的加工隻有激光光束與加工件發生接觸，沒有刀削力作用於切割件，避免對加工材料表麵造成損傷。
● 加工精度高，熱影響小：脈衝激光可以做到瞬時功率極高、能量密度極高而平均功率很低，可瞬間完成加工且熱影響區域極小，確保高精密加工，小熱影響區域。
● 加工效率高，經濟效益好：激光加工效率往往是機械加工效果的數倍且沒有耗材無汙染。
半導體晶圓的激光切割
激光應力誘導切割
激光應力誘導切割是一種全新的激光切割工藝，具有切割速度快、不產生粉塵、無切割基材耗損、所需切割道小、完全幹製程等優勢。激光應力誘導切割最早起源於激光內雕，其原理是將短脈衝激光光束透過材料表麵聚焦在材料中間，由於短脈衝激光瞬時能量極高，在材料中間形成小的變質點。
幾年前，德龍激光通過核心技術團隊技術攻關，成功研發出了激光應力誘導切割技術，並申請了專利，將該技術應用於藍寶石、玻璃、矽、SiC等多種材料的切割。激光應力誘導切割主要原理是將短脈衝激光光束透過材料表麵聚焦在材料中間，在材料中間形成改質層，然後通過外部施加壓力使芯片分開。中間形成的改質層如圖1所示：
圖1：300μm厚晶圓截麵圖。
目前，該切割技術廣泛應用於LED芯片、MEMS芯片、FRID芯片、SIM芯片、存儲芯片等諸多晶圓的切割，如圖2以矽襯底MEMS晶圓為例，可以看到應力誘導切割的芯片幾乎沒有崩邊，芯片沒有機械損傷。
圖2：MEMS晶圓激光切割效果圖。
激光應力誘導切割也有它的局限性，由於應力誘導切割需要將特定波長的激光聚焦於物質的內部，所切割的物質必須對特定波長的激光具有較大的透射率，另外需要切割道內光滑防止對照射的激光形成漫反射。目前應力誘導切割能夠切割Si、SiC、GaAS、LiTaO3、藍寶石、玻璃等材料。
激光表麵燒蝕切割
表麵燒蝕切割是較為普遍的激光切割工藝，其原理是將激光聚焦於所需材料的表麵，聚焦的地方吸收激光能量後形成去除性的融化和蒸發，在切割表麵形成一定深度的“V”型口，然後通過外部施加壓力使芯片分開，在半導體行業中由於其加工精度要求高，對表麵效果要求也高，多采用短脈衝激光或超短脈衝激光。短脈衝激光器切割完後的“V”型槽效果如圖3所示：
圖3：短脈衝激光表麵切割形成的“V”型口。
激光表麵切割具有更強的通用性，使用短脈衝激光進行表麵切割能夠很好的將熱影響控製在低範圍內。目前該激光切割技術廣泛應用於GPP工藝的晶圓、四元LED晶圓等晶圓的切割。如圖4以四元LED芯片為例，可以看到激光表麵切割能夠有較好的切割麵。
圖4：激光表麵切割截麵以及切割效果圖。
對比激光應力誘導切割技術，激光表麵切割的工藝窗口更寬，但是它也有不足點：
● 切割效率往往低於激光應力誘導切割；
● 部分晶圓切割前需要塗覆保護液，切割完後需要清洗保護液；
● 晶圓越厚需要切割越深，表麵的開口就越大，熱影響區也就越大。
半導體晶圓激光開槽
隨著芯片集成度的不斷提高，線寬越來越小，RC時延、串擾噪聲和功耗等成為嚴重的問題。在此背景下LOW-K層被引入到集成電路領域，當工藝線寬小於65nm時，必須使用LOW-K層以克服上述問題。由於半導體工藝線寬不斷減小，台積電已在研發建設9nm工藝線，低電介質絕緣薄膜的使用日益增多，low-k晶圓激光開槽設備逐步進入了很多晶圓封裝廠以滿足先進封裝的需求。
首先激光在需開槽區域兩側劃兩條線，再利用激光在兩條線中間開一個“U”型槽，通過開槽將傳統刀輪難以處理的LOW-K層去除，然後刀輪從開槽區域切割或利用激光切割將芯片割開。如圖5所示，為LOW-K晶圓開槽的表麵效果圖和3D顯微鏡圖片。
圖5：LOW-K晶圓開槽的表麵效果圖和3D顯微鏡圖片。
除了LOW-K晶圓，該工藝還可以用於將其他刀輪難以切割的物質去除，比如薄金屬層、SiO2層、有機層等。
激光打標在半導體領域的應用
激光打標憑借其打標精度高、不易擦除、打標速度快等明顯優勢首先走入了各行各業，在半導體行業中自然也離不開打標，然而半導體行業中的打標又有其特殊的需求，晶圓級打標便是其中一種。
由於到了打標這道工序時，晶圓的流片已經完成，因而對打標設備提出了更高的要求，主要體現在：(1)晶圓趨於輕薄化，打標需要做到針對不同材料的打標深度控製，且打標字體清晰；(2)晶圓的尺寸越做越小，對於定位精度和字體大小提出了更高的要求；(3)薄晶圓在打標過程中的傳動及輸送變得十分困難，如何處理這個過程尤為關鍵。目前行業內使用較多的晶圓級打標設備是EO Technics的CSM-3000係列。近幾年由於晶圓級WL-CSP封裝方式的興起，對於晶圓級打標的需求愈發強烈，國內外知名的激光設備公司也紛紛研發晶圓級打標設備以及其替代方案。
激光在半導體領域的一些新興應用
激光鍵合和拆鍵合
目前普遍使用的鍵合技術是:共熔鍵合技術和陽極鍵合技術。共熔鍵合技術已用到多種MEMS器件的製造中，如壓力傳感器、微泵等都需要在襯底上鍵合機械支持結構。矽的熔融鍵合多用在SOI技術上，如Si-SiO2鍵合和Si-Si鍵合，然而該鍵合方式需要較高的退火溫度。陽極鍵合不需要高溫度，但是需要1000-2000V的強電場才能有效的鍵合，這樣的強電場會對晶圓的性能造成影響。於是很多研究者引入了激光輔助鍵合的鍵合方式，其原理是將脈衝激光聚焦在鍵合的界麵處，利用短脈衝激光的局部熱效應實現局部加熱鍵合。該鍵合方式具有無需壓力、無高溫殘餘應力、無需強電場幹擾等諸多優勢。
由於晶圓尺寸逐漸增大厚度減薄，晶圓在流片過程中就容易碎片，於是引入了載體層。將薄晶圓同載體層鍵合在一起，防止在流片過程中晶圓破損。相較於其他拆鍵合方式，激光拆鍵合可以使用聚酰亞胺作為鍵和劑，該方式鍵和可以耐受400℃以上的溫度而一般的鍵合劑在200℃時候就會變性，這就使得一般鍵合劑在晶圓做高低溫循環時就已經失效。由於激光拆鍵合技術需要將激光作用於載體和晶圓中間的粘合劑上所以需要載體能夠透過相應波長的激光，目前使用較多的激光為紫外激光，載體為玻璃晶圓襯底。激光拆鍵合技術多用於多種薄矽晶圓的剝離。
激光退火
激光退火技術主要用於修複離子注入損傷的半導體材料，特別是矽。傳統的加熱退火技術是把整個晶圓放在真空爐中，在一定的溫度（一般是300-1200℃）下退火10-60分鍾。這種退火方式並不能完全消除缺陷，高溫卻導致材料性能下降，摻雜物質析出等問題。於是自上世紀末以來，激光退火的研究非常活躍，研發出了毫秒級脈衝激光退火、納秒級脈衝激光退火和高頻調Q開關脈衝激光退火等多種激光退火方式。近些年來，激光退火已在國內外取得了一些成熟的應用。激光退火主要優勢體現在：(1)加熱時間短，能夠獲得高濃度的摻雜層；(2)加熱局限於局部表層，不會影響周圍元件的物理性能；(3)能夠能到半球形的很深的接觸區；(4)由於激光束可以整形到非常細，為微區薄層退火提供了可能。
激光鑽孔
激光鑽孔廣泛用於金屬、PCB、玻璃麵板等領域，在半導體領域還屬於一個新興的應用，主要鑒於半導體行業的高精度和高表麵光潔度等要求。隨著3D封裝技術的興起，TSV（矽通孔）技術逐步發展，對於激光鑽孔的需求也愈發強烈。
目前激光鑽孔存在著明顯的優勢和劣勢，優勢表現在鑽孔成本低、無耗材、可以鑽孔不同的材料等；劣勢主要表現在孔內壁比較粗糙、密集鑽孔效率低、對鑽孔材料強度的損傷等。當然科研人員也在研究新的鑽孔技術來克服當前工藝的弊端，比如激光結合化學的鑽孔方式等。
激光作為一種非接觸式的加工方式，有著其得天獨厚的優勢，短脈衝及超短脈衝激光技術在精細微加工領域的優勢更為明顯，激光加工技術還被譽為“未來製造係統共同的手段”，因而隨著激光行業的不斷發展，激光的應用定會越來越廣泛。
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