[本期最優良文章]超快雷射光學模組及雙層基板切割技術

摘要：本文聚焦於工研院所開發之波長轉換光學模組與雙層基板切割技術。將雷射之入射光波長轉換至雙層材料之共同透明波段，便可由一側進行切割，縮小製程複雜度。本方法可應用於切割微機電或光電半導體產品之基板，如矽基玻璃、硬脆材料、雙層基板及鍍膜玻璃等。工研院之技術與傳統輪刀技術相比，具備切割道邊緣崩角小，且無輪刀之磨耗問題。由於切割道寬度很小，因此單片晶圓可切割出更多顆晶粒，因此提高生產效率。
Abstract：The focus of this article is on the wavelength conversion optical module and double-layer substrate cutting technology being developed by Industrial Technology Research Institute (ITRI). By converting laser wavelength of incident beam to common transparent wavelength of the double-layer materials, cutting from one side and hence reducing process complexity are then possible. This method can be applied to cut substrates of MEMS or optoelectronic semiconductor products, such as silicon-on-glass, brittle materials, double-layer substrates and coated glass. Compared with conventional cutting wheel technology, the ITRI’s technology has advantage of small chipping at cutting edge and without wear problem of the cutting wheel. Because of the narrow scribe lines, a wafer can be cut into more chips, thereby improving production efficiency.

關鍵詞：超快雷射切割、雷射波長轉換、雙層基板
Keywords：Ultrafast laser cutting, Laser wavelength conversion, Double layer substrate

前言
傳統輪刀切割法，在硬脆材料切割裂片時將引發更多微細裂紋，會降低成品的機械強度，且切割道邊緣品質難以提升。再者輪刀為接觸式切割法在高硬脆材料切割時磨耗迅速、且切割道寬度占用的面積過大、生產效率低，以上等等問題仍急需解決。雷射應用於硬脆材料、多層透明硬脆材料及鍍膜玻璃等基板之切割，可顯著改善輪刀磨耗迅速、切割道寬度過大與切割邊緣品質問題，因此成為下一世代之切割技術開發重點。為了將雷射應用於多樣化的切割材料，工研院雷射中心已開發多種雷射光學模組[1]，用以對應不同的切割情境，如線型光束、雙脈衝光學模組與雙焦點模組等。
微機電產品內需要矽基玻璃(Silicon-on-glass)晶圓用來作為載板，這些晶圓會被廠商使用多種加工方式加工成各種結構用以對應不同的產品，矽基玻璃是由標準玻璃和矽晶圓是透過陽極接合的方式形成不可逆的鍵合層。此方法是將玻璃置於矽片上並加熱至 400 °C 左右，同時外加直流電壓，隨著溫度的增加，玻璃中的帶正電鈉離子逐漸變得可移動而往負極漂移，這個電場會使玻璃中的氧原子與矽鍵結在一起，造成一定的接合力量。矽基玻璃基板若使用輪刀切割需上下兩次切割，若是利用雷射切割，則由於矽與玻璃之吸收係數差異，雷射光無法在一側進入兩層材料間同時形成改質切割道，若要利用雷射切割此材料，勢必重新設計雷射機台之光學模組。
要進行矽基玻璃切割，必須先針對兩層材料之吸收光譜進行分析，如圖1可見矽與玻璃之吸收頻譜不同，但約在1550 nm波段均屬於高穿透率區，因此若使用1550 nm波段之雷射均可穿透，目前工業應用多使用1064 nm之雷射，同時也兼具高穩定性與低成本之優勢，因此利用非線性光學進行雷射波長轉換的方式，來轉換1064 nm雷射波長至1550 nm波段是一個可行的方案。
因此，工研院雷射中心投入雙層基板切割技術，如矽基玻璃，同時開發超快雷射之波長轉換光學模組，協助國內廠商開發雙層基板雷射切割設備。以下章節，將分別說明波長轉換光學模組與工研院雷射中心在雙層基板切割技術的進展。
超快雷射之波長轉換模組   
雷射在工業應用已經越來越廣泛，需求量也逐年增加，但在紅外及短波長的範圍之雷射材料仍受限，利用晶體的非線性特性來產生這些波段的光源是一種可行的替代方案。在 1962 年J. A. Armstrong及其團隊提出非線性光學頻率轉換(Nonlinear optics frequency conversion)的概念[2]，由光波在非導體介質中傳導的馬克士威爾方程式(Maxwell's equations)，可發現二階以上的電極化率牽涉到兩個以上電場的交互作用，彼此間作用可產生倍頻、和頻、差頻等效果，可以用來將現有光產生或放大為其他頻率的光。
1.非線性晶體選擇
在波長轉換模組開發中，內部之非線性晶體需要具備以下特性: a. 雷射光束在晶體內達到動量守恆與能量守恆，入射光與轉換光行進於晶體內有色散問題，兩道光光速不同將破壞雷射同調性，此時可利用晶體之雙折射(Birefringence)特性，透過調變晶體溫度、調變入射角度等手段，達成動量守恆；b.高非線性係數，因提高非線性係數可提升轉換效率，故會多利用高非線性係數晶體；c.高損害閥值，便可入射高功率雷射光，在同樣轉換效率下，出射功率隨之提升；d.低吸收係數，若晶體會吸收雷射光，則轉換過程會產生廢熱問題，熱會影響晶體結構造成損壞或造成出射光不穩定輸出；e.晶體保存容易，具不易潮解的特性。圖2為常見四種非線性晶體之性質，分別為磷酸鈦氧鉀晶體(KTiOPO4，KTP)、偏硼酸鋇(BaB2O4，BBO)、周期性極化鈮酸鋰晶體(Periodic Poled lithium Niobate，PPLN)、周期性極化磷酸鈦氧鉀晶體(Periodic poled KTiOPO4，PPKTP)，這四種選擇裡以周期性極化鈮酸鋰晶體之非線性係數最高。