硅晶圆是一种常用的半导体材料。传统的硅晶圆切割方式为高速金刚石片接触式切割,切割过程中容易产生崩边等缺陷。激光切割作为非接触式切割方法,能够有效控制因接触时应力不均匀而产生的缺陷。首先,根据双振镜激光切割头的运动原理及光学系统基本原理,利用solidworks软件设计了硅晶圆切割专用切割头。主要设计内容包括切割头光纤连接模块、准直模块及机器人连接模块等。该切割头切割范围为200mm×200mm、切割精度为±0.05mm。经实际硅晶圆切割验证,本次设计双振镜激光切割头满足了设计及生产要求。利用设计的双振镜激光切割头进行硅晶圆的皮秒激光切割试验,通过改变皮秒激光输出功率,激光脉冲频率及切割速度等切割参数进行了切槽及隐晶切割试验。硅晶圆的切槽试验结果表明,切槽宽度与切槽深度随激光输出功率的增加而增大,随激光脉冲频率的增加而增大,随切割速度的增加而减少;切槽的挂渣高度及飞溅宽度随激光输出功率的增加而增大,随激光脉冲频率的增加而增大,随切割速度的增加而减小;通过正交试验,获得最佳工艺参数为激光功率30W、切割速度100mm/s、激光脉冲频率40kHz。通过扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析仪(EDS)等对最佳工艺参数下的切槽进行分析,由分析结果可知,虽然皮秒激光切割过程中能量密度较高,但切槽周围几乎没有发现氧化现象,切槽周围物质的物理性化学性能得到了保证。硅晶圆的隐晶切割试验结果表明,最佳切割工艺参数为激光输出功率0.88W、激光脉冲频率80kHz、切割速度300mm/s;与硅晶圆的传统切缝崩边尺寸(70μm)比较,隐晶切割的崩边尺寸(40μm)明显减小,约减小了42%;与硅晶圆的水导激光切割的崩边尺寸(42μm)相比,隐晶切割的崩边尺寸减少了约5%。为了比较激光切割方法对硅晶圆的切割质量影响,采用了水导激光切割方法对硅晶圆进行了切割试验,试验结果表明,水导激光切槽最佳切割工艺参数为水压13MPa、功率2W、切割速度500mm/min,水导激光切断最佳工艺参数为水压13MPa、功率2W、切割速度200mm/min;在最佳切割工艺参数下,切缝无热影响区、切缝周围无飞溅区、切缝边缘平整、切缝垂直度好;根据切缝断面的特征,将切缝断面分成了三个区域,区域1(切缝上表面附近)、区域2(切缝中间区域)及区域3(切缝下表面附近),区域1的表面粗糙度约为8.037-14.621μm、区域2的表面粗糙度约为4.908-6.640μm、区域3的表面粗糙度约为6.344-7.108μm,由结果可知,三个区域的表面粗糙度差别较大,区域2的粗糙度最小,区域3次之,区域1的粗糙度最大;水导激光切缝崩边尺寸约为42μm,与传统切割崩边尺寸(70μm)比较,减小了40%。