激光器的特點(diǎn)與在半導(dǎo)體行業(yè)中的加工應(yīng)用介紹

半導(dǎo)體制造業(yè)發(fā)展迅速，"綠色"技術(shù)無疑具有光明的未來，這就要求有新的激光加工工藝與技術(shù)來獲得更高的生產(chǎn)品質(zhì)、成品率和產(chǎn)量。除了激光系統(tǒng)的不斷發(fā)展，新的加工技術(shù)和應(yīng)用、光束傳輸與光學(xué)系統(tǒng)的改進(jìn)、激光光束與材料之間相互作用的新研究，都是保持綠色技術(shù)革新繼續(xù)前進(jìn)所必須的。下文圍繞紫外DPSS激光器、準(zhǔn)分子激光器、光纖激光器在半導(dǎo)體行業(yè)中的加工應(yīng)用，展開論述。

紫外DPSS激光器在LED晶圓劃片中的應(yīng)用

DPSS是全固態(tài)半導(dǎo)體激光器的簡稱。窄脈寬、短波長紫外二極管泵浦固體激光器（DPSS）的最新進(jìn)展促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展。過去，DPSS激光器比較適用于科研而不適于工業(yè)生產(chǎn)。隨著DPSS激光器的進(jìn)展，現(xiàn)已開辟出很多可能的應(yīng)用，包括紅外、脈沖連續(xù)波以及Q開關(guān)產(chǎn)生具有多脈沖寬度的脈沖光波。與其他種類的激光器相比，DPSS激光器在調(diào)控脈沖形狀、重復(fù)頻率和光束質(zhì)量等方面具有較大的靈活性，其生成的諧波允許用戶獲得適于多種材料加工的較短波長的光束。激光器的選擇不僅與應(yīng)用有關(guān)，而且與激光束的特性直接相關(guān)。例如，用于大面積圖形加工的準(zhǔn)分子激光器能發(fā)出具有較低脈沖重復(fù)頻率（一般低于1kHz）的較粗光束。準(zhǔn)分子能產(chǎn)生具有中等脈沖重復(fù)頻率的高脈沖能量的激光束。目前所使用的基于Nd∶YVO4的DPSS激光器能產(chǎn)生大約1?滋m波長的紅外光束，利用諧波振蕩器進(jìn)行二倍頻（輸出綠光）、三倍頻（輸出近紫外光）或者四倍頻（輸出深紫外光）。

355nm與266nm多倍頻DPSS激光器在紫外波段可以輸出數(shù)瓦的功率、kHz量級高重復(fù)頻率、高脈沖能量的激光，短脈沖的光束經(jīng)過聚焦后可以產(chǎn)生極高的功率密度，在晶圓劃片中可以使材料迅速氣化。在通常的激光劃片過程中，采用了一種遠(yuǎn)場成像的簡易技術(shù)將光束聚焦到一個(gè)小點(diǎn)，然后移到晶片材料上。不同的材料由于吸收光的特性不一樣，因此需要的光強(qiáng)也不一樣，但是這種遠(yuǎn)場成像的聚焦光斑在調(diào)節(jié)優(yōu)化光強(qiáng)時(shí)不夠靈活，光強(qiáng)過強(qiáng)或過弱都會影響激光劃片效果。而且通常的激光劃片局限于獲得最小的聚焦光斑，后者決定了劃片的分辨率。

圖1、氮化鎵-藍(lán)寶石晶圓激光劃片的切口寬度為2.5微米。

要達(dá)到理想的加工效果，優(yōu)化激光光強(qiáng)就很重要了，因此需要一種新的激光劃片方法來克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。美國JPSA公司的技術(shù)人員開發(fā)了一種有效的光束整形與傳遞的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以獲得很狹窄的2.5微米切口寬度，可以在保證最小聚焦光斑的同時(shí)調(diào)節(jié)優(yōu)化激光強(qiáng)度，大大提高了半導(dǎo)體晶圓劃片的速度，同時(shí)降低了對材料過度加熱與附帶損傷的程度。這種新的激光加工工藝與技術(shù)可以獲得更高的生產(chǎn)品質(zhì)、更高的成品率和產(chǎn)量。

圖2、248nm激光剝離示意圖

圖3、248nm激光剝離藍(lán)寶石上的氮化鎵（一個(gè)脈沖激光光斑一次覆蓋9個(gè)芯片）。

JPSA對不同波長的激光進(jìn)行開發(fā)，使它們特別適合于晶圓切割應(yīng)用，采用266nm的DPSS激光器對藍(lán)光LED藍(lán)寶石晶圓的氮化鎵正面進(jìn)行劃片，正切劃片速度可達(dá)150mm/s,每小時(shí)可加工大約15片晶圓（標(biāo)準(zhǔn)2英寸晶圓，裸片尺寸350m×350m），切口卻很小（小于3m）。激光工藝具有產(chǎn)能高、對LED性能影響小的特點(diǎn)，容許晶圓的形變和彎曲，其切割速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)機(jī)械切割方法。

除了藍(lán)寶石之外，碳化硅也可以用來作為藍(lán)光LED薄片的外延生長基板。266nm和355nm紫外DPSS激光器（帶隙能量分別為4.6eV和3.5eV）可用于碳化硅（帶隙能量為2.8eV）劃片。JPSA通過持續(xù)研發(fā)背切劃片的激光吸收增強(qiáng)等新技術(shù)，研發(fā)了雙面劃片功能，355nm的DPSS激光器可以從LED的藍(lán)寶石面進(jìn)行背切劃片，實(shí)現(xiàn)了劃片速度高達(dá)150mm/s的高產(chǎn)量背切劃片，無碎片并且不損壞外延層。對于第III-V主族半導(dǎo)體，例如砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）和磷化銦（InP），典型的切口深度為40m,250微米厚的晶圓劃片速度高達(dá)300mm/s.

準(zhǔn)分子激光器在2D圖案成形與3D微加工、LED剝離中的應(yīng)用

準(zhǔn)分子激光器以準(zhǔn)分子為工作物質(zhì)的一類氣體激光器件。常用相對論電子束（能量大于200千電子伏特）或橫向快速脈沖放電來實(shí)現(xiàn)激勵。當(dāng)受激態(tài)準(zhǔn)分子的不穩(wěn)定分子鍵斷裂而離解成基態(tài)原子時(shí)，受激態(tài)的能量以激光輻射的形式放出。波長為193nm的ArF準(zhǔn)分子激光，進(jìn)行屈光手術(shù)的機(jī)理就是光化學(xué)效應(yīng)。準(zhǔn)分子激光單個(gè)光子的能量大約是6.4eV,而角膜組織中肽鍵與碳分子鍵的結(jié)合能量僅為3.6eV.當(dāng)其高能量的光子照射到角膜，直接將組織內(nèi)的分子鍵打斷，導(dǎo)致角膜組織碎裂而達(dá)到消融切割組織的目的，并且由于準(zhǔn)分子激光脈寬短（10~20nm），又是光化學(xué)效應(yīng)切除。因此，對切除周圍組織的機(jī)械損傷和熱損傷極?。ī?.30μm）。

2D圖案成形與3D微加工 準(zhǔn)分子激光器可以產(chǎn)生大面積方形或矩形的光斑，特別適合大面積圖案成形工藝與3D微加工。準(zhǔn)分子激光器可以在相對較大的聚焦平面范圍內(nèi)高效地加工材料，例如500mJ的UV光束在能量密度為1 J/cm2時(shí)光斑的面積達(dá)到7×7mm.大面積的準(zhǔn)分子激光束可以投射到光刻掩模上，微加工特殊的形狀和圖案；這些被稱為近場成像。通過掩膜板與加工工件的協(xié)調(diào)運(yùn)動，可以微加工得到較大的復(fù)雜圖案。

圖4、薄膜太陽能電池的P1、P2、P3三層材料需要多光路激光劃片系統(tǒng)先后進(jìn)行三次劃片。

LED激光剝離（LLO） LED激光剝離的基本原理是利用外延層材料與藍(lán)寶石材料對紫外激光具有不同的吸收效率。藍(lán)寶石具有較高的帶隙能量（9.9eV），所以藍(lán)寶石對于248nm的氟化氪（KrF）準(zhǔn)分子激光（5eV輻射能量）是透明的，而氮化鎵（約3.3eV的帶隙能量）則會強(qiáng)烈吸收248nm激光的能量。正如圖2所示，激光穿過藍(lán)寶石到達(dá)氮化鎵緩沖層，產(chǎn)生一個(gè)局部的爆炸沖擊波，在氮化鎵與藍(lán)寶石的接觸面進(jìn)行激光剝離。基于同樣的原理，193nm的氟化氬（ArF）準(zhǔn)分子激光可以用于分離氮化鋁（AlN）與藍(lán)寶石。具有6.3eV帶隙能量的氮化鋁可以吸收6.4eV的ArF激光輻射，而9.9eV帶隙能量的藍(lán)寶石對于ArF準(zhǔn)分子激光則是透明的。

光束均勻性和晶圓制備對于實(shí)現(xiàn)成功剝離都很重要。JPSA公司采用創(chuàng)新的光束均勻化專利技術(shù)使得準(zhǔn)分子激光束在晶圓上可以產(chǎn)生最大面積達(dá)5×5毫米的均勻能量密度分布的平頂光束。設(shè)計(jì)人員通過激光剝離（LLO）工藝可以實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)的LED,它克服了傳統(tǒng)的橫向結(jié)構(gòu)的各種缺陷。垂直結(jié)構(gòu)LED可以提供更大的電流，消除電流擁擠問題以及器件內(nèi)的瓶頸問題，顯著提高LED的最大輸出光功率與最大效率。圖3展示了一個(gè)典型的剝離效果。

圖5、JPSA薄膜太陽能電池優(yōu)化劃片（左）與非JPSA薄膜太陽能電池劃片（右）的比較。

DPSS激光器與光纖激光器在薄膜太陽能電池劃片中的應(yīng)用

光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來：在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級"粒子數(shù)反轉(zhuǎn)",當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。光纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠(yuǎn)距通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標(biāo)激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接（銅焊、淬水、包層以及深度焊接）、軍事國防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)等等。

DPSS激光器與光纖激光器具有體積小、功率大、倍頻波長范圍多等特點(diǎn)，適合在太陽能電池劃片中的應(yīng)用。

由于硅材料的成本增加，很多光伏（PV）平板制造商從制造第一代的硅晶太陽能電池轉(zhuǎn)為制造第二代的薄膜太陽能電池。薄膜太陽能電池包括非晶硅（a-Si）太陽能電池、碲化鎘（CdTe）和銅銦鎵硒（CIGS）化合物半導(dǎo)體電池。相比硅晶電池的幾百微米硅晶厚度，薄膜太陽能電池薄膜厚度只有幾個(gè)微米，大大降低了材料的成本。薄膜太陽能電池具有材料用量少、加工工序少、有彈性、半透明、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。

JPSA設(shè)計(jì)的薄膜太陽能電池激光劃片加工系統(tǒng)采用創(chuàng)新的光束均勻化專利技術(shù)使得DPSS激光束產(chǎn)生均勻能量密度分布的平頂光束，根據(jù)加工材料可選擇1064nm、352nm、355nm或266nm波長的激光，多光路快速加工，可以對非平面玻璃板薄膜自動聚焦，無HAZ熱影響區(qū)，可以高產(chǎn)量、高效地進(jìn)行薄膜太陽能電池的P1、P2、P3劃片與P4邊緣隔離，掃描速度可達(dá)1.5米/秒。