激光器的特点与在半导体行业中的加工应用介绍

半导体制造业发展迅速，"绿色"技术无疑具有光明的未来，这就要求有新的激光加工工艺与技术来获得更高的生产品质、成品率和产量。除了激光系统的不断发展，新的加工技术和应用、光束传输与光学系统的改进、激光光束与材料之间相互作用的新研究，都是保持绿色技术革新继续前进所必须的。下文围绕紫外DPSS激光器、准分子激光器、光纤激光器在半导体行业中的加工应用，展开论述。

紫外DPSS激光器在LED晶圆划片中的应用

DPSS是全固态半导体激光器的简称。窄脉宽、短波长紫外二极管泵浦固体激光器（DPSS）的最新进展促进了工业生产系统的发展。过去，DPSS激光器比较适用于科研而不适于工业生产。随着DPSS激光器的进展，现已开辟出很多可能的应用，包括红外、脉冲连续波以及Q开关产生具有多脉冲宽度的脉冲光波。与其他种类的激光器相比，DPSS激光器在调控脉冲形状、重复频率和光束质量等方面具有较大的灵活性，其生成的谐波允许用户获得适于多种材料加工的较短波长的光束。激光器的选择不仅与应用有关，而且与激光束的特性直接相关。例如，用于大面积图形加工的准分子激光器能发出具有较低脉冲重复频率（一般低于1kHz）的较粗光束。准分子能产生具有中等脉冲重复频率的高脉冲能量的激光束。目前所使用的基于Nd∶YVO4的DPSS激光器能产生大约1?滋m波长的红外光束，利用谐波振荡器进行二倍频（输出绿光）、三倍频（输出近紫外光）或者四倍频（输出深紫外光）。

355nm与266nm多倍频DPSS激光器在紫外波段可以输出数瓦的功率、kHz量级高重复频率、高脉冲能量的激光，短脉冲的光束经过聚焦后可以产生极高的功率密度，在晶圆划片中可以使材料迅速气化。在通常的激光划片过程中，采用了一种远场成像的简易技术将光束聚焦到一个小点，然后移到晶片材料上。不同的材料由于吸收光的特性不一样，因此需要的光强也不一样，但是这种远场成像的聚焦光斑在调节优化光强时不够灵活，光强过强或过弱都会影响激光划片效果。而且通常的激光划片局限于获得最小的聚焦光斑，后者决定了划片的分辨率。

图1、氮化镓-蓝宝石晶圆激光划片的切口宽度为2.5微米。

要达到理想的加工效果，优化激光光强就很重要了，因此需要一种新的激光划片方法来克服现有技术的缺陷。美国JPSA公司的技术人员开发了一种有效的光束整形与传递的光学系统，该系统可以获得很狭窄的2.5微米切口宽度，可以在保证最小聚焦光斑的同时调节优化激光强度，大大提高了半导体晶圆划片的速度，同时降低了对材料过度加热与附带损伤的程度。这种新的激光加工工艺与技术可以获得更高的生产品质、更高的成品率和产量。

图2、248nm激光剥离示意图

图3、248nm激光剥离蓝宝石上的氮化镓（一个脉冲激光光斑一次覆盖9个芯片）。

JPSA对不同波长的激光进行开发，使它们特别适合于晶圆切割应用，采用266nm的DPSS激光器对蓝光LED蓝宝石晶圆的氮化镓正面进行划片，正切划片速度可达150mm/s,每小时可加工大约15片晶圆（标准2英寸晶圆，裸片尺寸350m×350m），切口却很小（小于3m）。激光工艺具有产能高、对LED性能影响小的特点，容许晶圆的形变和弯曲，其切割速度远高于传统机械切割方法。

除了蓝宝石之外，碳化硅也可以用来作为蓝光LED薄片的外延生长基板。266nm和355nm紫外DPSS激光器（带隙能量分别为4.6eV和3.5eV）可用于碳化硅（带隙能量为2.8eV）划片。JPSA通过持续研发背切划片的激光吸收增强等新技术，研发了双面划片功能，355nm的DPSS激光器可以从LED的蓝宝石面进行背切划片，实现了划片速度高达150mm/s的高产量背切划片，无碎片并且不损坏外延层。对于第III-V主族半导体，例如砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）和磷化铟（InP），典型的切口深度为40m,250微米厚的晶圆划片速度高达300mm/s.

准分子激光器在2D图案成形与3D微加工、LED剥离中的应用

准分子激光器以准分子为工作物质的一类气体激光器件。常用相对论电子束（能量大于200千电子伏特）或横向快速脉冲放电来实现激励。当受激态准分子的不稳定分子键断裂而离解成基态原子时，受激态的能量以激光辐射的形式放出。波长为193nm的ArF准分子激光，进行屈光手术的机理就是光化学效应。准分子激光单个光子的能量大约是6.4eV,而角膜组织中肽键与碳分子键的结合能量仅为3.6eV.当其高能量的光子照射到角膜，直接将组织内的分子键打断，导致角膜组织碎裂而达到消融切割组织的目的，并且由于准分子激光脉宽短（10~20nm），又是光化学效应切除。因此，对切除周围组织的机械损伤和热损伤极小（﹤0.30μm）。

2D图案成形与3D微加工 准分子激光器可以产生大面积方形或矩形的光斑，特别适合大面积图案成形工艺与3D微加工。准分子激光器可以在相对较大的聚焦平面范围内高效地加工材料，例如500mJ的UV光束在能量密度为1 J/cm2时光斑的面积达到7×7mm.大面积的准分子激光束可以投射到光刻掩模上，微加工特殊的形状和图案；这些被称为近场成像。通过掩膜板与加工工件的协调运动，可以微加工得到较大的复杂图案。

图4、薄膜太阳能电池的P1、P2、P3三层材料需要多光路激光划片系统先后进行三次划片。

LED激光剥离（LLO） LED激光剥离的基本原理是利用外延层材料与蓝宝石材料对紫外激光具有不同的吸收效率。蓝宝石具有较高的带隙能量（9.9eV），所以蓝宝石对于248nm的氟化氪（KrF）准分子激光（5eV辐射能量）是透明的，而氮化镓（约3.3eV的带隙能量）则会强烈吸收248nm激光的能量。正如图2所示，激光穿过蓝宝石到达氮化镓缓冲层，产生一个局部的爆炸冲击波，在氮化镓与蓝宝石的接触面进行激光剥离。基于同样的原理，193nm的氟化氩（ArF）准分子激光可以用于分离氮化铝（AlN）与蓝宝石。具有6.3eV带隙能量的氮化铝可以吸收6.4eV的ArF激光辐射，而9.9eV带隙能量的蓝宝石对于ArF准分子激光则是透明的。

光束均匀性和晶圆制备对于实现成功剥离都很重要。JPSA公司采用创新的光束均匀化专利技术使得准分子激光束在晶圆上可以产生最大面积达5×5毫米的均匀能量密度分布的平顶光束。设计人员通过激光剥离（LLO）工艺可以实现垂直结构的LED,它克服了传统的横向结构的各种缺陷。垂直结构LED可以提供更大的电流，消除电流拥挤问题以及器件内的瓶颈问题，显着提高LED的最大输出光功率与最大效率。图3展示了一个典型的剥离效果。

图5、JPSA薄膜太阳能电池优化划片（左）与非JPSA薄膜太阳能电池划片（右）的比较。

DPSS激光器与光纤激光器在薄膜太阳能电池划片中的应用

光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级"粒子数反转",当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等等。

DPSS激光器与光纤激光器具有体积小、功率大、倍频波长范围多等特点，适合在太阳能电池划片中的应用。

由于硅材料的成本增加，很多光伏（PV）平板制造商从制造第一代的硅晶太阳能电池转为制造第二代的薄膜太阳能电池。薄膜太阳能电池包括非晶硅（a-Si）太阳能电池、碲化镉（CdTe）和铜铟镓硒（CIGS）化合物半导体电池。相比硅晶电池的几百微米硅晶厚度，薄膜太阳能电池薄膜厚度只有几个微米，大大降低了材料的成本。薄膜太阳能电池具有材料用量少、加工工序少、有弹性、半透明、制造成本低等优点。

JPSA设计的薄膜太阳能电池激光划片加工系统采用创新的光束均匀化专利技术使得DPSS激光束产生均匀能量密度分布的平顶光束，根据加工材料可选择1064nm、352nm、355nm或266nm波长的激光，多光路快速加工，可以对非平面玻璃板薄膜自动聚焦，无HAZ热影响区，可以高产量、高效地进行薄膜太阳能电池的P1、P2、P3划片与P4边缘隔离，扫描速度可达1.5米/秒。