激光器在半导体行业中的应用

         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。

         图1、氮化镓-蓝宝石晶圆激光

划片的切口宽度为2.5微米。

        紫外DPSS激光器在LED晶圆划片中的应用

        紫外二极管泵浦固体（DPSS）激光器系统具有可靠性高、加工重复性好等特点，广泛应用于微加工、表面处理与材料加工等领域。这种UV DPSS激光加工方法优于其它的激光加工方法或机械、化学加工方法，在半导体与其它工业应用中具有很大的发展潜力。

        在划片、切割、结构构造、过孔钻孔等微加工领域广泛使用DPSS激光器对以下材料进行加工：硅片、蓝宝石、CVD化学气相沉积钻石、III-V族半导体（砷化稼、磷化铟、磷化钾）与III族氮化物（氮化稼、氮化铝）等。DPSS激光器也被用于陶瓷、塑料与金属材料的微加工。

        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。

        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

        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。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）。

        准分子激光器在2D图案成形与3D微加工、LED剥离中的应用
        准分子激光器工业加工系统具有波长短（351、308、248、193与157nm等紫外波段）、功率高（50～100瓦）、能量大、光斑面积大、光斑分布比较均匀等特点。因此准分子激光器适合大面积图案加工、3D微加工、MEMS微加工、紫外激光光刻、TFT平板激光退火、LED激光剥离等应用。
        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1J/cm^{2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，显著提高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

        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。



        Jeffrey P. Sercel是美国J. P. Sercel Associates公司（JPSA）的董事长和首席技术官，电邮：jsercel@jpsalaser.com。JPSA公司已于2008年与东隆科技有限公司联合成立中国第一个JPSA售后服务中心。

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激光器在半导体行业中的应用

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