雷射器的特點與在半導體行業中的加工應用介紹

雷射器的特點與在半導體行業中的加工應用介紹

電子設計 發表於 2018-10-23 08:08:00

半導體製造業發展迅速，"綠色"技術無疑具有光明的未來，這就要求有新的雷射加工工藝與技術來獲得更高的生產品質、成品率和產量。除了雷射系統的不斷發展，新的加工技術和應用、光束傳輸與光學系統的改進、雷射光束與材料之間相互作用的新研究，都是保持綠色技術革新繼續前進所必須的。下文圍繞紫外DPSS雷射器、準分子雷射器、光纖雷射器在半導體行業中的加工應用，展開論述。

紫外DPSS雷射器在LED晶圓劃片中的應用

DPSS是全固態半導體雷射器的簡稱。窄脈寬、短波長紫外二極體泵浦固體雷射器（DPSS）的最新進展促進了工業生產系統的發展。過去，DPSS雷射器比較適用於科研而不適於工業生產。隨著DPSS雷射器的進展，現已開闢出很多可能的應用，包括紅外、脈衝連續波以及Q開關產生具有多脈衝寬度的脈衝光波。與其他種類的雷射器相比，DPSS雷射器在調控脈衝形狀、重複頻率和光束質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於多種材料加工的較短波長的光束。雷射器的選擇不僅與應用有關，而且與雷射束的特性直接相關。例如，用於大面積圖形加工的準分子雷射器能發出具有較低脈衝重複頻率（一般低於1kHz）的較粗光束。準分子能產生具有中等脈衝重複頻率的高脈衝能量的雷射束。目前所使用的基於Nd∶YVO4的DPSS雷射器能產生大約1?滋m波長的紅外光束，利用諧波振蕩器進行二倍頻（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雷射器在紫外波段可以輸出數瓦的功率、kHz量級高重複頻率、高脈衝能量的雷射，短脈衝的光束經過聚焦後可以產生極高的功率密度，在晶圓劃片中可以使材料迅速氣化。在通常的雷射劃片過程中，採用了一種遠場成像的簡易技術將光束聚焦到一個小點，然後移到晶片材料上。不同的材料由於吸收光的特性不一樣，因此需要的光強也不一樣，但是這種遠場成像的聚焦光斑在調節優化光強時不夠靈活，光強過強或過弱都會影響雷射劃片效果。而且通常的雷射劃片局限於獲得最小的聚焦光斑，後者決定了劃片的解析度。

圖1、氮化鎵-藍寶石晶圓雷射劃片的切口寬度為2.5微米。

要達到理想的加工效果，優化雷射光強就很重要了，因此需要一種新的雷射劃片方法來克服現有技術的缺陷。美國JPSA公司的技術人員開發了一種有效的光束整形與傳遞的光學系統，該系統可以獲得很狹窄的2.5微米切口寬度，可以在保證最小聚焦光斑的同時調節優化雷射強度，大大提高了半導體晶圓劃片的速度，同時降低了對材料過度加熱與附帶損傷的程度。這種新的雷射加工工藝與技術可以獲得更高的生產品質、更高的成品率和產量。

圖2、248nm雷射剝離示意圖 

圖3、248nm雷射剝離藍寶石上的氮化鎵（一個脈衝雷射光斑一次覆蓋9個晶片）。

JPSA對不同波長的雷射進行開發，使它們特別適合於晶圓切割應用，採用266nm的DPSS雷射器對藍光LED藍寶石晶圓的氮化鎵正面進行劃片，正切劃片速度可達150mm/s,每小時可加工大約15片晶圓（標準2英寸晶圓，裸片尺寸350m×350m），切口卻很小（小於3m）。雷射工藝具有產能高、對LED性能影響小的特點，容許晶圓的形變和彎曲，其切割速度遠高於傳統機械切割方法。

除了藍寶石之外，碳化矽也可以用來作為藍光LED薄片的外延生長基板。266nm和355nm紫外DPSS雷射器（帶隙能量分別為4.6eV和3.5eV）可用於碳化矽（帶隙能量為2.8eV）劃片。JPSA通過持續研發背切劃片的雷射吸收增強等新技術，研發了雙面劃片功能，355nm的DPSS雷射器可以從LED的藍寶石面進行背切劃片，實現了劃片速度高達150mm/s的高產量背切劃片，無碎片並且不損壞外延層。對於第III-V主族半導體，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300mm/s.

準分子雷射器在2D圖案成形與3D微加工、LED剝離中的應用

準分子雷射器以準分子為工作物質的一類氣體雷射器件。常用相對論電子束（能量大於200千電子伏特）或橫向快速脈衝放電來實現激勵。當受激態準分子的不穩定分子鍵斷裂而離解成基態原子時，受激態的能量以雷射輻射的形式放出。波長為193nm的ArF準分子雷射，進行屈光手術的機理就是光化學效應。準分子雷射單個光子的能量大約是6.4eV,而角膜組織中肽鍵與碳分子鍵的結合能量僅為3.6eV.當其高能量的光子照射到角膜，直接將組織內的分子鍵打斷，導致角膜組織碎裂而達到消融切割組織的目的，並且由於準分子雷射脈寬短（10~20nm），又是光化學效應切除。因此，對切除周圍組織的機械損傷和熱損傷極小（﹤0.30μm）。

2D圖案成形與3D微加工 準分子雷射器可以產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。準分子雷射器可以在相對較大的聚焦平面範圍內高效地加工材料，例如500mJ的UV光束在能量密度為1 J/cm2時光斑的面積達到7×7mm.大面積的準分子雷射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調運動，可以微加工得到較大的複雜圖案。

圖4、薄膜太陽能電池的P1、P2、P3三層材料需要多光路雷射劃片系統先後進行三次劃片。

LED雷射剝離（LLO） LED雷射剝離的基本原理是利用外延層材料與藍寶石材料對紫外雷射具有不同的吸收效率。藍寶石具有較高的帶隙能量（9.9eV），所以藍寶石對於248nm的氟化氪（KrF）準分子雷射（5eV輻射能量）是透明的，而氮化鎵（約3.3eV的帶隙能量）則會強烈吸收248nm雷射的能量。正如圖2所示，雷射穿過藍寶石到達氮化鎵緩衝層，產生一個局部的爆炸衝擊波，在氮化鎵與藍寶石的接觸面進行雷射剝離。基於同樣的原理，193nm的氟化氬（ArF）準分子雷射可以用於分離氮化鋁（AlN）與藍寶石。具有6.3eV帶隙能量的氮化鋁可以吸收6.4eV的ArF雷射輻射，而9.9eV帶隙能量的藍寶石對於ArF準分子雷射則是透明的。

光束均勻性和晶圓製備對於實現成功剝離都很重要。JPSA公司採用創新的光束均勻化專利技術使得準分子雷射束在晶圓上可以產生最大面積達5×5毫米的均勻能量密度分布的平頂光束。設計人員通過雷射剝離（LLO）工藝可以實現垂直結構的LED,它克服了傳統的橫向結構的各種缺陷。垂直結構LED可以提供更大的電流，消除電流擁擠問題以及器件內的瓶頸問題，顯著提高LED的最大輸出光功率與最大效率。圖3展示了一個典型的剝離效果。

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

DPSS雷射器與光纖雷射器在薄膜太陽能電池劃片中的應用

光纖雷射器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的雷射器，光纖雷射器可在光纖放大器的基礎上開發出來：在泵浦光的作用下光纖內極易形成高功率密度，造成雷射工作物質的雷射能級"粒子數反轉",當適當加入正反饋迴路（構成諧振腔）便可形成雷射振蕩輸出。光纖雷射器應用範圍非常廣泛，包括雷射光纖通訊、雷射空間遠距通訊、工業造船、汽車製造、雷射雕刻雷射打標雷射切割、印刷制輥、金屬非金屬鑽孔/切割/焊接（銅焊、淬水、包層以及深度焊接）、軍事國防安全、醫療器械儀器設備、大型基礎建設等等。

DPSS雷射器與光纖雷射器具有體積小、功率大、倍頻波長範圍多等特點，適合在太陽能電池劃片中的應用。

由於矽材料的成本增加，很多光伏（PV）平板製造商從製造第一代的矽晶太陽能電池轉為製造第二代的薄膜太陽能電池。薄膜太陽能電池包括非晶矽（a-Si）太陽能電池、碲化鎘（CdTe）和銅銦鎵硒（CIGS）化合物半導體電池。相比矽晶電池的幾百微米矽晶厚度，薄膜太陽能電池薄膜厚度只有幾個微米，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、製造成本低等優點。

JPSA設計的薄膜太陽能電池雷射劃片加工系統採用創新的光束均勻化專利技術使得DPSS雷射束產生均勻能量密度分布的平頂光束，根據加工材料可選擇1064nm、352nm、355nm或266nm波長的雷射，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，可以高產量、高效地進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1.5米/秒。

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