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

        紫外二極管泵浦固體（DPSS）激光器系統(tǒng)具有可靠性高、加工重復(fù)性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微加工、表面處理與材料加工等領(lǐng)域。這種UV DPSS激光加工方法優(yōu)于其它的激光加工方法或機(jī)械、化學(xué)加工方法，在半導(dǎo)體與其它工業(yè)應(yīng)用中具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?nbsp;

        在劃片、切割、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、過孔鉆孔等微加工領(lǐng)域廣泛使用DPSS激光器對以下材料進(jìn)行加工：硅片、藍(lán)寶石、CVD化學(xué)氣相沉積鉆石、III-V族半導(dǎo)體（砷化稼、磷化銦、磷化鉀）與III族氮化物（氮化稼、氮化鋁）等。DPSS激光器也被用于陶瓷、塑料與金屬材料的微加工。 

        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(huì)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)分子激光器工業(yè)加工系統(tǒng)具有波長短（351、308、248、193與157nm等紫外波段）、功率高（50～100瓦）、能量大、光斑面積大、光斑分布比較均勻等特點(diǎn)。因此準(zhǔn)分子激光器適合大面積圖案加工、3D微加工、MEMS微加工、紫外激光光刻、TFT平板激光退火、LED激光剝離等應(yīng)用。 

        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(dòng)，可以微加工得到較大的復(fù)雜圖案。     

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" src="http://files.chinaaet.com/images/20101101/10989610-50f3-4b07-9ee2-8176388b8eef.jpg" />

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(huì)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 

        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(dòng)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。（作者：Jeffrey P. Sercel，JPSA公司 譯者：王川，東隆科技有限公司） 
         
        Jeffrey P. Sercel是美國J. P. Sercel Associates公司（JPSA）的董事長和首席技術(shù)官，電郵：jsercel@jpsalaser.com。JPSA公司已于2008年與東隆科技有限公司聯(lián)合成立中國第一個(gè)JPSA售后服務(wù)中心。