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(jí)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(duì)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(duì)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(duì)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?。ㄐ∮?m）。激光工藝具有產(chǎn)能高、對(duì)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。

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(duì)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(duì)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?；谕瑯拥脑恚?93nm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(duì)于ArF準(zhǔn)分子激光則是透明的。

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

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)。