紫外DPSS激光器在LED晶圓劃片中的應用
DPSS是全固態半導體(ti) 激光器的簡稱。窄脈寬、短波長紫外二極管泵浦固體(ti) 激光器（DPSS）的最新進展促進了工業(ye) 生產(chan) 係統的發展。過去，DPSS激光器比較適用於(yu) 科研而不適於(yu) 工業(ye) 生產(chan) 。隨著DPSS激光器的進展，現已開辟出很多可能的應用，包括紅外、脈衝(chong) 連續波以及Q開關(guan) 產(chan) 生具有多脈衝(chong) 寬度的脈衝(chong) 光波。與(yu) 其他種類的激光器相比，DPSS激光器在調控脈衝(chong) 形狀、重複頻率和光束質量等方麵具有較大的靈活性，其生成的諧波允許用戶獲得適於(yu) 多種材料加工的較短波長的光束。激光器的選擇不僅(jin) 與(yu) 應用有關(guan) ，而且與(yu) 激光束的特性直接相關(guan) 。例如，用於(yu) 大麵積圖形加工的準分子激光器能發出具有較低脈衝(chong) 重複頻率（一般低於(yu) 1kHz）的較粗光束。準分子能產(chan) 生具有中等脈衝(chong) 重複頻率的高脈衝(chong) 能量的激光束。目前所使用的基於(yu) Nd∶YVO4的DPSS激光器能產(chan) 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(yu) 266nm多倍頻DPSS激光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(chong) 能量的激光，短脈衝(chong) 的光束經過聚焦後可以產(chan) 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，采用了一種遠場成像的簡易技術將光束聚焦到一個(ge) 小點，然後移到晶片材料上。不同的材料由於(yu) 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(you) 化光強時不夠靈活，光強過強或過弱都會(hui) 影響激光劃片效果。而且通常的激光劃片局限於(yu) 獲得最小的聚焦光斑，後者決(jue) 定了劃片的分辨率。
圖1、氮化镓-藍寶石晶圓激光劃片的切口寬度為(wei) 2.5微米。
要達到理想的加工效果，優(you) 化激光光強就很重要了，因此需要一種新的激光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(yu) 傳(chuan) 遞的光學係統，該係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(you) 化激光強度，大大提高了半導體(ti) 晶圓劃片的速度，同時降低了對材料過度加熱與(yu) 附帶損傷(shang) 的程度。這種新的激光加工工藝與(yu) 技術可以獲得更高的生產(chan) 品質、更高的成品率和產(chan) 量。
圖2、248nm激光剝離示意圖
圖3、248nm激光剝離藍寶石上的氮化镓（一個(ge) 脈衝(chong) 激光光斑一次覆蓋9個(ge) 芯片）。
JPSA對不同波長的激光進行開發，使它們(men) 特別適合於(yu) 晶圓切割應用，采用266nm的DPSS激光器對藍光LED藍寶石晶圓的氮化镓正麵進行劃片，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(yu) 3m）。激光工藝具有產(chan) 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(yu) 傳(chuan) 統機械切割方法。
除了藍寶石之外，碳化矽也可以用來作為(wei) 藍光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(wei) 4.6eV和3.5eV）可用於(yu) 碳化矽（帶隙能量為(wei) 2.8eV）劃片。JPSA通過持續研發背切劃片的激光吸收增強等新技術，研發了雙麵劃片功能，355nm的DPSS激光器可以從(cong) LED的藍寶石麵進行背切劃片，實現了劃片速度高達150mm/s的高產(chan) 量背切劃片，無碎片並且不損壞外延層。對於(yu) 第III-V主族半導體(ti) ，例如砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）和磷化銦（InP），典型的切口深度為(wei) 40m,250微米厚的晶圓劃片速度高達300mm/s.
準分子激光器在2D圖案成形與(yu) 3D微加工、LED剝離中的應用
準分子激光器以準分子為(wei) 工作物質的一類氣體(ti) 激光器件。常用相對論電子束（能量大於(yu) 200千電子伏特）或橫向快速脈衝(chong) 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，受激態的能量以激光輻射的形式放出。波長為(wei) 193nm的ArF準分子激光，進行屈光手術的機理就是光化學效應。準分子激光單個(ge) 光子的能量大約是6.4eV,而角膜組織中肽鍵與(yu) 碳分子鍵的結合能量僅(jin) 為(wei) 3.6eV.當其高能量的光子照射到角膜，直接將組織內(nei) 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(yu) 準分子激光脈寬短（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(shang) 和熱損傷(shang) 極小（﹤0.30μm）。
2D圖案成形與(yu) 3D微加工 準分子激光器可以產(chan) 生大麵積方形或矩形的光斑，特別適合大麵積圖案成形工藝與(yu) 3D微加工。準分子激光器可以在相對較大的聚焦平麵範圍內(nei) 高效地加工材料，例如500mJ的UV光束在能量密度為(wei) 1 J/cm2時光斑的麵積達到7×7mm.大麵積的準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(wei) 近場成像。通過掩膜板與(yu) 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激光劃片係統先後進行三次劃片。
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(yu) 藍寶石材料對紫外激光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(yu) 248nm的氟化氪（KrF）準分子激光（5eV輻射能量）是透明的，而氮化镓（約3.3eV的帶隙能量）則會(hui) 強烈吸收248nm激光的能量。正如圖2所示，激光穿過藍寶石到達氮化镓緩衝(chong) 層，產(chan) 生一個(ge) 局部的爆炸衝(chong) 擊波，在氮化镓與(yu) 藍寶石的接觸麵進行激光剝離。基於(yu) 同樣的原理，193nm的氟化氬（ArF）準分子激光可以用於(yu) 分離氮化鋁（AlN）與(yu) 藍寶石。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帶隙能量的藍寶石對於(yu) ArF準分子激光則是透明的。
光束均勻性和晶圓製備對於(yu) 實現成功剝離都很重要。JPSA公司采用創新的光束均勻化專(zhuan) 利技術使得準分子激光束在晶圓上可以產(chan) 生最大麵積達5×5毫米的均勻能量密度分布的平頂光束。設計人員通過激光剝離（LLO）工藝可以實現垂直結構的LED,它克服了傳(chuan) 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(nei) 的瓶頸問題，顯著提高LED的最大輸出光功率與(yu) 最大效率。圖3展示了一個(ge) 典型的剝離效果。
圖5、JPSA薄膜太陽能電池優(you) 化劃片（左）與(yu) 非JPSA薄膜太陽能電池劃片（右）的比較。
DPSS激光器與(yu) 光纖激光器在薄膜太陽能電池劃片中的應用
光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為(wei) 增益介質的激光器，光纖激光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(nei) 極易形成高功率密度，造成激光工作物質的激光能級"粒子數反轉",當適當加入正反饋回路（構成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。光纖激光器應用範圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業(ye) 造船、汽車製造、激光雕刻激光打標激光切割、印刷製輥、金屬非金屬鑽孔/切割/焊接（銅焊、淬水、包層以及深度焊接）、軍(jun) 事國防安全、醫療器械儀(yi) 器設備、大型基礎建設等等。
DPSS激光器與(yu) 光纖激光器具有體(ti) 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(yu) 矽材料的成本增加，很多光伏（PV）平板製造商從(cong) 製造第一代的矽晶太陽能電池轉為(wei) 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）和銅銦镓硒（CIGS）化合物半導體(ti) 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隻有幾個(ge) 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(you) 點。
JPSA設計的薄膜太陽能電池激光劃片加工係統采用創新的光束均勻化專(zhuan) 利技術使得DPSS激光束產(chan) 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波長的激光，多光路快速加工，可以對非平麵玻璃板薄膜自動聚焦，無HAZ熱影響區，可以高產(chan) 量、高效地進行薄膜太陽能電池的P1、P2、P3劃片與(yu) P4邊緣隔離，掃描速度可達1.5米/秒。
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