紫外DPSS激光器在LED晶圓劃片中的應用

DPSS是全固態半導體激光器的簡稱。窄脈寬、短波長紫外二極管泵浦固體激光器（DPSS）的最新進展促進了工業生產系統的發展。過去，DPSS激光器比較適用于科研而不適于工業生產。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、脈沖連續波以及Q開關產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激光器在調控脈沖形狀、重復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用有關，而且與激光束的特性直接相關。例如，用于大面積圖形加工的準分子激光器能發出具有較低脈沖重復頻率（一般低于1kHz）的較粗光束。準分子能產生具有中等脈沖重復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激光器在紫外波段可以輸出數瓦的功率、kHz量級高重復頻率、高脈沖能量的激光，短脈沖的光束經過聚焦后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小點，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-藍寶石晶圓激光劃片的切口寬度為2.5微米。

要達到理想的加工效果，優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激光強度，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。這種新的激光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激光剝離示意圖 

圖3、248nm激光剝離藍寶石上的氮化鎵（一個脈沖激光光斑一次覆蓋9個芯片）。

JPSA對不同波長的激光進行開發，使它們特別適合于晶圓切割應用，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（小于3m）。激光工藝具有產能高、對LED性能影響小的特點，容許晶圓的形變和彎曲，其切割速度遠高于傳統機械切割方法。

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先后進行三次劃片。

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），所以藍寶石對于248nm的氟化氪（KrF）準分子激光（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鎵緩沖層，產生一個局部的爆炸沖擊波，在氮化鎵與藍寶石的接觸面進行激光剝離?；谕瑯拥脑恚?93nm的氟化氬（ArF）準分子激光可以用于分離氮化鋁（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激光輻射，而9.9eV帶隙能量的藍寶石對于ArF準分子激光則是透明的。

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激光器與光纖激光器在薄膜太陽能電池劃片中的應用

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、制造成本低等優點。