多种激光器在半导体行业中的设计和应用

　　半导体制造业发展迅速，"绿色"技术无疑具有光明的未来，这就要求有新的激光加工工艺与技术来获得更高的生产品质、成品率和产量。除了激光系统的不断发展，新的加工技术和应用、光束传输与光学系统的改进、激光光束与材料之间相互作用的新研究，都是保持绿色技术革新继续前进所必须的。下文围绕紫外DPSS激光器、准分子激光器、光纤激光器在半导体行业中的加工应用，展开论述。

　　紫外DPSS激光器在LED晶圆划片中的应用

　　DPSS是全固态半导体激光器的简称。窄脉宽、短波长紫外二极管泵浦固体激光器（DPSS）的最新进展促进了工业生产系统的发展。过去，DPSS激光器比较适用于科研而不适于工业生产。随着DPSS激光器的进展，现已开辟出很多可能的应用，包括红外、脉冲连续波以及Q开关产生具有多脉冲宽度的脉冲光波。与其他种类的激光器相比，DPSS激光器在调控脉冲形状、重复频率和光束质量等方面具有较大的灵活性，其生成的谐波允许用户获得适于多种材料加工的较短波长的光束。激光器的选择不仅与应用有关，而且与激光束的特性直接相关。例如，用于大面积图形加工的准分子激光器能发出具有较低脉冲重复频率（一般低于1kHz）的较粗光束。准分子能产生具有中等脉冲重复频率的高脉冲能量的激光束。目前所使用的基于Nd∶YVO4的DPSS激光器能产生大约1?滋m波长的红外光束，利用谐波振荡器进行二倍频（输出绿光）、三倍频（输出近紫外光）或者四倍频（输出深紫外光）。

　　355nm与266nm多倍频DPSS激光器在紫外波段可以输出数瓦的功率、kHz量级高重复频率、高脉冲能量的激光，短脉冲的光束经过聚焦后可以产生极高的功率密度，在晶圆划片中可以使材料迅速气化。在通常的激光划片过程中，采用了一种远场成像的简易技术将光束聚焦到一个小点，然后移到晶片材料上。不同的材料由于吸收光的特性不一样，因此需要的光强也不一样，但是这种远场成像的聚焦光斑在调节优化光强时不够灵活，光强过强或过弱都会影响激光划片效果。而且通常的激光划片局限于获得最小的聚焦光斑，后者决定了划片的分辨率。

图1、氮化镓-蓝宝石晶圆激光划片的切口宽度为2.5微米。

　　要达到理想的加工效果，优化激光光强就很重要了，因此需要一种新的激光划片方法来克服现有技术的缺陷。美国JPSA公司的技术人员开发了一种有效的光束整形与传递的光学系统，该系统可以获得很狭窄的2.5微米切口宽度，可以在保证最小聚焦光斑的同时调节优化激光强度，大大提高了半导体晶圆划片的速度，同时降低了对材料过度加热与附带损伤的程度。这种新的激光加工工艺与技术可以获得更高的生产品质、更高的成品率和产量。

图2、248nm激光剥离示意图

图3、248nm激光剥离蓝宝石上的氮化镓（一个脉冲激光光斑一次覆盖9个芯片）。

　　JPSA对不同波长的激光进行开发，使它们特别适合于晶圆切割应用，采用266nm的DPSS激光器对蓝光LED蓝宝石晶圆的氮化镓正面进行划片，正切划片速度可达150mm/s,每小时可加工大约15片晶圆（标准2英寸晶圆，裸片尺寸350m×350m），切口却很小（小于3m）。激光工艺具有产能高、对LED性能影响小的特点，容许晶圆的形变和弯曲，其切割速度远高于传统机械切割方法。

　　除了蓝宝石之外，碳化硅也可以用来作为蓝光LED薄片的外延生长基板。266nm和355nm紫外DPSS激光器（带隙能量分别为4.6eV和3.5eV）可用于碳化硅（带隙能量为2.8eV）划片。JPSA通过持续研发背切划片的激光吸收增强等新技术，研发了双面划片功能，355nm的DPSS激光器可以从LED的蓝宝石面进行背切划片，实现了划片速度高达150mm/s的高产量背切划片，无碎片并且不损坏外延层。对于第III-V主族半导体，例如砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）和磷化铟（InP），典型的切口深度为40m,250微米厚的晶圆划片速度高达300mm/s.

　　准分子激光器在2D图案成形与3D微加工、LED剥离中的应用

准分子激光器以准分子为工作物质的一类气体激光器件。常用相对论电子束（能量大于200千电子伏特）或横向快速脉冲放电来实现激励。当受激态准分子的不稳定分子键断裂而离解成基态原子时，受激态的能量以激光辐射的形式放出。波长为193nm的ArF准分子激光，进行屈光手术的机理就是光化学效应。准分子激光单个光子的能量大约是6.4eV,而角膜组织中肽键与碳分子键的结合能量仅为3.6eV.当其高能量的光子照射到角膜，直接将组织内的分子键打断，导致角膜组织碎裂而达到消融切割组织的目的，并且由于准分子激光脉宽短（10~20nm），又是光化学效应切除。因此，对切除周围组织的机械损伤和