[发明专利]固体激光剥离和切割一体化设备

说明书

技术领域

本发明涉及半导体加工领域，更具体地说涉及采用固体激光对半导体薄膜材料的剥离和切割的一体化设备。本发明的设备同时具有激光剥离半导体材料和划片(切割)功能。激光通过专用的光路整型成特定的形状及特定的光场分布，通过聚焦照射到多层材料之间的界面上，分解界面材料以达到剥离膜层与衬底的功能。同时，由于使用的是大功率固体激光器，所以，可能同时使用另一个光束整型系统，产生一束能用于划片(切割)的激光，这样在移动平台与机器视觉系统的配合下，同时能具有半导体材料的划片(切割)功能，提供一个多功能的激光微加工系统。

背景技术

以GaN以及InGaN，AlGaN为主的III/V氮化物是近年来备受关注的半导体材料，其1.9eV-6.2eV连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等等特性，使其成为激光器、发光二极管等等光电子器件和微电子器件的优选材料。

然而，由于GaN本身生长技术的限制，现今的大面积GaN材料大多生长在蓝宝石衬底上。虽然蓝宝石衬底上生长的GaN质量很高，应用也最广，可是由于蓝宝石的不导电及较差的导热特性，极大地限制了GaN基半导体器件的发展。为了回避这一不足，GaN薄膜在蓝宝石上生长成功后，将蓝宝石去除的方法发明了，去除衬底后的GaN薄膜依需要可以键合在更好的热沉或作为同质外延的衬底材料。在蓝宝石去除的过程中，主要应用的方法就是激光剥离技术。

衬底剥离技术(Lift-off)首先由美国惠普公司在AlGaInP/GaAs LED上实现，因为GaAs衬底使得LED内部光吸收损失非常大。通过剥离GaAs衬底，然后粘接在透明的GaP衬底上，可以提高近2倍的发光效率。GaN基材料的激光剥离(LLO)技术是基于GaN的异质外延发展的一项技术，是美国M.K.Kelly等人于1996年提出的，利用YAG的3倍频激光剥离在蓝宝石衬底上氢化物气相外延(HVPE)生长的厚膜GaN。1998年W.S.Wong等人利用LLO技术制备GaN基的LED和激光二极管，激光剥离工艺受到了人们的广泛重视。

激光剥离技术解决了蓝宝石衬底上GaN基LED存在的诸如散热、电流聚集以及出光效率低等一系列问题，是解决上述照明应用障碍的最有潜力的技术。首先，外延片转移到高热导率的热沉上，极大地改进了LED芯片的散热效率，降低LED的结温，结温的降低将大大提高LED的发光效率和可靠性，增加LED的寿命。激光剥离技术由于减少刻蚀、磨片、划片等工艺，而且剥离出来的蓝宝石衬底可以重复运用，有效地节约工艺成本。

目前商业化的激光剥离设备主要有美国JPSA公司IX-1000型激光剥离机，采用的是大功率KrF准分子激光器，波长为248nm，脉冲宽度在25-38ns不等，通过对能量的精确控制及光束能量分布的匀化后，照射到GaN缓冲层上，使之分解为金属镓和氮气，从而实现GaN膜层与衬底的剥离。除了KrF准分子激光器外，Q开关的YAG三倍频固体激光器也被应用，主要有美国M.K.Kelly小组和台湾R.H.Horng小组。固体激光器通过Q开关技术可以达到较高的脉冲能量，而且维护比较方便，但由于技术限制，这种方案一直没有成熟的商品设备。

目前商业化的芯片的激光切割设备，都比较成熟了。国际主流的供应商有日本的DISCO，东京精密等。这些厂家都推出了成功的DPSS激光切割设备。

上述的剥离和切割方法有如下的特点：

1.使用逐片剥离工艺(chip by chip)，通过大光斑(光斑大于或等于一个元件(chip))进行剥离。

2.光斑大小要依据器件单元的尺寸改变。

3.光斑的能量分布均匀，呈平顶状。

4.光斑能量大，一般能量密度大于0.6J/cm2。

5.使用移动工作台加视觉识别系统完成各个器件单元的和激光光斑的对准。

6.使用DPSS激光器做为激光切割机的光源。

现在剥离技术中，采用激光器采用KrF准分子激光器，这种激光器由于脉冲频率较低，所以，对于剥离后的芯片切割，没有采用激光切割的方式，而是依热沉的不同，采用金刚石刀片切割，有的使用DPSS激光划片然后使用机械裂片的方式，这两种方式都可以解决芯片分离的问题。

经过产业界最近几年的应用，上述解决方案虽然解决了剥离的问题，也解决了激光切割芯下的问题，但同时也出现了一些问题，主要有以下几点：

1.KrF激光器的特点，无法保证每个激光脉冲的能量稳定性，容易出现能量波动，从而破坏元器件结构，降低良品率。