半導體制造業發展迅速，“綠色”技術無疑具有光明的未來，這就要求有新的激光加工工藝與技術來獲得更高的生產品質、成品率和產量。除了激光系統的不斷發展，新的加工技術和應用、光束傳輸與光學系統的改進、激光光束與材料之間相互作用的新研究，都是保持綠色技術革新繼續前進所必須的。下文圍繞紫外DPSS激光器、準分子激光器、光纖激光器在半導體行業中的加工應用，展開論述。
紫外DPSS激光器在LED晶圓劃片中的應用
紫外二極管泵浦固體（DPSS）激光器系統具有可靠性高、加工重復性好等特點，廣泛應用于微加工、表面處理與材料加工等領域。這種UV DPSS激光加工方法優于其它的激光加工方法或機械、化學加工方法，在半導體與其它工業應用中具有很大的發展潛力。
在劃片、切割、結構構造、過孔鉆孔等微加工領域廣泛使用DPSS激光器對以下材料進行加工：硅片、藍寶石、CVD化學氣相沉積鉆石、III-V族半導體（砷化稼、磷化銦、磷化鉀）與III族氮化物（氮化稼、氮化鋁）等。DPSS激光器也被用于陶瓷、塑料與金屬材料的微加工。
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。
除了藍寶石之外，碳化硅也可以用來作為藍光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4.6eV和3.5eV）可用于碳化硅（帶隙能量為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，研發了雙面劃片功能，355nm的DPSS激光器可以從LED的藍寶石面進行背切劃片，實現了劃片速度高達150mm/s的高產量背切劃片，無碎片并且不損壞外延層。對于第III-V主族半導體，例如砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）和磷化銦（InP），典型的切口深度為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3D微加工、LED剝離中的應用
準分子激光器工業加工系統具有波長短（351、308、248、193與157nm等紫外波段）、功率高（50～100瓦）、能量大、光斑面積大、光斑分布比較均勻等特點。因此準分子激光器適合大面積圖案加工、3D微加工、MEMS微加工、紫外激光光刻、TFT平板激光退火、LED激光剝離等應用。
2D圖案成形與3D微加工 準分子激光器可以產生大面積方形或矩形的光斑，特別適合大面積圖案成形工藝與3D微加工。準分子激光器可以在相對較大的聚焦平面范圍內高效地加工材料，例如500mJ的UV光束在能量密度為1 J/cm2時光斑的面積達到7×7mm。大面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；這些被稱為近場成像。通過掩膜板與加工工件的協調運動，可以微加工得到較大的復雜圖案。
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" src="http://files.chinaaet.com/images/20101101/10989610-50f3-4b07-9ee2-8176388b8eef.jpg" />
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。基于同樣的原理，193nm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。
光束均勻性和晶圓制備對于實現成功剝離都很重要。JPSA公司采用創新的光束均勻化專利技術使得準分子激光束在晶圓上可以產生最大面積達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的瓶頸問題，顯著提高LED的最大輸出光功率與最大效率。圖3展示了一個典型的剝離效果。
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
DPSS激光器與光纖激光器具有體積小、功率大、倍頻波長范圍多等特點，適合在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。
JPSA設計的薄膜太陽能電池激光劃片加工系統采用創新的光束均勻化專利技術使得DPSS激光束產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，可以對非平面玻璃板薄膜自動聚焦，無HAZ熱影響區，可以高產量、高效地進行薄膜太陽能電池的P1、P2、P3劃片與P4邊緣隔離，掃描速度可達1.5米/秒。（作者：Jeffrey P. Sercel，JPSA公司 譯者：王川，東隆科技有限公司）
Jeffrey P. Sercel是美國J. P. Sercel Associates公司（JPSA）的董事長和首席技術官，電郵：jsercel@jpsalaser.com。JPSA公司已于2008年與東隆科技有限公司聯合成立中國第一個JPSA售后服務中心。