Ralph Delmdahl，相干德國(guó)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理

Burkhard Fechner，相干德國(guó)亞洲銷(xiāo)售經(jīng)理

紫外準(zhǔn)分子激光器的問(wèn)世，為改善顯示性能和推進(jìn)產(chǎn)品創(chuàng)新提供了可行性手段，例如其能加快像素轉(zhuǎn)換率，降低產(chǎn)品的能耗、重量及厚度，或是實(shí)現(xiàn)像紙一樣的機(jī)械柔韌性，這些都是使產(chǎn)品滿足消費(fèi)者千變?nèi)f化的需求的關(guān)鍵因素。為了推動(dòng)顯示及微電子行業(yè)中具有成本效益的材料和工藝的發(fā)展，相干公司推出了VarioLas系列準(zhǔn)分子表面加工系統(tǒng)。下面將主要介紹靈活的VarioLas系列表面加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及其在推動(dòng)大面積紫外表面加工和紫外激光退火發(fā)展中的巨大潛力。

紫外準(zhǔn)分子激光器的優(yōu)勢(shì)

紫外激光器在多種材料加工方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。特別是短波長(zhǎng)、高能量的紫外光子發(fā)生的衍射，要比長(zhǎng)波長(zhǎng)的可見(jiàn)光和紅外光少，這就保證了材料加工時(shí)較高的空間分辨率。此外，紫外激光微加工主要依賴(lài)于非熱效應(yīng)手段，從而能使加工過(guò)程引入的熱影響區(qū)域最小化。

紫外波段的準(zhǔn)分子激光器，能提供高達(dá)2000mJ的脈沖能量和高達(dá)千瓦級(jí)的輸出功率。因此，紫外準(zhǔn)分子激光器已經(jīng)成為了快速、有效的大面積燒蝕和微米量級(jí)微結(jié)構(gòu)加工的關(guān)鍵手段。

因此，在要求卓越的質(zhì)量和重復(fù)率的高性能激光微加工應(yīng)用中，準(zhǔn)分子激光器是首選的解決方案。半導(dǎo)體制造、顯示器制造、醫(yī)療器械制造和科學(xué)研究等諸多具有苛刻要求的高精密加工過(guò)程，正在越來(lái)越多地采用準(zhǔn)分子激光器。

作為準(zhǔn)分子激光器光束和波長(zhǎng)特性的全面拓展，相干公司開(kāi)發(fā)出了結(jié)構(gòu)緊湊、使用靈活的紫外激光材料加工系統(tǒng)，旨在推動(dòng)半導(dǎo)體材料表面大范圍加工和退火的進(jìn)一步發(fā)展。紫外光子可在縮小掩模成像、或者在襯底材料上投射均勻的準(zhǔn)分子激光束過(guò)程中發(fā)揮作用。VarioLas系統(tǒng)中的每款產(chǎn)品都可工作在193nm、 248nm和308nm波長(zhǎng)。

用于燒蝕和退火的紫外系統(tǒng)

VarioLas掩模成像系統(tǒng)（或稱(chēng)為線性光束系統(tǒng)）基于相干公司的COMPexPro系列準(zhǔn)分子激光器，其為高質(zhì)量大范圍精密機(jī)械加工和表面退火提供了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的工具。卓越的光學(xué)設(shè)計(jì)、光束抗震的機(jī)械設(shè)計(jì)，以及無(wú)可比擬的脈沖與脈沖間的穩(wěn)定性，是VarioLas系列的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

在面積為2mm×2mm的矩形加工區(qū)域上，VarioLas掩模成像系統(tǒng)ECO和PRO分別能提供30μm和5μm的微機(jī)械加工分辨率，這樣的分辨率對(duì)于聚合物、半導(dǎo)體、陶瓷、玻璃等材料的紫外機(jī)械加工、以及激光剝離和低溫紫外退火都是非常理想的。投射到加工物品上的激光能量密度可高達(dá)3.5J/cm²，適用于不同種類(lèi)材料的精密微加工。

VarioLas SWEEP具有均勻的50mm×0.6mm的線性光束輸出，可以用于晶圓摻雜物激活或者表面退火等大面積加工過(guò)程。

VarioLas系列中的每款產(chǎn)品都可用于滿足特定的需求。一系列安全裝置如自動(dòng)光束快門(mén)、互鎖回路或1類(lèi)安全光束封裝以及便捷的控制模塊（如樣品表面能量密度控制、電動(dòng)基底架和可以即時(shí)監(jiān)視燒蝕和退火結(jié)果的共線相機(jī)觀測(cè)單元），都可以根據(jù)應(yīng)用需求集成到產(chǎn)品的基本設(shè)計(jì)中。

因此，VarioLas系列可提供不同的集成度選擇，從滿足最大程度客戶定制需求的純粹的準(zhǔn)分子激光束投影系統(tǒng)，到可控、互鎖的光學(xué)全自動(dòng)加工系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1：先進(jìn)、靈活的VarioLas紫外加工系統(tǒng)的模塊化產(chǎn)品概念。

VarioLas紫外加工解決方案旨在推動(dòng)低溫、薄膜加工中各個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步，下面將主要介紹其在三個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。需要說(shuō)明的是，這些應(yīng)用實(shí)例或者是利用線性光束掃描實(shí)現(xiàn)的，或者是利用分布重復(fù)掩模成像完成的。

柔性顯示器制造

柔性顯示器具有巨大的市場(chǎng)前景，但是它們的問(wèn)世不但遭遇到許多關(guān)鍵性技術(shù)挑戰(zhàn)的拖累，而且其生產(chǎn)工藝也亟待改進(jìn)。特別是用于生產(chǎn)柔性顯示器的薄塑料襯底過(guò)于脆弱，以至于無(wú)法使用傳統(tǒng)的加工工具，而且一些加工步驟所經(jīng)歷的高溫也會(huì)使其失去有限的硬度。

紫外激光加工技術(shù)，如激光退火表面自由技術(shù)（SUFTLA）可以使用傳統(tǒng)方法在堅(jiān)硬的襯底材料上制造顯示電路，然后利用紫外光子在交界處釋放較高的局部能量，使有效電路器件從堅(jiān)硬的載體材料上剝離。^[1]

在SUFTLA工藝中，在標(biāo)準(zhǔn)的襯底材料上沉積一層硅作為犧牲層，然后完全使用傳統(tǒng)方法在這層硅表面上制備顯示電路。隨后，用一系列加工步驟將電路固定在臨時(shí)襯底上，使電路離開(kāi)原來(lái)的玻璃襯底，最后再將其固定在永久的、柔性塑料襯底上。

高亮度LED制造

同樣，使用紫外準(zhǔn)分子激光的激光剝離技術(shù)也是基于GaN（氮化鎵）和AlN（氮化鋁）制備高亮度LED的關(guān)鍵性工藝步驟。^[2]例如，GaN-LED通常是在藍(lán)寶石襯底上制備，因?yàn)樗{(lán)寶石為GaN晶體的生長(zhǎng)提供了很好的晶格匹配條件。但是，使用藍(lán)寶石作襯底限制了LED的輸出功率，因?yàn)樗{(lán)寶石較差的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性限制了有效散熱。

利用基于準(zhǔn)分子激光器的激光剝離技術(shù)，藍(lán)寶石襯底上可以外延生長(zhǎng)GaN。隨后，使用193nm (用于AlN)或248nm (用于GaN)的準(zhǔn)分子激光直接穿過(guò)藍(lán)寶石襯底，藍(lán)寶石對(duì)于紫外波長(zhǎng)是透明的。在AlN層（或GaN層）與藍(lán)寶石襯底層的交界面上，發(fā)生紫外準(zhǔn)分子激光的光子吸收，實(shí)現(xiàn)AlN層（或GaN層）與藍(lán)寶石襯底層的均勻剝離，從而保證了LED的高質(zhì)量。

利用VarioLas掩模投影系統(tǒng)，一個(gè)大面積（2mm×2mm）高度均勻的正方形光場(chǎng)可以被投射到藍(lán)寶石襯底上，如圖2所示，這樣一束準(zhǔn)分子激光就可以覆蓋多個(gè)LED芯片。

圖2：用VarioLas系統(tǒng)提供的正方形光場(chǎng)掩模成像，實(shí)現(xiàn)LED芯片的激光剝離。

另外，使用大面積、高度均勻的光束，可以避免芯片之間產(chǎn)生熱梯度，而這種熱梯度可能會(huì)引起芯片的非均勻性剝離。將激光照射區(qū)域的光束邊緣和重疊部分放置在芯片之間的槽位區(qū)域，可以抑制擴(kuò)散或非均勻性剝離。

高性能微電子器件制造

最近幾年，利用準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行基于低熱預(yù)算退火的摻雜離子激活的研究，已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)高性能小型化電子轉(zhuǎn)換器件的關(guān)鍵技術(shù)。隨著CMOS結(jié)構(gòu)接近于60 nm結(jié)點(diǎn)，短波長(zhǎng)的準(zhǔn)分子激光器對(duì)于推動(dòng)CMOS、PMOS和其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展變得至關(guān)重要。^[3]

在硅（100）晶圓中以1.6×10¹⁴cm^-2的摻雜濃度植入硼離子，能量為15keV的全部表面上的激活會(huì)產(chǎn)生大約111mV/mA的表面阻抗。退火效應(yīng)在單個(gè)區(qū)域單脈沖強(qiáng)度達(dá)到3J/cm²時(shí)完成，使用的掩模場(chǎng)均勻度優(yōu)于±3%（在2σ之內(nèi)）。

圖3是5英寸摻雜硅（100）晶圓經(jīng)過(guò)準(zhǔn)分子激光退火激活后的表面分布圖。從圖中可以看出：由紫外準(zhǔn)分子激光退火產(chǎn)生的表面阻抗具有高度均勻性。

圖3：摻雜晶圓在經(jīng)過(guò)308nm準(zhǔn)分子激光退火后的表面阻抗分布圖。

另一個(gè)具體例子是將面積為2.7mm×2.7mm的光場(chǎng)照射到晶圓上。圖4給出了掃描電子顯微鏡成像，顯示了激光束之間的重疊類(lèi)型。通過(guò)控制激光表面融化和再結(jié)晶過(guò)程，可以獲得完美的結(jié)晶度，并且表面阻抗具有極好的批次工藝穩(wěn)定性。

圖4：?jiǎn)问鴾?zhǔn)分子激光退火的晶圓芯片的掃描電子顯微鏡成像。

總結(jié)

總結(jié)來(lái)說(shuō)，基于準(zhǔn)分子激光器的Variolas紫外光學(xué)系統(tǒng)所提供的樣品檢測(cè)能力和高度靈活的加工能力，幫助科研領(lǐng)域和商業(yè)領(lǐng)域的研究人員獲得了具有重要意義的薄膜加工結(jié)果。更為重要的是，研究人員所取得的結(jié)果，大部分可用來(lái)設(shè)計(jì)大規(guī)模生產(chǎn)的準(zhǔn)分子激光裝置，以及進(jìn)行量產(chǎn)升級(jí)。

這些加工結(jié)果之所以可以轉(zhuǎn)換成可行的生產(chǎn)方案，是因?yàn)?/span>VarioLas紫外激光系統(tǒng)所使用的波長(zhǎng)、紫外光束整形及均勻化的概念，與大規(guī)模加工系統(tǒng)中使用的一致，這樣就消除了產(chǎn)品轉(zhuǎn)移和升級(jí)過(guò)程中改變主要工藝的繁瑣過(guò)程。

參考文獻(xiàn)

1. S. Inoue, S. Utsunomiya, T. Saeki and T. Shimoda, IEEE Trans. Electron Devices, 49[8], p.1353 (2002).

2. J. Arokiaraj, C. Soh, X. C. Wang, S. Tripathy and S. J. Chua, Superlattices and Microstruct., 40[4], p.219 (2006).

3. B. Rajendran, R. S. Shenoy, D. J. Witte, N. S. Chokshi, R. L. DeLeon, G. S. Tompa, and R. F. W. Pease, IEEE Trans. Electron Devices, 54[4], p.707 (2007).