專利名稱：固體激光剝離和切割一體化設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體加工領域，更具體地說涉及采用固體激光對半導體薄膜材料的 剝離和切割的一體化設備。本發(fā)明的設備同時具有激光剝離半導體材料和劃片(切割)功 能。激光通過專用的光路整型成特定的形狀及特定的光場分布，通過聚焦照射到多層材料 之間的界面上，分解界面材料以達到剝離膜層與襯底的功能。同時，由于使用的是大功率固 體激光器，所以，可能同時使用另一個光束整型系統(tǒng)，產生一束能用于劃片(切割)的激光， 這樣在移動平臺與機器視覺系統(tǒng)的配合下，同時能具有半導體材料的劃片(切割)功能，提 供一個多功能的激光微加工系統(tǒng)。
背景技術：
以GaN以及InGaN，AlGaN為主的III/V氮化物是近年來備受關注的半導體材料， 其1. 9eV-6. 2eV連續(xù)可變的直接帶隙，優(yōu)異的物理、化學穩(wěn)定性，高飽和電子遷移率等等特 性，使其成為激光器、發(fā)光二極管等等光電子器件和微電子器件的優(yōu)選材料。然而，由于GaN本身生長技術的限制，現(xiàn)今的大面積GaN材料大多生長在藍寶石襯 底上。雖然藍寶石襯底上生長的GaN質量很高，應用也最廣，可是由于藍寶石的不導電及較 差的導熱特性，極大地限制了 GaN基半導體器件的發(fā)展。為了回避這一不足，GaN薄膜在藍 寶石上生長成功后，將藍寶石去除的方法發(fā)明了，去除襯底后的GaN薄膜依需要可以鍵合 在更好的熱沉或作為同質外延的襯底材料。在藍寶石去除的過程中，主要應用的方法就是 激光剝離技術。襯底剝離技術(Lift-off)首先由美國惠普公司在AlGalnP/GaAs LED上實現(xiàn)，因 為GaAs襯底使得LED內部光吸收損失非常大。通過剝離GaAs襯底，然后粘接在透明的GaP 襯底上，可以提高近2倍的發(fā)光效率。GaN基材料的激光剝離(LLO)技術是基于GaN的異 質外延發(fā)展的一項技術，是美國M. K. Kelly等人于1996年提出的，利用YAG的3倍頻激光 剝離在藍寶石襯底上氫化物氣相外延(HVPE)生長的厚膜GaN。1998年W. S. Wong等人利用 LLO技術制備GaN基的LED和激光二極管，激光剝離工藝受到了人們的廣泛重視。激光剝離技術解決了藍寶石襯底上GaN基LED存在的諸如散熱、電流聚集以及出 光效率低等一系列問題，是解決上述照明應用障礙的最有潛力的技術。首先，外延片轉移到 高熱導率的熱沉上，極大地改進了 LED芯片的散熱效率，降低LED的結溫，結溫的降低將大 大提高LED的發(fā)光效率和可靠性，增加LED的壽命。激光剝離技術由于減少刻蝕、磨片、劃 片等工藝，而且剝離出來的藍寶石襯底可以重復運用，有效地節(jié)約工藝成本。目前商業(yè)化的激光剝離設備主要有美國JPSA公司IX-1000型激光剝離機，采用的 是大功率KrF準分子激光器，波長為248nm，脈沖寬度在25-38ns不等，通過對能量的精確 控制及光束能量分布的勻化后，照射到GaN緩沖層上，使之分解為金屬鎵和氮氣，從而實現(xiàn) GaN膜層與襯底的剝離。除了 KrF準分子激光器外，Q開關的YAG三倍頻固體激光器也被應 用，主要有美國M. K. Kelly小組和臺灣R. H. Horng小組。固體激光器通過Q開關技術可以 達到較高的脈沖能量，而且維護比較方便，但由于技術限制，這種方案一直沒有成熟的商品設備。目前商業(yè)化的芯片的激光切割設備，都比較成熟了。國際主流的供應商有日本的 DISCO,東京精密等。這些廠家都推出了成功的DPSS激光切割設備。上述的剝離和切割方法有如下的特點1.使用逐片剝離工藝(chip by chip)，通過大光斑(光斑大于或等于一個元件 (chip))進行剝離。2.光斑大小要依據(jù)器件單元的尺寸改變。3.光斑的能量分布均勻，呈平頂狀。4.光斑能量大，一般能量密度大于0.6J/cm2。5.使用移動工作臺加視覺識別系統(tǒng)完成各個器件單元的和激光光斑的對準。6.使用DPSS激光器做為激光切割機的光源。現(xiàn)在剝離技術中，采用激光器采用KrF準分子激光器，這種激光器由于脈沖頻率 較低，所以，對于剝離后的芯片切割，沒有采用激光切割的方式，而是依熱沉的不同，采用金 剛石刀片切割，有的使用DPSS激光劃片然后使用機械裂片的方式，這兩種方式都可以解決 芯片分離的問題。經過產業(yè)界最近幾年的應用，上述解決方案雖然解決了剝離的問題，也解決了激 光切割芯下的問題，但同時也出現(xiàn)了一些問題，主要有以下幾點l.KrF激光器的特點，無法保證每個激光脈沖的能量穩(wěn)定性，容易出現(xiàn)能量波動， 從而破壞元器件結構，降低良品率。2.由于要隨元器件規(guī)格的變動調節(jié)光斑大小，從而導致激光剝離參數(shù)的調校困 難，從而無法保證剝離效果的一致性。3.因為光斑較大，近年在使用中產業(yè)界一直在質疑這種大面積的剝離方法，由于 照射區(qū)內GaN同時分解，造成分解區(qū)內很大的應力及變形，從而給芯片的質量和壽命造成 隱患。雖然可以通過人工調校使GaN分解盡可能精確，但這種宏觀上的調校很難適應微觀 的要求。同時由于KrF準分子激光器脈沖能量的離散性，使這種激光的調校更加困難。4.剝離后的劃片切割處理上，對用戶來說，要再買一臺劃片機。對于經減薄后的襯 底材料(大約為80um以下)，使用金剛石刀片的切割的方式技術難度很大。而使用激光劃 片的方式，要額外投入一臺昂貴激光劃片機(價格接近激光剝離機)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種更加可靠、簡便的低成本的激光剝離和激光切割的一 體化設備。本發(fā)明采用了發(fā)明人提出的微區(qū)剝離(MicroAreaLLO)技術，無需精確定位的高 速盲掃激光剝離方法，實現(xiàn)了 GaN和藍寶石襯底的無損剝離。同時采用同一光源，經不同的 光路產生切割所需的光束，經場鏡聚焦到材料表面從而使材料分解切割。本發(fā)明提供了一種固體激光剝離和切割一體化設備，其特征在于包括固體激光 器，光束整形鏡，擴束鏡，振鏡電機，振鏡鏡片，場鏡和機器視覺系統(tǒng)，還包括移動平臺和工 控電腦及控制軟件，所述光束整形鏡位于所述固體激光器下方，所述擴束鏡，振鏡鏡片、振 鏡電機和場鏡、光束整形鏡位于所述固體激光器之后，將所述固體激光器發(fā)出的激光束整 形，所述振鏡電機位于場鏡之前，依控制軟件發(fā)出的指令控制所述振鏡鏡片的動作，從而實現(xiàn)不同的掃描路徑和切割路徑，所述移動平臺位于所述固體激光器下方，所述控制軟件運 行于所述工控電腦之上。在本發(fā)明的固體激光剝離和切割一體化設備中，所述光束整形鏡把激光光斑整形 為不同幾何形狀的小光斑。在本發(fā)明的固體激光剝離和切割一體化設備中，所述幾何形狀包括正方形、長方 形、圓形、橢圓形、五邊形和六邊形。在本發(fā)明的固體激光剝離和切割一體化設備中，小光斑周長為3-1000微米的正
方形光斑。在本發(fā)明的固體激光剝離和切割一體化設備中，小光斑為直徑3-300微米的圓形光斑。在本發(fā)明的固體激光剝離和切割一體化設備中，小光斑中心能量最強，向四周能 量逐漸變弱。在本發(fā)明的固體激光剝離和切割一體化設備中，所述機器視覺系統(tǒng)包括成像鏡 頭，CCD，視頻采集卡，移動工作臺。在本發(fā)明的固體激光剝離和切割一體化設備中，同時具有剝離和切割的功能。在本發(fā)明的固體激光剝離和切割一體化設備中，所述光束擴束鏡與所述光束整形 鏡同時工作。在本發(fā)明的固體激光剝離和切割一體化設備中，所述光束擴束鏡與所述光束整形 鏡分時工作。在本發(fā)明的固體激光剝離和切割一體化設備中，所述的激光器同時用于剝離和切割。在本發(fā)明的固體激光剝離和切割一體化設備中，所使用的激光器為波長小于 400nm的DPSS固體激光器。


本發(fā)明將結合附圖予以描述。附圖中圖1是本發(fā)明的固體激光剝離和切割設備的示意圖；圖2是本發(fā)明的光束整形示意圖；圖3a是現(xiàn)有技術的脈沖光斑能量分布圖，圖3b是本發(fā)明的脈沖光斑能量分布 圖；圖4-圖8是掃描路徑示意圖；圖9是本發(fā)明的小光斑無損激光剝離后的顯微圖。
具體實施例方式圖1是本發(fā)明的固體激光剝離和切割設備的示意圖，其中包括固體激光器，光束 整形鏡，擴束鏡，振鏡電機，振鏡鏡片，機器視覺系統(tǒng)和場鏡，還包括移動平臺和工控電腦及 控制軟件(圖中未示出)。本發(fā)明以固體激光器為激光光源，激光器下方是光束整形鏡，擴 束鏡，振鏡鏡片，振鏡電機和場鏡，光束整形鏡位于激光器之后，將激光器發(fā)出的激光束整 形為本發(fā)明所需的光束形狀。振鏡電機位于場鏡之前，依控制軟件發(fā)出的指令控制振鏡鏡片的動作，從而實現(xiàn)光束的隨機運動，不同的掃描路徑。根據(jù)本發(fā)明的一種激光剝離GaN和藍寶石襯底剝離設備和剝離方法，是以固體激 光器為激光光源，使用周長為3 1000微米，且兩個最遠角距離或最長直徑不超過400微 米的小光斑進行逐點逐行激光掃描，其中小光斑內部的能量分布情況是光斑中心能量最 強，向四周能量逐漸變弱。本發(fā)明對原有激光剝離中的大光斑剝離技術做了改變，使用小光斑實現(xiàn)無需精確 定位的盲掃剝離GaN薄膜或GaN基器件。小光斑方法一直未被提出有很重要的三點原因 (1)普遍認為小光斑剝離將把光斑邊緣問題引入GaN基器件單元內部，從而更加降低激光 剝離的質量；(2)普遍認為固體激光器的單脈沖能量可能無法達到激光剝離的閥值；(3)尚 未有報道能實現(xiàn)小光斑的無損激光剝離。在本發(fā)明中，改變了光斑內部的能量分布狀況，考 慮了光斑邊緣能量的漸變，能量分布如圖3b所示。改善了 GaN基材料在光斑邊緣的受力狀 況，從而實現(xiàn)了小光斑的無損激光剝離。本發(fā)明所使用的固體激光器可以是改進的固體倍頻激光光源，其改進在于改善了 光斑內部的激光能量空間公布，以光斑中心為能量最高點，向四周能量逐漸變弱，整個光斑 內部能量呈高斯分布或近似高斯分布。如圖3b所示。本發(fā)明實現(xiàn)了小光斑無損激光剝離(剝離表面如圖9所示，沒有明顯損傷)，從而 實現(xiàn)了無需精確匹配光斑和芯片位置的盲掃剝離方法。本發(fā)明改進了激光剝離掃描方式， 在傳統(tǒng)工藝實現(xiàn)電鍍或鍵合的步驟后，無需再根據(jù)GaN器件單元尺寸調整光斑面積，無需 在開始時進行光斑精確定位工作，可直接進行激光掃描，中間無需停頓，無需實時檢測。本發(fā)明設計了一種光束整形系統(tǒng)，改變了光束的空間分布，使之更有利于光斑內 的能量分布，改變了以前原有光路中要求能量分布完全呈平頂狀分布的要求，改成類高斯 分布，光腰小于底邊寬度，這樣有利于光斑之間的銜接不致破壞襯底材料，光路原理如圖2 所示。光束掃描系統(tǒng)采用激光打標類似的掃描系統(tǒng)，這個系統(tǒng)在目前所用的剝離系統(tǒng)中 還沒有使用過，原因可能是這種方式在定位精度校正時存在問題所以沒有形成產品，但是 由于我們的微區(qū)剝離(MALLO)技術，使得這一問題得到解決。光路原理如圖1所示。由于盲掃方案的成功解決，本發(fā)明人又依現(xiàn)有剝離存在的問題，提出了一些特有 的掃描剝離方案，以分散由于激光脈沖造成的剝離區(qū)持續(xù)升溫的問題。由于在剝離中膜層 與襯底之間形成鎵滴及氮氣泡，所以，不同的掃描路徑，也會有不同的應力分布，因此，本發(fā) 明人提出的多種多樣的掃描路徑，解決了不同結構的材料在剝離中的應力問題。同時提高 了良品率。圖4-圖8示出了本發(fā)明的幾個典型的掃描路徑。本發(fā)明采用獨特的掃描路經，例如從內向外的螺旋線掃描，從外向內的螺旋線掃 描，從內向外的內心圓掃描路徑，從外向內的同心圓掃描路徑，上下交替的掃描路徑，其優(yōu) 點是可依元器件特性及GaN薄膜特性采取不同的掃描策略。剝離后的芯片切割，本發(fā)明采用了另一套光束擴束系統(tǒng)(與剝離的整形系統(tǒng)并 行)，使用了振鏡掃描與精密工作臺相結合的運動方式。同時輔以機器視覺系統(tǒng)，經過專用 軟件的控制，實現(xiàn)芯片切割的功能。這部分的所有技術都有很成熟的應用系統(tǒng)。本發(fā)明的 特點，利用發(fā)明人解決了 MALLO的技術，同時使用DPSS激光器的特點，獨創(chuàng)性的將剝離和切
6割功能合二為了，為用戶提供了一個高性價比的實用系統(tǒng)。 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是第一，極大地簡化了激光剝離工藝過程； 第二，極大地提高了激光剝離的工作效率；第三，降低了廢品率；第四，剝離切割一體概念 及設計，充分使用了 DPSS激光器的性能，一臺設備可以分時使用成為兩臺設備，有較高的 性價比。
權利要求
一種固體激光剝離和切割一體化設備，其特征在于包括固體激光器，光束整形鏡，擴束鏡，振鏡電機，振鏡鏡片，場鏡和機器視覺系統(tǒng)，還包括移動平臺和工控電腦及控制軟件，所述光束整形鏡位于所述固體激光器下方，所述擴束鏡，振鏡鏡片、振鏡電機和場鏡、光束整形鏡位于所述固體激光器之后，將所述固體激光器發(fā)出的激光束整形，所述振鏡電機位于場鏡之前，依控制軟件發(fā)出的指令控制所述振鏡鏡片的動作，從而實現(xiàn)不同的掃描路徑和切割路徑，所述移動平臺位于所述固體激光器下方，所述控制軟件運行于所述工控電腦之上。
2.如權利要求1所述的固體激光剝離和切割一體化設備，其特征在于所述光束整形鏡 把激光光斑整形為不同幾何形狀的小光斑。
3.如權利要求2所述的固體激光剝離和切割一體化設備，其特征在于所述幾何形狀包 括正方形、長方形、圓形、橢圓形、五邊形和六邊形。
4.如權利要求2所述的固體激光剝離和切割一體化設備，其特征在于小光斑周長為 3-1000微米的正方形光斑。
5.如權利要求2所述的固體激光剝離和切割一體化設備，其特征在于小光斑為直徑 3-300微米的圓形光斑。
6.如權利要求2所述的固體激光剝離和切割一體化設備，其特征在于小光斑中心能量 最強，向四周能量逐漸變弱。
7.如權利要求1所述的固體激光剝離和切割一體化設備，其特征在于所述機器視覺系 統(tǒng)包括成像鏡頭，(XD，視頻采集卡，移動工作臺。
8.如權利要求1所述的固體激光剝離和切割一體化設備，其特征在于同時具有剝離和 切割的功能。
9.如權利要求1所述的固體激光剝離和切割一體化設備，其特征在于所述光束擴束鏡 與所述光束整形鏡同時工作。
10.如權利要求1所述的固體激光剝離和切割一體化設備，其特征在于所述光束擴束 鏡與所述光束整形鏡分時工作。
11.如權利要求1所述的固體激光剝離和切割一體化設備，其特征在于所述的激光器 同時用于剝離和切割。
12.如權利要求1所述的固體激光剝離和切割一體化設備，其特征在于所使用的激光 器為波長小于400nm的DPSS固體激光器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種兼具固體激光剝離功能和激光切割功能的一體化新型設備，其中包括固體激光器，光束整形鏡，擴束鏡，振鏡電機，振鏡鏡片、場鏡和機器視覺系統(tǒng)，還包括移動平臺和工控電腦及控制軟件。本發(fā)明以固體激光器為激光光源，激光器下方是光束整形鏡，擴束鏡，振鏡鏡片，振鏡電機和場鏡，光束整形鏡位于激光器之后，將激光器發(fā)出的激光束整形為本發(fā)明所需的光束形狀。振鏡電機位于場鏡之前，依控制軟件發(fā)出的指令控制振鏡鏡片的動作，從而實現(xiàn)光束的運動控制，完成多種不同的掃描路徑。本發(fā)明具有GaN和藍寶石襯底的無損剝離和對剝離后的芯片的切割雙重功能。
文檔編號B23K26/00GK101882578SQ200910136458
公開日2010年11月10日 申請日期2009年5月8日 優(yōu)先權日2009年5月8日
發(fā)明者何明坤, 孫永健, 張國義, 楊欣榮 申請人:東莞市中鎵半導體科技有限公司