CN101882578A - 固体激光剥离和切割一体化设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种兼具固体激光剥离功能和激光切割功能的一体化新型设备，其中包括固体激光器，光束整形镜，扩束镜，振镜电机，振镜镜片、场镜和机器视觉***，还包括移动平台和工控电脑及控制软件。本发明以固体激光器为激光光源，激光器下方是光束整形镜，扩束镜，振镜镜片，振镜电机和场镜，光束整形镜位于激光器之后，将激光器发出的激光束整形为本发明所需的光束形状。振镜电机位于场镜之前，依控制软件发出的指令控制振镜镜片的动作，从而实现光束的运动控制，完成多种不同的扫描路径。本发明具有GaN和蓝宝石衬底的无损剥离和对剥离后的芯片的切割双重功能。

Description

固体激光剥离和切割一体化设备

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***，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***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***。

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***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。

2.由于要随元器件规格的变动调节光斑大小，从而导致激光剥离参数的调校困难，从而无法保证剥离效果的一致性。

3.因为光斑较大，近年在使用中产业界一直在质疑这种大面积的剥离方法，由于照射区内GaN同时分解，造成分解区内很大的应力及变形，从而给芯片的质量和寿命造成隐患。虽然可以通过人工调校使GaN分解尽可能精确，但这种宏观上的调校很难适应微观的要求。同时由于KrF准分子激光器脉冲能量的离散性，使这种激光的调校更加困难。

4.剥离后的划片切割处理上，对用户来说，要再买一台划片机。对于经减薄后的衬底材料(大约为80um以下)，使用金刚石刀片的切割的方式技术难度很大。而使用激光划片的方式，要额外投入一台昂贵激光划片机(价格接近激光剥离机)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种更加可靠、简便的低成本的激光剥离和激光切割的一体化设备。本发明采用了发明人提出的微区剥离(MicroAreaLLO)技术，无需精确定位的高速盲扫激光剥离方法，实现了GaN和蓝宝石衬底的无损剥离。同时采用同一光源，经不同的光路产生切割所需的光束，经场镜聚焦到材料表面从而使材料分解切割。

本发明提供了一种固体激光剥离和切割一体化设备，其特征在于包括固体激光器，光束整形镜，扩束镜，振镜电机，振镜镜片，场镜和机器视觉***，还包括移动平台和工控电脑及控制软件，所述光束整形镜位于所述固体激光器下方，所述扩束镜，振镜镜片、振镜电机和场镜、光束整形镜位于所述固体激光器之后，将所述固体激光器发出的激光束整形，所述振镜电机位于场镜之前，依控制软件发出的指令控制所述振镜镜片的动作，从而实现不同的扫描路径和切割路径，所述移动平台位于所述固体激光器下方，所述控制软件运行于所述工控电脑之上。

在本发明的固体激光剥离和切割一体化设备中，所述光束整形镜把激光光斑整形为不同几何形状的小光斑。

在本发明的固体激光剥离和切割一体化设备中，所述几何形状包括正方形、长方形、圆形、椭圆形、五边形和六边形。

在本发明的固体激光剥离和切割一体化设备中，小光斑周长为3-1000微米的正方形光斑。

在本发明的固体激光剥离和切割一体化设备中，小光斑为直径3-300微米的圆形光斑。

在本发明的固体激光剥离和切割一体化设备中，小光斑中心能量最强，向四周能量逐渐变弱。

在本发明的固体激光剥离和切割一体化设备中，所述机器视觉***包括成像镜头，CCD，视频采集卡，移动工作台。

在本发明的固体激光剥离和切割一体化设备中，同时具有剥离和切割的功能。

在本发明的固体激光剥离和切割一体化设备中，所述光束扩束镜与所述光束整形镜同时工作。

在本发明的固体激光剥离和切割一体化设备中，所述光束扩束镜与所述光束整形镜分时工作。

在本发明的固体激光剥离和切割一体化设备中，所述的激光器同时用于剥离和切割。

在本发明的固体激光剥离和切割一体化设备中，所使用的激光器为波长小于400nm的DPSS固体激光器。

附图说明

本发明将结合附图予以描述。附图中：

图1是本发明的固体激光剥离和切割设备的示意图；

图2是本发明的光束整形示意图；

图3a是现有技术的脉冲光斑能量分布图，图3b是本发明的脉冲光斑能量分布图；

图4-图8是扫描路径示意图；

图9是本发明的小光斑无损激光剥离后的显微图。

具体实施方式

图1是本发明的固体激光剥离和切割设备的示意图，其中包括固体激光器，光束整形镜，扩束镜，振镜电机，振镜镜片，机器视觉***和场镜，还包括移动平台和工控电脑及控制软件(图中未示出)。本发明以固体激光器为激光光源，激光器下方是光束整形镜，扩束镜，振镜镜片，振镜电机和场镜，光束整形镜位于激光器之后，将激光器发出的激光束整形为本发明所需的光束形状。振镜电机位于场镜之前，依控制软件发出的指令控制振镜镜片的动作，从而实现光束的随机运动，不同的扫描路径。

根据本发明的一种激光剥离GaN和蓝宝石衬底剥离设备和剥离方法，是以固体激光器为激光光源，使用周长为3～1000微米，且两个最远角距离或最长直径不超过400微米的小光斑进行逐点逐行激光扫描，其中小光斑内部的能量分布情况是：光斑中心能量最强，向四周能量逐渐变弱。

本发明对原有激光剥离中的大光斑剥离技术做了改变，使用小光斑实现无需精确定位的盲扫剥离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点原因：(1)普遍认为小光斑剥离将把光斑边缘问题引入GaN基器件单元内部，从而更加降低激光剥离的质量；(2)普遍认为固体激光器的单脉冲能量可能无法达到激光剥离的阀值；(3)尚未有报道能实现小光斑的无损激光剥离。在本发明中，改变了光斑内部的能量分布状况，考虑了光斑边缘能量的渐变，能量分布如图3b所示。改善了GaN基材料在光斑边缘的受力状况，从而实现了小光斑的无损激光剥离。

本发明所使用的固体激光器可以是改进的固体倍频激光光源，其改进在于改善了光斑内部的激光能量空间公布，以光斑中心为能量最高点，向四周能量逐渐变弱，整个光斑内部能量呈高斯分布或近似高斯分布。如图3b所示。

本发明实现了小光斑无损激光剥离(剥离表面如图9所示，没有明显损伤)，从而实现了无需精确匹配光斑和芯片位置的盲扫剥离方法。本发明改进了激光剥离扫描方式，在传统工艺实现电镀或键合的步骤后，无需再根据GaN器件单元尺寸调整光斑面积，无需在开始时进行光斑精确定位工作，可直接进行激光扫描，中间无需停顿，无需实时检测。

本发明设计了一种光束整形***，改变了光束的空间分布，使之更有利于光斑内的能量分布，改变了以前原有光路中要求能量分布完全呈平顶状分布的要求，改成类高斯分布，光腰小于底边宽度，这样有利于光斑之间的衔接不致破坏衬底材料，光路原理如图2所示。

光束扫描***采用激光打标类似的扫描***，这个***在目前所用的剥离***中还没有使用过，原因可能是这种方式在定位精度校正时存在问题所以没有形成产品，但是由于我们的微区剥离(MALLO)技术，使得这一问题得到解决。光路原理如图1所示。

由于盲扫方案的成功解决，本发明人又依现有剥离存在的问题，提出了一些特有的扫描剥离方案，以分散由于激光脉冲造成的剥离区持续升温的问题。由于在剥离中膜层与衬底之间形成镓滴及氮气泡，所以，不同的扫描路径，也会有不同的应力分布，因此，本发明人提出的多种多样的扫描路径，解决了不同结构的材料在剥离中的应力问题。同时提高了良品率。

图4-图8示出了本发明的几个典型的扫描路径。

本发明采用独特的扫描路经，例如从内向外的螺旋线扫描，从外向内的螺旋线扫描，从内向外的内心圆扫描路径，从外向内的同心圆扫描路径，上下交替的扫描路径，其优点是可依元器件特性及GaN薄膜特性采取不同的扫描策略。

剥离后的芯片切割，本发明采用了另一套光束扩束***(与剥离的整形***并行)，使用了振镜扫描与精密工作台相结合的运动方式。同时辅以机器视觉***，经过专用软件的控制，实现芯片切割的功能。这部分的所有技术都有很成熟的应用***。本发明的特点，利用发明人解决了MALLO的技术，同时使用DPSS激光器的特点，独创性的将剥离和切割功能合二为了，为用户提供了一个高性价比的实用***。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：第一，极大地简化了激光剥离工艺过程；第二，极大地提高了激光剥离的工作效率；第三，降低了废品率；第四，剥离切割一体概念及设计，充分使用了DPSS激光器的性能，一台设备可以分时使用成为两台设备，有较高的性价比。

Claims (12)

1.一种固体激光剥离和切割一体化设备，其特征在于包括固体激光器，光束整形镜，扩束镜，振镜电机，振镜镜片，场镜和机器视觉***，还包括移动平台和工控电脑及控制软件，所述光束整形镜位于所述固体激光器下方，所述扩束镜，振镜镜片、振镜电机和场镜、光束整形镜位于所述固体激光器之后，将所述固体激光器发出的激光束整形，所述振镜电机位于场镜之前，依控制软件发出的指令控制所述振镜镜片的动作，从而实现不同的扫描路径和切割路径，所述移动平台位于所述固体激光器下方，所述控制软件运行于所述工控电脑之上。

2.如权利要求1所述的固体激光剥离和切割一体化设备，其特征在于所述光束整形镜把激光光斑整形为不同几何形状的小光斑。

3.如权利要求2所述的固体激光剥离和切割一体化设备，其特征在于所述几何形状包括正方形、长方形、圆形、椭圆形、五边形和六边形。

4.如权利要求2所述的固体激光剥离和切割一体化设备，其特征在于小光斑周长为3-1000微米的正方形光斑。

5.如权利要求2所述的固体激光剥离和切割一体化设备，其特征在于小光斑为直径3-300微米的圆形光斑。

6.如权利要求2所述的固体激光剥离和切割一体化设备，其特征在于小光斑中心能量最强，向四周能量逐渐变弱。

7.如权利要求1所述的固体激光剥离和切割一体化设备，其特征在于所述机器视觉***包括成像镜头，CCD，视频采集卡，移动工作台。

8.如权利要求1所述的固体激光剥离和切割一体化设备，其特征在于同时具有剥离和切割的功能。

9.如权利要求1所述的固体激光剥离和切割一体化设备，其特征在于所述光束扩束镜与所述光束整形镜同时工作。

10.如权利要求1所述的固体激光剥离和切割一体化设备，其特征在于所述光束扩束镜与所述光束整形镜分时工作。

11.如权利要求1所述的固体激光剥离和切割一体化设备，其特征在于所述的激光器同时用于剥离和切割。

12.如权利要求1所述的固体激光剥离和切割一体化设备，其特征在于所使用的激光器为波长小于400nm的DPSS固体激光器。

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