固体激光剥离和切割一体化设备制造技术

本发明专利技术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、场镜和机器视觉系统，还包括移动平台和工控电脑及控制软件。本发明专利技术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专利技术所需的光束形状。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。本发明专利技术具有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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。本专利技术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。
技术介绍
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专利技术了，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AlGalnP/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勻化后，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.光斑的能量分布均勻，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l.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)。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术采用了专利技术人提出的微区剥离(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。本专利技术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，场镜和机器视觉系统，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。在本专利技术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。在本专利技术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。在本专利技术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。在本专利技术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。在本专利技术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。在本专利技术的固体激光剥离和切割一体化设备中，所述机器视觉系统包括成像镜 头，CCD，视频采集卡，移动工作台。在本专利技术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。在本专利技术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。在本专利技术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。在本专利技术的固体激光剥离和切割一本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，场镜和机器视觉系统，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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张国义，杨欣荣，何明坤，孙永健，
申请(专利权)人：东莞市中镓半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：44[中国|广东]