Ralph Delmdahl，相干德國產品市場經理

Burkhard Fechner，相干德國亞洲銷售經理

紫外準分子激光器的問世，為改善顯示性能和推進產品創(chuàng)新提供了可行性手段，例如其能加快像素轉換率，降低產品的能耗、重量及厚度，或是實現(xiàn)像紙一樣的機械柔韌性，這些都是使產品滿足消費者千變萬化的需求的關鍵因素。為了推動顯示及微電子行業(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)的結構，以及其在推動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。

紫外準分子激光器的優(yōu)勢

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

紫外波段的準分子激光器，能提供高達2000mJ的脈沖能量和高達千瓦級的輸出功率。因此，紫外準分子激光器已經成為了快速、有效的大面積燒蝕和微米量級微結構加工的關鍵手段。

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

作為準分子激光器光束和波長特性的全面拓展，相干公司開發(fā)出了結構緊湊、使用靈活的紫外激光材料加工系統(tǒng)，旨在推動半導體材料表面大范圍加工和退火的進一步發(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分子激光束過程中發(fā)揮作用。VarioLas系統(tǒng)中的每款產品都可工作在193nm、 248nm和308nm波長。

用于燒蝕和退火的紫外系統(tǒng)

VarioLas掩模成像系統(tǒng)（或稱為線性光束系統(tǒng)）基于相干公司的COMPexPro系列準分子激光器，其為高質量大范圍精密機械加工和表面退火提供了經濟實用的工具。卓越的光學設計、光束抗震的機械設計，以及無可比擬的脈沖與脈沖間的穩(wěn)定性，是VarioLas系列的獨特優(yōu)勢。

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的微機械加工分辨率，這樣的分辨率對于聚合物、半導體、陶瓷、玻璃等材料的紫外機械加工、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3.5J/cm²，適用于不同種類材料的精密微加工。

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程。

VarioLas系列中的每款產品都可用于滿足特定的需求。一系列安全裝置如自動光束快門、互鎖回路或1類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、電動基底架和可以即時監(jiān)視燒蝕和退火結果的共線相機觀測單元），都可以根據(jù)應用需求集成到產品的基本設計中。

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分子激光束投影系統(tǒng)，到可控、互鎖的光學全自動加工系統(tǒng)，如圖1所示。

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

VarioLas紫外加工解決方案旨在推動低溫、薄膜加工中各個領域的進步，下面將主要介紹其在三個領域的應用。需要說明的是，這些應用實例或者是利用線性光束掃描實現(xiàn)的，或者是利用分布重復掩模成像完成的。

柔性顯示器制造

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

紫外激光加工技術，如激光退火表面自由技術（SUFTLA）可以使用傳統(tǒng)方法在堅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硬的載體材料上剝離。^[1]

在SUFTLA工藝中，在標準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襯底上，使電路離開原來的玻璃襯底，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，使用紫外準分子激光的激光剝離技術也是基于GaN（氮化鎵）和AlN（氮化鋁）制備高亮度LED的關鍵性工藝步驟。^[2]例如，GaN-LED通常是在藍寶石襯底上制備，因為藍寶石為GaN晶體的生長提供了很好的晶格匹配條件。但是，使用藍寶石作襯底限制了LED的輸出功率，因為藍寶石較差的導電性和導熱性限制了有效散熱。

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

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

圖2：用VarioLas系統(tǒng)提供的正方形光場掩模成像，實現(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生熱梯度，而這種熱梯度可能會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，利用準分子激光器進行基于低熱預算退火的摻雜離子激活的研究，已經成為開發(fā)高性能小型化電子轉換器件的關鍵技術。隨著CMOS結構接近于60 nm結點，短波長的準分子激光器對于推動CMOS、PMOS和其他相關技術的發(fā)展變得至關重要。^[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產生大約111mV/mA的表面阻抗。退火效應在單個區(qū)域單脈沖強度達到3J/cm²時完成，使用的掩模場均勻度優(yōu)于±3%（在2σ之內）。

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

圖3：摻雜晶圓在經過308nm準分子激光退火后的表面阻抗分布圖。

另一個具體例子是將面積為2.7mm×2.7mm的光場照射到晶圓上。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型。通過控制激光表面融化和再結晶過程，可以獲得完美的結晶度，并且表面阻抗具有極好的批次工藝穩(wěn)定性。

圖4：單束準分子激光退火的晶圓芯片的掃描電子顯微鏡成像。

總結

總結來說，基于準分子激光器的Variolas紫外光學系統(tǒng)所提供的樣品檢測能力和高度靈活的加工能力，幫助科研領域和商業(yè)領域的研究人員獲得了具有重要意義的薄膜加工結果。更為重要的是，研究人員所取得的結果，大部分可用來設計大規(guī)模生產的準分子激光裝置，以及進行量產升級。

這些加工結果之所以可以轉換成可行的生產方案，是因為VarioLas紫外激光系統(tǒng)所使用的波長、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，這樣就消除了產品轉移和升級過程中改變主要工藝的繁瑣過程。

參考文獻

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).