用紫外激光進(jìn)行薄膜加工和退火研究

紫外準(zhǔn)分子激光器的問世，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

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。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(shí)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(yīng)手段，從而能使加工過程引入的熱影響區(qū)域Zui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程，正在越來越多地采用準(zhǔn)分子激光器。 

　　作為準(zhǔn)分子激光器光束和波長特性的全面拓展，相干公司開發(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。 

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(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。 

　　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，適用于不同種類材料的精密微加工。 

　　 variolassweep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(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、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(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Zui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前景，但是它們的問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(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，使電路離開原來的玻璃襯底，Zui后再將其固定在的、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)分子激光直接穿過藍(lán)寶石襯底，藍(lán)寶石對(duì)于紫外波長是透明的。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Zui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60nm結(jié)點(diǎn)，短波長的準(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(jié)晶過程，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。