用紫外光学的方法进行薄膜加工和退火研究
作者：Ralph Delmdahl，相干德国产品市场经理 Burkhard Fechner，相干德国亚洲销售经理紫外准分子激光器的问世，为改善显示性能和推进产品创新提供了可行性手段，例如其能加快像素转换率，降低产品的能耗、重量及厚度，或是实现像纸一样的机械柔韧性，这些都是使产品满足消费者千变万化的需求的关键因素。为了推动显示及微电子行业中具有成本效益的材料和工艺的发展，相干公司推出了VarioLas系列准分子表面加工系统。下面将主要介绍灵活的VarioLas系列表面加工系统的结构，以及其在推动大面积紫外表面加工和紫外激光退火发展中的巨大潜力。
紫外准分子激光器的优势
紫外激光器在多种材料加工方面具有得天独厚的优势。特别是短波长、高能量的紫外光子发生的衍射，要比长波长的可见光和红外光少，这就保证了材料加工时较高的空间分辨率。此外，紫外激光微加工主要依赖于非热效应手段，从而能使加工过程引入的热影响区域最小化。
紫外波段的准分子激光器，能提供高达2000mJ的脉冲能量和高达千瓦级的输出功率。因此，紫外准分子激光器已经成为了快速、有效的大面积烧蚀和微米量级微结构加工的关键手段。
因此，在要求卓越的质量和重复率的高性能激光微加工应用中，准分子激光器是首选的解决方案。半导体制造、显示器制造、医疗器械制造和科学研究等诸多具有苛刻要求的高精密加工过程，正在越来越多地采用准分子激光器。
作为准分子激光器光束和波长特性的全面拓展，相干公司开发出了结构紧凑、使用灵活的紫外激光材料加工系统，旨在推动半导体材料表面大范围加工和退火的进一步发展。紫外光子可在缩小掩模成像、或者在衬底材料上投射均匀的准分子激光束过程中发挥作用。VarioLas系统中的每款产品都可工作在193nm、 248nm和308nm波长。
用于烧蚀和退火的紫外系统
VarioLas掩模成像系统（或称为线性光束系统）基于相干公司的COMPexPro系列准分子激光器，其为高质量大范围精密机械加工和表面退火提供了经济实用的工具。卓越的光学设计、光束抗震的机械设计，以及无可比拟的脉冲与脉冲间的稳定性，是VarioLas系列的独特优势。
在面积为2mm×2mm的矩形加工区域上，VarioLas掩模成像系统ECO和PRO分别能提供30μm和5μm的微机械加工分辨率，这样的分辨率对于聚合物、半导体、陶瓷、玻璃等材料的紫外机械加工、以及激光剥离和低温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达3.5J/cm2，适用于不同种类材料的精密微加工。
VarioLas SWEEP具有均匀的50mm×0.6mm的线性光束输出，可以用于晶圆掺杂物激活或者表面退火等大面积加工过程。
VarioLas系列中的每款产品都可用于满足特定的需求。一系列安全装置如自动光束快门、互锁回路或1类安全光束封装以及便捷的控制模块（如样品表面能量密度控制、电动基底架和可以即时监视烧蚀和退火结果的共线相机观测单元），都可以根据应用需求集成到产品的基本设计中。
因此，VarioLas系列可提供不同的集成度选择，从满足最大程度客户定制需求的纯粹的准分子激光束投影系统，到可控、互锁的光学全自动加工系统，如图1所示。
图1：先进、灵活的VarioLas紫外加工系统的模块化产品概念。
VarioLas紫外加工解决方案旨在推动低温、薄膜加工中各个领域的进步，下面将主要介绍其在三个领域的应用。需要说明的是，这些应用实例或者是利用线性光束扫描实现的，或者是利用分布重复掩模成像完成的。
柔性显示器制造
柔性显示器具有巨大的市场前景，但是它们的问世不但遭遇到许多关键性技术挑战的拖累，而且其生产工艺也亟待改进。特别是用于生产柔性显示器的薄塑料衬底过于脆弱，以至于无法使用传统的加工工具，而且一些加工步骤所经历的高温也会使其失去有限的硬度。
紫外激光加工技术，如激光退火表面自由技术（SUFTLA）可以使用传统方法在坚硬的衬底材料上制造显示电路，然后利用紫外光子在交界处释放较高的局部能量，使有效电路器件从坚硬的载体材料上剥离。
在SUFTLA工艺中，在标准的衬底材料上沉积一层硅作为牺牲层，然后完全使用传统方法在这层硅表面上制备显示电路。随后，用一系列加工步骤将电路固定在临时衬底上，使电路离开原来的玻璃衬底，最后再将其固定在永久的、柔性塑料衬底上。
高亮度LED制造
同样，使用紫外准分子激光的激光剥离技术也是基于GaN（氮化镓）和AlN（氮化铝）制备高亮度LED的关键性工艺步骤。例如，GaN-LED通常是在蓝宝石衬底上制备，因为蓝宝石为GaN晶体的生长提供了很好的晶格匹配条件。但是，使用蓝宝石作衬底限制了LED的输出功率，因为蓝宝石较差的导电性和导热性限制了有效散热。
利用基于准分子激光器的激光剥离技术，蓝宝石衬底上可以外延生长GaN。随后，使用193nm (用于AlN)或248nm (用于GaN)的准分子激光直接穿过蓝宝石衬底，蓝宝石对于紫外波长是透明的。在AlN层（或GaN层）与蓝宝石衬底层的交界面上，发生紫外准分子激光的光子吸收，实现AlN层（或GaN层）与蓝宝石衬底层的均匀剥离，从而保证了LED的高质量。
利用VarioLas掩模投影系统，一个大面积（2mm×2mm）高度均匀的正方形光场可以被投射到蓝宝石衬底上，如图2所示，这样一束准分子激光就可以覆盖多个LED芯片。
图2：用VarioLas系统提供的正方形光场掩模成像，实现LED芯片的激光剥离。
另外，使用大面积、高度均匀的光束，可以避免芯片之间产生热梯度，而这种热梯度可能会引起芯片的非均匀性剥离。将激光照射区域的光束边缘和重叠部分放置在芯片之间的槽位区域，可以抑制扩散或非均匀性剥离。
高性能微电子器件制造
最近几年，利用准分子激光器进行基于低热预算退火的掺杂离子激活的研究，已经成为开发高性能小型化电子转换器件的关键技术。随着CMOS结构接近于60 nm结点，短波长的准分子激光器对于推动CMOS、PMOS和其他相关技术的发展变得至关重要。
在硅（100）晶圆中以1.6×1014cm-2的掺杂浓度植入硼离子，能量为15keV的全部表面上的激活会产生大约111mV/mA的表面阻抗。退火效应在单个区域单脉冲强度达到3J/cm2时完成，使用的掩模场均匀度优于±3%（在2σ之内）。
图3是5英寸掺杂硅（100）晶圆经过准分子激光退火激活后的表面分布图。从图中可以看出：由紫外准分子激光退火产生的表面阻抗具有高度均匀性。
图3：掺杂晶圆在经过308nm准分子激光退火后的表面阻抗分布图。
另一个具体例子是将面积为2.7mm×2.7mm的光场照射到晶圆上。图4给出了扫描电子显微镜成像，显示了激光束之间的重叠类型。通过控制激光表面融化和再结晶过程，可以获得完美的结晶度，并且表面阻抗具有极好的批次工艺稳定性。
图4：单束准分子激光退火的晶圆芯片的扫描电子显微镜成像。
总结
总结来说，基于准分子激光器的Variolas紫外光学系统所提供的样品检测能力和高度灵活的加工能力，帮助科研领域和商业领域的研究人员获得了具有重要意义的薄膜加工结果。更为重要的是，研究人员所取得的结果，大部分可用来设计大规模生产的准分子激光装置，以及进行量产升级。
这些加工结果之所以可以转换成可行的生产方案，是因为VarioLas紫外激光系统所使用的波长、紫外光束整形及均匀化的概念，与大规模加工系统中使用的一致，这样就消除了产品转移和升级过程中改变主要工艺的繁琐过程。
参考文献
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