紫外準分子激光器的問世，為改善顯示性能和推進產品創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中具有成本效益的材料和工藝的發展，相干公司推出了VarioLas系列準分子表面加工系統。下面將主要介紹靈活的VarioLas系列表面加工系統的結構，以及其在推動大面積紫外表面加工和紫外激光退火發展中的巨大潛力。 紫外準分子激光器的優勢 紫外激光器在多種材料加工方面具有得天獨厚的優勢。特別是短波長、高能量的紫外光子發生的衍射，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，相干公司開發出了結構緊湊、使用靈活的紫外激光材料加工系統，旨在推動半導體材料表面大范圍加工和退火的進一步發展。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揮作用。VarioLas系統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 VarioLas掩模成像系統（或稱為線性光束系統）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定性，是VarioLas系列的獨特優勢。 在面積為2mm×2mm的矩形加工區域上，VarioLas掩模成像系統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視燒蝕和退火結果的共線相機觀測單元），都可以根據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，到可控、互鎖的光學全自動加工系統，如圖1所示。 圖1：先進、靈活的VarioLas紫外加工系統的模塊化產品概念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，發生紫外準分子激光的光子吸收，實現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，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系統提供的正方形光場掩模成像，實現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。將激光照射區域的光束邊緣和重疊部分放置在芯片之間的槽位區域，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。退火效應在單個區域單脈沖強度達到3J/cm2時完成，使用的掩模場均勻度優于±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紫外激光系統所使用的波長、紫外光束整形及均勻化的概念，與大規模加工系統中使用的一致，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).