準分子激光剝離系統在高亮LED生產(chǎn)中的應用

　　在過(guò)去的十年中，GaN基底的高亮度白光LED以其良好的性?xún)r(jià)比越來(lái)越引起人們的關(guān)注。各個(gè)廠(chǎng)商競相研發(fā)新的LED結構形式來(lái)提高其發(fā)光效率，以此增加LED芯片的發(fā)光度，從而降低LED芯片的單位發(fā)光成本。這些技術(shù)的發(fā)展以及高亮LED芯片自身的特點(diǎn)，極大地增加了全固態(tài)照明的應用范圍，其在自動(dòng)化照明、背光顯示技術(shù)以及傳統照明方面顯示了蓬勃發(fā)展的局面。荷蘭的A44高速公路已經(jīng)成為世界上第一條采用LED照明的高速公路（見(jiàn)圖1）。

圖1 荷蘭A44高速公路，是第一條采用LED照明的高速公路

　　基底剝離的垂直結構實(shí)現更高亮度輸出

　　傳統方式采用兩種方法設計LED芯片，即平面結構和垂直結構（見(jiàn)圖2）。芯片結構的選擇很大程度上依賴(lài)于材料的特性。

圖2 LED芯片的平面結構圖和垂直結構圖

　　藍寶石晶體由于其低廉的成本以及良好的晶格匹配度而被廣泛用于GaN發(fā)光材料的襯底生長(cháng)。但是，藍寶石同時(shí)是一種優(yōu)異的絕緣材料，因此，對于P結和N結的接觸電極，只能放置在LED芯片的正面同一側，如圖2中左圖所示。如果采用導電材料（如銅、硅或碳化硅）來(lái)代替藍寶石襯底，就可以采用正面和背面同時(shí)接觸的垂直結構。

　　但是這樣做也存在一定的困難。藍寶石內在的優(yōu)異特征能夠促進(jìn)LED發(fā)光材料的完美生長(cháng)，藍寶石對于生長(cháng)LED芯片最佳襯底材料不可或缺。因此，要實(shí)現垂直結構，就要在生長(cháng)完后再去剝離藍寶石基底。

　　垂直結構的優(yōu)勢在于有效擴大了發(fā)光多重量子井的有效面積，從而避免了從P結到N結的電流瓶頸效應。更為重要的是，垂直結構對于基底的散熱有著(zhù)巨大優(yōu)勢。

　　采用激光剝離系統剝離藍寶石基底

　　垂直結構的制備如圖3所示，首先在藍寶石基底上外延生長(cháng)出GaN發(fā)光層，然后在P結層一側粘合上一層熱傳導良好的轉移襯底，該襯底要求具有良好的導電性和散熱性，通常采用硅或是特殊的合金；然后再采用激光剝離技術(shù)將藍寶石襯底從芯片上剝離。

　　由于GaN發(fā)光層通常只有幾個(gè)微米厚，采用化學(xué)刻蝕或機械研磨的手段來(lái)剝離藍寶石襯底，很容易損傷到GaN發(fā)光層，這不利于垂直結構的制備。相比之下，激光剝離技術(shù)是一種非接觸式技術(shù)，它可以實(shí)現選擇性剝離襯底而不會(huì )對發(fā)光層材料造成損傷。

圖3 典型的垂直結構LED芯片制備流程

　　在激光剝離過(guò)程中，LED芯片直接受到高能量密度的紫外激光脈沖的照射，由于藍寶石基底帶隙很高，相對于248nm激光而言是透明的，所以激光脈沖會(huì )透過(guò)藍寶石基底打到GaN層，而GaN和藍寶石的連接層處（約2nm）會(huì )強烈吸收紫外激光能量，在激光能量密度為800~900J/cm2時(shí)，接觸層的局部區域溫度可以達到大約1000℃，導致連接層的材料產(chǎn)生氣化，從而使藍寶石襯底與GaN芯片安全分離。

　　248nm激光剝離工藝

　　激光剝離采用高能量的248nm脈沖準分子激光器，根據脈沖激光方形光斑大小，將整個(gè)芯片分成若干個(gè)區域，每個(gè)區域采用單脈沖照射，通過(guò)電機平臺的移動(dòng)，逐個(gè)掃描實(shí)現整個(gè)芯片的基底剝離。方形光斑的邊緣重疊部分可以設置在芯片單元之間的通道上，從而可以忽略其副作用。對于激光剝離系統而言，為了能夠精確地控制剝離進(jìn)程，達到良好的剝離效果，要求激光器必須具有良好的脈沖能量穩定性，其能量波動(dòng)要控制在1%（RMS）左右。

　　激光剝離需要激光能量密度大于800mJ/cm2，而大尺寸的LED芯片通常其單個(gè)的芯片單元都在幾個(gè)平方毫米大小，這就意味著(zhù)剝離使用的準分子激光器需要提供的單脈沖能量通常在500mJ以上。這對于采用獨立設計的準分子激光器而言是比較容易實(shí)現的，如美國相干公司的LEAP系列準分子激光器（如圖4）。通常這類(lèi)激光器提供的脈沖能量很高，可以實(shí)行單個(gè)脈沖同時(shí)剝離多個(gè)芯片單元。

圖4 LEAP系列準分子激光器及其光束傳輸結構

　　激光剝離工藝中一個(gè)最為關(guān)鍵的問(wèn)題在于準分子激光器提供的激光脈沖光斑的均勻性。準分子激光器本身具有較大的發(fā)光截面以及較低的光束相干性，因此適于采用高性能的紫外光學(xué)元件進(jìn)行整形。采用柱狀透鏡組制備的光束整形鏡，將激光光束沿光軸方向進(jìn)行勻化，再加上準分子激光器本身光束的相干性比較低，因此整形效果非常好。通過(guò)激光整形后，可以實(shí)現能量分布均勻、光斑邊緣清晰的大尺寸激光光斑，非常適合用于高效快捷的激光剝離工藝。采用這種光源，對于6英寸的晶元，可以實(shí)現50片/小時(shí)的剝離速度。同時(shí)這種高功率的準分子激光器除了氣瓶的更換外，基本不需要任何維護，更換氣瓶也只需要幾分鐘的時(shí)間。因此，低廉的維護成本以及極小的故障時(shí)間，是準分子激光器相對于其他固態(tài)激光器而言最大的優(yōu)勢。

　　結論

　　高亮LED開(kāi)始在諸多領(lǐng)域內與傳統光源相競爭。從技術(shù)層面看，傳統的光源市場(chǎng)更需要亮度超過(guò)150流明/瓦的單片高亮度LED芯片。與平面結構產(chǎn)品相比，垂直結構的LED芯片具有更大優(yōu)勢，如更高的電流注入效率、更強的散熱能力以及更好的阻抗。

　　而采用準分子激光剝離設備去除藍寶石則是一種有效的工藝手段，在新一代高亮LED芯片的制備中，將會(huì )成為不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

　　248nm準分子激光器技術(shù)的發(fā)展，使得激光輸出脈沖能量可以達到1J以上。原有的激光剝離技術(shù)需要使用500mJ的激光脈沖，一個(gè)6英寸的晶片需要1500個(gè)脈沖才能夠完全剝離。而現在使用50Hz重復頻率的準分子激光器，只需要30秒就可以完成這個(gè)任務(wù)。隨著(zhù)準分子激光技術(shù)的進(jìn)步，激光剝離技術(shù)將會(huì )在高亮度LED芯片制造行業(yè)取得巨大發(fā)展。