CN102699537A - 激光剥离led衬底的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光剥离LED衬底的系统及方法，所述系统包括：飞秒脉冲种子激光源；倍频晶体，对所述飞秒脉冲种子激光源发出的飞秒脉冲激光进行多倍频，倍频系数大于等于2，该倍频晶体优选为三倍频晶体；激光扩束聚焦装置，对所述倍频晶体出射的飞秒脉冲激光进行扩束和线聚焦，输出线状光斑，所述线状光斑的长度大于等于LED衬底的直径；承载部件，用于承载所述LED衬底，所述LED衬底包括衬底和位于所述衬底上的外延层，所述线状光斑聚焦在所述外延层和衬底的交界面处。本发明能够避免剥离工艺中的热损伤，而且有利于提高生产效率。

Description

激光剥离LED衬底的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种激光剥离LED衬底的系统及方法，尤其涉及一种采用飞秒激光剥离LED衬底的系统及方法。

背景技术

基于氮化物系的半导体材料可以通过掺入其它元素（铟或者铝）来实现蓝光，绿光，紫外光的发光二激光和半导体激光器，在显示、照明和存储等领域有非常广泛的应用。而且氮化物属于宽禁带半导体，具有很高的击穿电压，良好的热导率和电子迁移率等特性，在微电子方面也具有很大的应用市场。

基于氮化物的高亮度发光二极管以其长寿命，节能和环保等优越性能具有很高的投资回报，也是各个研究机构和各公司追求的目标。而且，氮化物的同质外延也是促进氮化物器件发展的一个重要目标，为了能够实现氮化镓衬底，目前一种重要技术就是通过氢化物气相外延（HVPE）来实现，在蓝宝石上生长较厚的氮化镓外延膜，利用激光剥离技术来使得蓝宝石衬底与氮化镓厚膜的分离，实现氮化镓自支撑衬底。

现有技术中，在氮化物系的半导体以及LED芯片的电极设计中，正负电极在基板同一侧的平面结构是比较普遍流行的做法，这样的电极设计方案除了减小芯片的发光面积之外，还有较明显的电流拥挤效应。为了实现高效，大功率，高亮度的LED芯片，为了避免出现因电流拥堵效应导致的发光效率降低以及散热问题，垂直结构的LED芯片是主流解决方案之一。但是由于蓝宝石属于绝缘体，而且具有较大的硬度，导致表面开孔也比较困难，因此垂直结构的LED芯片需要首先将氮化镓外延层从蓝宝石衬底上剥离，并进一步转移到高导热导电衬底上，然后才能制作电极。

激光剥离技术是目前普遍流行的剥离技术，现有技术中通常采用紫外光波段的激光光束，透过蓝宝石聚焦在蓝宝石和氮化镓的界面处，由于聚焦后激光光斑在单位面积上具有很高的能量，使得界面处的氮化镓热分解成金属镓原子和氮气，氮原子在高温下再进一步融化，因此能够实现蓝宝石和氮化镓的分离。但是由于在蓝宝石衬底上生长的氮化物存在较大的晶格常数和热膨胀系数失配，导致生长的氮化镓膜层具有较大的内应力，因此，在激光剥离过程中，由于热效应以及热应力扩散，经常会出现裂纹，会导致制作的LED芯片有较大的漏电流。尤其在传统的激光剥离过程中，通常利用激光光束的局部加热使物质熔化或者气化的方式来加工，这种方式也会使物质周围遭到破坏，因而限制了边缘强度和产生精细特征的能力。虽然现有技术中的脉冲紫外激光可以通过直接破坏物质的化学键，将物质分离成原子，可以减小热损伤的影响，但由于其较长的脉冲时间（通常为纳秒级），需要消耗比较多的能量来破坏化学键，而且产生的热量将非常大，热影响区比较大。激光作用区域会伴随着剧烈的热扩散，这种热扩散会产生一种强烈的冲击波应力，这种冲击波会导致出现裂纹或者凹坑，不但在垂直于剥离面方向上，极易损伤仅有几微米厚度的氮化镓外延层，在水平方向上，也会损伤周围的芯片。

综上所述，目前的激光剥离技术存在着严重的热损伤问题，从而导致制作的大功率垂直结构的LED芯片存在较大的漏电流，同时还伴随着低良率的问题，甚至会由于热损伤致使裂纹扩散到量子井发光区，进而毁坏整个外延片的严重后果。而且，在激光剥离过程中，光束经过透镜聚焦后的圆形光斑面积较小，步进电机需要控制底板进行整个外延片的阵列扫描，才能达到剥离蓝宝石衬底的目的，这样剥离过程时间较长，会影响生产效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种激光剥离LED衬底的系统及方法，能够避免剥离工艺中的热损伤，而且有利于提高生产效率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种激光剥离LED衬底的系统，包括：

飞秒脉冲种子激光源；

倍频晶体，对所述飞秒脉冲种子激光源发出的飞秒脉冲激光进行多倍频，倍频系数大于等于2；

激光扩束聚焦装置，对所述倍频晶体出射的飞秒脉冲激光进行扩束和线聚焦，输出线状光斑，所述线状光斑的长度大于等于LED衬底的直径；

承载部件，用于承载所述LED衬底，所述LED衬底包括衬底和位于所述衬底上的外延层，所述线状光斑聚焦在所述外延层和衬底的交界面处。

可选地，所述激光扩束聚焦装置包括：

扩束透镜组合装置，对所述飞秒激光脉冲进行扩束，使其尺寸覆盖所述LED衬底；

柱透镜，对来自所述扩束透镜组合装置的激光束进行线聚焦，输出所述线状光斑。

可选地，所述激光扩束聚焦装置还包括：

滤光片，对所述飞秒脉冲激光进行滤波后传输至所述扩束透镜组合装置，所述滤光片输出的飞秒脉冲激光的光子能量小于所述LED衬底中衬底材料的禁带宽度，大于所述LED衬底中外延层材料的禁带宽度。

可选地，所述LED衬底中衬底的材料为蓝宝石，外延层的材料为氮化镓，所述飞秒脉冲激光器发出的飞秒脉冲激光的波长为780nm，所述倍频晶体为三倍频晶体，所述滤光片仅让波长为260nm的飞秒脉冲激光输出。

可选地，所述三倍频晶体包括BBO晶体、LBO晶体、KTP晶体或KDP晶体。

可选地，所述激光扩束聚焦装置还包括：

光闸，所述滤光片出射的飞秒脉冲激光经过所述光闸后传输至所述扩束透镜组合装置。

可选地，所述系统还包括：

步进电机，驱动所述承载部件带动所述LED衬底沿垂直于所述线状光斑的方向移动，所述LED衬底在垂直于所述线状光斑的方向上划分为多步，所述步进电机带动所述LED衬底逐步移动以使所述线状光斑逐步扫描所述LED衬底。

可选地，所述系统还包括：

同步控制器，对所述步进电机和光闸进行同步控制，使所述步进电机每移动一步后照射至所述LED衬底上的激光脉冲数目相同。

可选地，所述扩束透镜组合装置包括第一圆形凸透镜和第二圆形凸透镜，所述飞秒脉冲激光依次透过所述第一圆形凸透镜和第二圆形凸透镜后出射，其中第一圆形凸透镜的焦距小于第二圆形凸透镜的焦距，且所述第一圆形凸透镜和第二圆形凸透镜之间的距离等于二者的焦距之和。

可选地，所述系统还包括：

第一调节机构，用于驱动所述柱透镜以及扩束透镜组合装置中的各凸透镜平移，平移的方向沿所述飞秒脉冲激光的传播方向。

可选地，所述飞秒脉冲种子激光源的脉冲时间介于10^-14s~10^-16s，脉冲重复频率介于1kHz~50MHz。

可选地，所述系统还包括：对所述倍频晶体的晶体轴向进行旋转的第二调节机构。

本发明还提供了一种采用上述任一项所述的激光剥离LED衬底的系统的LED衬底剥离方法，包括：

提供LED衬底，所述LED衬底包括衬底和位于所述衬底上的外延层；

将所述外延层贴合至转移衬底；

将所述LED衬底放置在所述系统的承载部件上，所述转移衬底朝向所述承载部件；

将所述系统的激光扩束聚焦装置输出的线状光斑聚焦在所述衬底和外延层的交界面处；

驱动所述承载部件沿垂直于所述线状光斑的方向逐步扫描，将所述衬底剥离。

可选地，所述外延层通过金属层连接或键合至所述转移衬底。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例的激光剥离LED衬底的系统及方法中，采用倍频晶体对飞秒脉冲种子激光源发出的飞秒脉冲激光进行多倍频，之后将该飞秒脉冲激光进行扩束和线聚焦，形成线状光斑，该线状光斑聚焦于衬底和外延层的交界面处，通过沿垂直于该线状光斑的一维扫描，将衬底与外延层剥离。由于本发明的技术方案采用的是飞秒脉冲激光，脉冲时间是普通纳秒激光脉冲时间的百万分之一，远远小于激光所产生的热传递到晶格的时间，因此可以彻底消除激光与LED衬底材料的相互作用所产生的热损伤对LED衬底的影响，大大提高生产良率。

此外，本发明实施例中的激光剥离过程中，仅需要进行一维方向的扫描，与传统的阵列扫描方式相比，其效率更高。

附图说明

图1是本发明实施例的激光剥离LED衬底的系统的结构框图；

图2是本发明实施例的LED衬底剥离方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1示出了本实施例的激光剥离LED衬底的系统，包括：飞秒脉冲种子激光源12、倍频晶体20、滤光片23、激光扩束聚焦装置（包括光闸21、扩束透镜组合装置、柱透镜11）、承载部件8、同步控制器22。

其中，飞秒脉冲种子激光源12用于发出飞秒脉冲激光。作为一个非限制性的例子，本实施例中的飞秒脉冲种子激光源12可以是超短超快脉冲激光器，具体参数如下：脉冲时间介于10^-14s~10^-16s，脉冲重复频率介于1kHz~50MHz，其发出的飞秒脉冲激光波长为800nm左右，本实施例中具体为780nm。

飞秒脉冲种子激光源12发出的飞秒脉冲激光依次经过倍频晶体20、滤光片23、光闸21、第一凸透镜9和第二凸透镜10、柱透镜11后入射至承载部件8上的LED衬底。本实施例中该LED衬底包括堆叠的衬底100和外延层101，其中外延层101朝向承载部件8，衬底100朝向飞秒脉冲激光入射的方向，外延层101和承载部件8之间还可以设置有保护膜102，以防止对外延层101的损伤。

如图1所示，本实施例将LED衬底表面所在的平面定义为x-y平面，飞秒脉冲激光传播的方向定义为z方向，z方向垂直于x-y平面。

其中，倍频晶体20对飞秒脉冲种子激光源12发出的飞秒脉冲激光进行多倍频，倍频系数大于等于2，本实施例中倍频系数为3，即倍频晶体20为三倍频晶体，例如可以是BBO晶体、LBO晶体、KTP晶体或KDP晶体，或者本领域技术人员公知的其他可以对飞秒脉冲激光进行倍频的晶体。经过三倍频之后，输出的激光的波长为260nm。

需要说明的是，倍频晶体20的选择标准如下：对飞秒脉冲种子激光源12发出的飞秒脉冲激光倍频后，出射的激光的光子能量小于衬底材料的禁带宽度，大于外延层材料的禁带宽度。

此外，该系统还可以包括第二调节机构（图1中未示出），对倍频晶体20的晶体轴向进行旋转，以使目标频率的激光束出射。

激光扩束聚焦装置用于对飞秒脉冲激光进行扩束和线聚焦，输出线状光斑，该线状光斑的长度大于等于LED衬底的直径。本实施例中，该激光扩束聚焦装置包括：滤光片23，对倍频晶体20出射的飞秒脉冲激光进行滤波，其输出的飞秒脉冲激光的光子能量大于外延层101材料的禁带宽度，小于衬底100材料的禁带宽度，本实施例中，外延层101的材料为氮化镓，衬底100的材料为蓝宝石，滤光片23仅让波长260nm的激光束输出；扩束透镜组合装置，对飞秒脉冲激光进行扩束，使其尺寸能够覆盖整个LED衬底；柱透镜11，对来自扩束透镜组合装置的激光束进行线聚焦，输出线状光斑。此外，该激光扩束聚焦装置还包括：光闸21，激光束经过光闸后传输至扩束透镜组合装置，光闸21的开闭可以控制激光束是否出射。

其中，扩束透镜组合装置包括第一圆形凸透镜9和第二圆形凸透镜10，激光束依次透过第一圆形凸透镜9和第二圆形凸透镜10之后出射，其中第一圆形凸透镜的焦距9小于第二圆形凸透镜10的焦距，且第一圆形凸透镜9和第二圆形凸透镜10之间的距离等于二者的焦距之和。更加具体地，第二圆形凸透镜10的焦距为第一圆形凸透镜9的焦距的5~10倍，使得光斑从原始尺寸5mm~10mm扩大至能够覆盖整个LED衬底，例如对于2寸的LED衬底，扩束后的激光束的直径为60mm，对于4寸或更大尺寸的外延片，可以使用更多组圆形凸透镜组合来不断扩大激光光斑尺寸。

本实施例的激光剥离LED衬底的系统还包括第一调节机构（图1中未示出），能够调节第一圆形凸透镜9和第二圆形凸透镜10沿光轴的位置，即能够带动第一圆形凸透镜9和第二圆形凸透镜10沿激光束传播的方向平移。

扩束后的激光束经过柱透镜11，对激光束进行线聚焦，将光斑在x或y某一单一方向进行压缩，形成线状光斑。此外，本实施例中的调节结构也可以对柱透镜11进行平移，从而将线状光斑的聚焦位置调节至LED衬底中衬底100和外延层101的交界面处。由于先前进行了扩束，因而柱透镜11出射的线状光斑的长度等于或者大于LED衬底的直径。

本实施例中，承载部件8由步进电机（图1中未示出）驱动，能够带动LED衬底沿垂直于线状光斑的方向移动，例如沿x方向或者y方向移动。例如，可以将LED衬底在垂直于线状光斑的方向上划分为多步，步进电机带动LED衬底逐步移动，以使所述线状光斑逐步扫描整个LED衬底。

同步控制器22可以对光闸21和步进电机进行同步控制，即控制步进电机带动LED衬底逐步扫描，并控制光闸21对应每一步扫描的曝光时间。本实施例中，同步控制器22发送出100Hz~200Hz的触发脉冲信号给步进电机和光闸21，设定了光闸21的曝光时间和步进电机停留在每一个扫描步骤的时间为1ms~10ms，从而使得每一扫描步骤中照射在LED衬底上的激光脉冲个数相同，有利于保证剥离后的LED衬底表面具有良好的均匀性。

此外，本实施例中步进电机控制整个LED衬底在垂直于线状光斑的方向上进行一维方向的扫描，最终达到加工整个LED衬底的目的，这样的扫描方式与常规的反复的点阵列扫描相比，大大缩短了加工时间，提高了生产效率。

本实施例提供的激光剥离LED衬底的系统中，飞秒脉冲种子激光源发出的波长为780nm的激光经过三倍频晶体得到波长为260nm的激光，滤光片仅让三倍频后的激光输出，经过光闸后进入扩束透镜组合，扩大光束的光斑尺寸，使其能够覆盖整个待加工LED衬底，然后再经过柱透镜，使得光束只在一维方向上线聚焦，聚焦后的光斑形状从圆形变为线状，其线长等于或大于LED衬底的直径,焦平面位于衬底与外延层的交界面。同步控制器发出触发脉冲信号同步控制步进电机和光闸，使二者工作频率一致。

采用飞秒激光剥离衬底的优势在于：飞秒脉冲激光的脉冲时间是普通纳秒激光脉冲时间的百万分之一，远远小于激光所产生的热传递到晶格的时间，这种特性可以彻底消除热扩散和热损伤对外延层的影响；飞秒脉冲激光具有极高瞬时能量的特性，在总的脉冲能量小于普通纳秒激光器的情况下，仍然可以达到分解衬底材料的目的，而且由于其较小的输出脉冲能量，可以使得在剥离过程中，由于激光作用所产生的热冲击效应所带来的应力扩散对外延层的影响可以达到最小化；超短超快脉冲激光器的重复频率远大于普通纳秒激光器的重复频率，因此可以实现超快加工剥离，大大提高生产效率。

本实施例还提供了一种LED衬底的剥离方法，该方法应用图1所示的系统，其流程如图2所示，包括：

步骤S21，提供LED衬底，所述LED衬底包括衬底和位于所述衬底上的外延层；

步骤S22，将所述外延层贴合至转移衬底；

步骤S23，将所述LED衬底放置在所述系统的承载部件上，所述转移衬底朝向所述承载部件；

步骤S24，将所述系统的激光扩束聚焦装置输出的线状光斑聚焦在所述衬底和外延层的交界面处；

步骤S25，驱动所述承载部件沿垂直于所述线状光斑的方向逐步扫描，将所述衬底剥离。

下面结合图1和图2对该剥离方法进行详细说明。

将生长在衬底100上的外延层101通过金属层连接或键合到高导热导电的转移衬底材料102上，然后将键合后的LED衬底置于承载部件8上。

飞秒脉冲种子激光源12所发出的激光照射在三倍频晶体20上，旋转三倍频晶体20的晶轴方向，使得三倍频效率达到最大值，也即是大部分波长为780nm的激光都转换为波长为260nm的激光，未被转换的剩余部分被滤光片23过滤掉，使得只有波长为260nm的激光通过滤光片23。

在沿激光传播的光路上，调整第一圆形凸透镜9和第二圆形凸透镜10的水平位置，使得透过第二圆形凸透镜10的光束是经过准直的，所发出的圆形光斑尺寸从原始直径5mm-10mm扩大到能够覆盖整个LED衬底。如果经过一组圆形透镜组合光斑尺寸仍然小于LED衬底的尺寸，可以在在沿光路传播方向上，在第二圆形凸透镜10的后面继续增加一组或多组相同的圆形透镜组合来不断扩大光斑尺寸，直到能够覆盖整个不同尺寸的外延片，同时通过调节各个圆形透镜的水平移动来保证透过最后一个圆形透镜的光束是经过准直的。

从第二圆形凸透镜10所发出的经过扩束且准直的光束继续沿着光路传播的方向通过柱透镜11，只在x或者y方向进行一维方向的会聚，调整柱透镜11的水平位置使其焦点位置在衬底100和外延层101的交界面处，会聚后的光斑形状成为线状，其线长等于或略大于的LED衬底的直径。

通过计算机编程或者其他方式控制同步控制器22发送触发脉冲信号同时传送给步进电机和光闸21，也即是设定了光闸的曝光时间和步进电机停留在每一个扫描步骤的时间为1ms-10ms。设定步进电机的扫描方式，控制承载部件8的扫描方向沿垂直于线状光斑方向，也即是沿着x方向（如果线状光斑沿y方向）或者y方向（如果线状光斑沿y方向）扫描一次，扫描步长可以控制为0.5-2um，直至将衬底100剥离。剥离后的衬底100可以重复回收利用，以进一步降低生产成本。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (14)

1.一种激光剥离LED衬底的系统，其特征在于，包括：

飞秒脉冲种子激光源；

倍频晶体，对所述飞秒脉冲种子激光源发出的飞秒脉冲激光进行多倍频，倍频系数大于等于2；

激光扩束聚焦装置，对所述倍频晶体出射的飞秒脉冲激光进行扩束和线聚焦，输出线状光斑，所述线状光斑的长度大于等于LED衬底的直径；

承载部件，用于承载所述LED衬底，所述LED衬底包括衬底和位于所述衬底上的外延层，所述线状光斑聚焦在所述外延层和衬底的交界面处。

2.根据权利要求1所述的激光剥离LED衬底的系统，其特征在于，所述激光扩束聚焦装置包括：

扩束透镜组合装置，对所述飞秒激光脉冲进行扩束，使其尺寸覆盖所述LED衬底；

柱透镜，对来自所述扩束透镜组合装置的激光束进行线聚焦，输出所述线状光斑。

3.根据权利要求2所述的激光剥离LED衬底的系统，其特征在于，所述激光扩束聚焦装置还包括：

滤光片，对所述飞秒脉冲激光进行滤波后传输至所述扩束透镜组合装置，所述滤光片输出的飞秒脉冲激光的光子能量小于所述LED衬底中衬底材料的禁带宽度，大于所述LED衬底中外延层材料的禁带宽度。

4.根据权利要求3所述的激光剥离LED衬底的系统，其特征在于，所述LED衬底中衬底的材料为蓝宝石，外延层的材料为氮化镓，所述飞秒脉冲激光器发出的飞秒脉冲激光的波长为780nm，所述倍频晶体为三倍频晶体，所述滤光片仅让波长为260nm的飞秒脉冲激光输出。

5.根据权利要求4所述的激光剥离LED衬底的系统，其特征在于，所述三倍频晶体包括BBO晶体、LBO晶体、KTP晶体或KDP晶体。

6.根据权利要求3所述的激光剥离LED衬底的系统，其特征在于，所述激光扩束聚焦装置还包括：

光闸，所述滤光片出射的飞秒脉冲激光经过所述光闸后传输至所述扩束透镜组合装置。

7.根据权利要求6所述的激光剥离LED衬底的系统，其特征在于，还包括：

步进电机，驱动所述承载部件带动所述LED衬底沿垂直于所述线状光斑的方向移动，所述LED衬底在垂直于所述线状光斑的方向上划分为多步，所述步进电机带动所述LED衬底逐步移动以使所述线状光斑逐步扫描所述LED衬底。

8.根据权利要求7所述的激光剥离LED衬底的系统，其特征在于，还包括：

同步控制器，对所述步进电机和光闸进行同步控制，使所述步进电机每移动一步后照射至所述LED衬底上的激光脉冲数目相同。

9.根据权利要求2所述的激光剥离LED衬底的系统，其特征在于，所述扩束透镜组合装置包括第一圆形凸透镜和第二圆形凸透镜，所述飞秒脉冲激光依次透过所述第一圆形凸透镜和第二圆形凸透镜后出射，其中第一圆形凸透镜的焦距小于第二圆形凸透镜的焦距，且所述第一圆形凸透镜和第二圆形凸透镜之间的距离等于二者的焦距之和。

10.根据权利要求9所述的激光剥离LED衬底的系统，其特征在于，还包括：

第一调节机构，用于驱动所述柱透镜以及扩束透镜组合装置中的各凸透镜平移，平移的方向沿所述飞秒脉冲激光的传播方向。

11.根据权利要求1所述的激光剥离LED衬底的系统，其特征在于，所述飞秒脉冲种子激光源的脉冲时间介于10^-14s~10^-16s，脉冲重复频率介于1kHz~50MHz。

12.根据权利要求1所述的激光剥离LED衬底的系统，其特征在于，还包括：对所述倍频晶体的晶体轴向进行旋转的第二调节机构。

13.一种应用权利要求1至12中任一项所述的激光剥离LED衬底的系统的LED衬底剥离方法，其特征在于，包括：

提供LED衬底，所述LED衬底包括衬底和位于所述衬底上的外延层；

将所述外延层贴合至转移衬底；

将所述LED衬底放置在所述系统的承载部件上，所述转移衬底朝向所述承载部件；

将所述系统的激光扩束聚焦装置输出的线状光斑聚焦在所述衬底和外延层的交界面处；

驱动所述承载部件沿垂直于所述线状光斑的方向逐步扫描，以将所述衬底剥离。

14.根据权利要求13所述的LED衬底加工方法，其特征在于，所述外延层通过金属层连接或键合至所述转移衬底。

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