CN104858544A - 方形脉冲激光剥离技术 - Google Patents

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Abstract

一种激光剥离方法包括：生成多个固态激光脉冲；将所述多个固态激光脉冲变换为紫外频率；在形状上将所述多个激光脉冲在垂直横向轴上的横向空间强度曲线调节为矩形，其中，沿着每个横向轴的形状对应于八阶或更高阶的超高斯；并且将所述多个激光脉冲沿着平行于所述横向轴中的一个的方向在目标上进行扫描，以便在所述目标上产生激光剥离。还公开了一种用于激光剥离的系统。

Description

方形脉冲激光剥离技术
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年2月26日提交的美国临时申请NO.61/945,115的权益，通过引用将该申请整体并入本文。
技术领域
本公开涉及激光剥离。
背景技术
激光剥离技术常用于对包括柔性显示器、平板以及半导体晶片的各种微电子器件的制造中。激光剥离通常包括通过利用高能量的激光能量来损坏下层牺牲层、使下层牺牲层蒸发或以其他方式改变下层牺牲层而将一个或多个选定的材料层移除或分离。例如，常规激光剥离能够利用准分子激光器通过生成具有必需的激光剥离脉冲参数的准分子(UV)激光线光束脉冲并且将线脉冲在目标表面上进行扫描来执行。然而，即使利用基于准分子的产品具有相对优良的性能，资本成本和购置成本也是巨大的。
为了通过降低成本来使激光剥离处理更容易接近，已经提出了在其中使用固态激光器来代替准分子激光器的技术。一些较低成本的基于固态激光器的激光剥离系统设计已经尝试利用较小的激光脉冲光斑来代替激光脉冲线。光栅扫描固态激光脉冲光斑以处理要发生剥离的区域或图样。遗憾的是，这样的尝试还没有成功。剥离目标倾向于“不均衡”，即处理不均匀性，包括莫尔图样以及其他一般不可接受的不均一或者不均匀性。此外，处理(或者“节拍”)时间易于大于基于线的方法。因此，较低成本的固态激光方法已经几乎被工业所废弃。因此，尽管已经有实现免受不均衡性和欠佳节拍时间的固态激光器扫描激光剥离系统的努力，但是仍然存在对没有这些附随缺陷的系统和方法的需求。
前述和其他目的、特征以及优点将通过参考附图进行的下文详细描述变得更加显而易见，附图不一定是按比例绘制的。
发明内容
根据一个方面，一种激光剥离方法包括：生成多个固态激光脉冲；将所述多个固态激光脉冲变换为紫外频率；在形状上将所述多个激光脉冲在垂直横向轴上的横向空间强度曲线调节为矩形，其中，沿着每个横向轴的形状对应于八阶或更高阶的超高斯；并且将所述多个激光脉冲沿着平行于所述横向轴中的一个的方向在目标上进行扫描，以便在所述目标上产生激光剥离。
根据另一方面，一种用于在目标上引起激光剥离的系统包括：脉冲固态激光器，其用于产生具有为激光剥离所选定的激光脉冲参数的激光脉冲；频率变换器，其用于接收所述激光脉冲并对所述激光脉冲的频率进行变换；波束整形光学器件，其用于接收所述激光脉冲并对所述激光脉冲在垂直横向轴上的横向强度曲线进行调节，使得所述曲线在每个横向轴上的形状对应于八阶或更高阶的超高斯；以及扫描光学器件，其用于将经空间上调节的激光脉冲沿着平行于所述横向轴中的一个的方向指引到所述目标，以便在所述目标上引起激光剥离。
所公开的技术的前述和其他目的、特征以及优点将通过参考附图进行的下文详细描述变得更加显而易见。
附图说明
图1A是在范例激光脉冲上的空间强度的图表。
图1B是在范例激光脉冲上的空间强度的另一图表。
图2A是用于扫描的脉冲的空间强度的图表。
图2B是用于扫描的脉冲的空间强度的另一图表。
图3是处理节拍时间和光斑尺寸对脉冲形状超高斯阶数的图表。
图4A是在针对不同超高斯阶数的激光脉冲上的空间强度的图表。
图4B是光束容量对超高斯阶数的图表。
图5是方形激光脉冲的三维强度绘图。
图6是对在目标表面处的次优化的扫描速率和优化的扫描速率的描绘。
图7是激光剥离系统的示意图。
图8是激光剥离方法的流程图。
具体实施方式
如在本申请和在权利要求中所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数形式，除非在上下文中清楚地另有指定。额外地，术语“包括”意指“包含”。另外，术语“耦合”不排除在耦合的项目之间存在中间元件。
本文中描述的系统、装置和方法不应被解释为以任何方式限制。相反，本公开涉及各个公开的实施例的单独的以及以彼此的各种组合和子组合的所有新颖且非显而易见的特征和方面。所公开的系统、方法和装置不限于任何具体方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和装置也不要求呈现一个或多个具体优点或解决一个或多个具体问题。任何工作原理都是用于方便说明的，但是所公开的系统、方法和装置不限于这样的工作原理。
尽管为了便于呈现而以特定的顺序的次序来描述所公开的方法中的一些的操作，但是应当理解描述的这种方式包含重新安排，除非通过下文阐述的具体语言对特定顺序做出要求。例如，顺序地描述的操作在一些情况下可以被重新安排或者同时地被执行。此外，为了简单起见，附图可以不示出所公开的系统、方法和装置能够与其他系统、方法和装置联合使用的各种方式。额外地，描述有时使用诸如“产生”和“提供”的术语来描述所公开的方法。这些术语是执行的实际操作的高级抽象。对应于这些术语的实际操作将取决于具体实施方式而变化并且对于本领域普通技术人员中的一个而言显而易见。
如本文中所使用的，激光脉冲和光辐射指的是波长在大约100nm与10μm之间、并且通常在大约100nm与400nm之间的紫外光、波长在400nm与700nm之间的可见光(例如，波长在532nm的绿光)以及波长从大约700nm到10μm或更长的红外光的电磁辐射。基于可获得的固态激光源的范例通常与在大约800nm与1700nm之间的波长相关联。在一些范例中，通过包括倍频产生、和频产生以及差频产生的非线性谐频产生、光参量振荡或者光参量放大来将光辐射从一个或多个波长变换为另外的一个或多个波长。在一些范例中，传播光辐射被称为具有直径、光束横截面积和光束散度的一个或多个光束，其中，光束散度能够取决于光束波长和用于光束整形的光学系统。为了方便起见，在一些范例中，光辐射被称为光，并且不一定处于可见光波长。脉冲形状被描述为包括圆形、矩形、方形、顶帽形、高斯、超高斯等的脉冲形状。这样的形状一般指的是在一个或多个轴上的横向空间强度曲线或分布，其中，这样的横向空间轴通常彼此垂直并且相互垂直于传播光轴。
先前对利用扫描光斑固态激光脉冲系统的激光剥离的尝试和方法未能识别重要的系统参数。这样的尝试通常使用在区域上进行扫描的圆形(或椭圆形)激光脉冲光斑。激光脉冲光斑将具有在一个或多个轴上的高斯强度分布并且脉冲将在区域上进行扫描以产生剥离效果。甚至利用从脉冲到脉冲的大量重叠、扰乱剥离结果的不均衡和莫尔图样连同欠佳处理时间一起来实现该效果。此外，即使当使圆形光斑具有均匀强度分布时，例如平顶强度分布，结果也是类似的不期望的不均衡。出人意料地，如发明人在本文中已经发现的，应当提供具有选定的均匀性的空间强度分布的方形或矩形脉冲来消除先前方法的缺陷。
例如，在图8中公开了方法800，在方法800中，在802，使用固态激光器来生成一个或多个激光脉冲。适当的激光源包括固态盘形激光器、固态棒形激光器或者其他固态源。固态激光源将通常提供在红外光谱内的激光脉冲，例如在1030nm或1064nm的激光脉冲，并且将(通过一个或多个脉冲变化操作)使激光脉冲特性选定并提供为实行或基本实行激光剥离的激光脉冲，激光脉冲特性包括脉冲持续时间、脉冲重复率以及脉冲能量等。在804，例如通过利用非线性光学介质进行三倍频来将所生成的激光脉冲频率变换为UV状态，因为许多应用对于成功剥离要求UV波长。在一些范例中，三倍频能够使用三阶非线性磁化率关系来实现，并且在其他范例中，使用二阶非线性磁化率关系来实现。例如，将在1030nm或1064nm的脉冲与在515nm或532nm的倍频光混合以获得在343nm或355nm的脉冲。将认识到，其他波长能够通过利用不同谐波、激光源波长以及非线性光学介质来实现。
在806，对横向于传播方向的激光脉冲的空间强度形状进行调节以形成矩形或方形。对于矩形脉冲，横向空间轴之间的纵横比能够增大至高达5∶1，尽管通常优选1∶1纵横比的方形。激光脉冲的横向空间强度分布还被调节为具有在方形(或矩形)的两个横向轴上的选定的均匀性。例如，一个这样的均匀性能够高于四阶的超高斯强度分布。其他分布能够包括八阶、十二阶、十四阶或者更高阶的超高斯。均匀性能够通过光束整形、均质化、折射、衍射或反射系统或者在光束均匀性领域中已知的其他方法来实现。在808，脉冲沿着线路以选定速度进行扫描使得脉冲可以在扫描方向上重叠或者邻接。脉冲的扫描得到的效果是在没有通常与固态激光源对激光剥离处理的常规应用相关联的不均衡或者其他不利效果的情况下在目标处进行激光剥离。
在图7中，示出了用于提供方形激光脉冲以在目标处产生激光剥离的固态脉冲激光系统700的实施例的示意图。所述系统包括红外脉冲固态激光源702，例如固态盘形激光器，红外脉冲固态激光源702用于提供具有与激光剥离相关联的选定脉冲参数的多个激光脉冲。例如，一个这样的盘型激光器是由Trumpf公司制造的TruMicro Series 7000，TruMicro Series7000能够生成5kHz至100kHz的脉冲重复率、高达80mJ的脉冲能量、30ns的脉冲持续时间。还能够使用其他的固态源。频率变换器704被耦合到固态激光源以接收红外光脉冲并将该光脉冲变换为紫外波长。例如，能够采用三倍频来将具有大约1064nm波长的光脉冲变换为具有大约355nm波长的紫外光脉冲。通常，频率变换器使用一个或多个非线性光学元件，所述一个或多个非线性光学元件例如经由温度控制器706受温度控制以实现最佳变换效率。
光束整形光学器件708被耦合到频率变换器704以接收经频率变换的光脉冲并且对该光脉冲进行整形。该光脉冲通常被提供为具有圆形形状以及最低阶的高斯强度分布，尽管其他光束特征是可能的。利用光束整形光学器件708来将圆形形状或其他输入形状变换为矩形或方形形状。此外，使用光束整形领域中已知的一种或多种方式来将在该光脉冲的两个横向轴上的空间强度分布修改得变得均匀。在图5中示出具有均匀强度分布的方形脉冲的光学模型化范例。
各种光束整形器、均质器、扩散器或者衍射、反射或折射光学系统能够用于实现适当的选定的均匀性。光束均匀性能够被选定为具有不同的高斯阶数，包括四阶、八阶、十二阶、或更高阶。将认识到，使用八阶或更高阶的高斯阶数能够在激光剥离的工艺效率上得到显著提高。光束扫描器710将方形或矩形光脉冲在剥离目标表面712上进行光栅扫描，其中，在相邻光脉冲之间具有预定或优化的量的重叠，在图6中示出对这样的优化的描述。次优化的扫描速率的结果602能够在目标608上在脉冲606之间引起剥离不一致604或者其他不均衡效果。利用优化的脉冲，扫描的区域608不呈现这样的缺陷。控制器714用于控制光束扫描器来以预定图样提供扫描的光脉冲。
扫描的图样能够覆盖目标712的全部区域，类似于常规准分子线光束方法，或者系统700能够有利地用于选定用于剥离的目标712的特定区域，后者不能容易地利用线光束方法来实现。控制器714能够被链接到固态激光源702以在光束扫描器710与脉冲生成之间提供反馈和通信。为了在目标表面712处执行剥离，扫描的光脉冲应当具有在数百mJ/cm2的范围内的积分通量，优选在200mJ/cm2与300mJ/cm2之间的积分通量。在优选范例中，由固态激光源生成的脉冲能量是14.4mJ，脉冲重复率是10kHz，从而在目标表面处产生在每侧上2.3mm长的方形光斑，以及235mJ/cm2的积分通量。总的传递能量能够比准分子脉冲线光束方法少大约25％但是具有近似相同的节拍时间，从而直接得到更高的能源效率，并且因此在不对处理速度造成不利影响的情况下得到更低成本处理。考虑到单数线脉冲的形成到形成具有顺序传递以构成该线的一系列方形或矩形脉冲的转变，这样的关系是预料不到的。
图1A和1B示出了向激光剥离目标表面传递等同的总脉冲能量的范例光脉冲的空间强度横截面100、102的图表。激光剥离处理阈值强度水平104被选定为峰值强度的95％，其中，为了清楚起见使强度曲线标准化。其他处理阈值能够取决于应用参数、脉冲的均质性或者其他系统参数而被选定。示出在特定脉冲的一个横向轴上的均匀性的横截面100被配置为具有四阶的超高斯形状，能够看出1/e2宽度的38％，总计大约52％的脉冲能量位于在表面处引起剥离所需的处理阈值处或以上。脉冲能量的剩余部分在选定的处理阈值以下并且驻存在脉冲的尾部106。
在横截面102中，均匀性被增大至十四阶的超高斯形状，并且能够看出，1/e2宽度的79％，总计大约85％的脉冲能量，位于在目标处引起剥离所需的处理阈值处或以上。在处理阈值104以上的能量的增加以及在处理阈值104以上的能量的降低导致在目标处剥离有效脉冲能量的更大横向范围。该更大横向范围对应于贡献于剥离的激光脉冲光斑的较大部分，使得在处理期间浪费更少的脉冲并且利用每个脉冲来处理更多的目标。
图2A和2B是通过使光学器件对剥离目标进行扫描而相邻传递的多个范例光脉冲的空间强度横截面200、202的图表。光脉冲光斑被设置为具有重叠206、208，使得在脉冲的横截面上的目标表面在选定95％的处理阈值204以上连续地被处理。对针对准分子脉冲线性激光系统的脉冲在扫描方向上的形状的准确近似是四阶的超高斯形状。对于这样的形状，如图2A所描绘的，随后的光脉冲被设置为邻近先前的光脉冲大约1mm以保持处理阈值204。光脉冲在光学强度处理阈值204以下的部分对激光剥离没有贡献。
如在图2B中所描绘的，横截面202包括具有十四阶的超高斯形状的增大的均匀性的一系列光脉冲。由于较高的均匀性，所以能够在始终保持目标表面在处理阈值204以上的同时增大光脉冲之间的距离。在范例202中，通过使用较高阶的超高斯能够实现扫描速率的63％的增大，因为每个随后的传递脉冲被隔开得更远。因此，得到的扫描速率的增大能够允许比用于处理相同目标的准分子型系统更快的节拍时间。
图3是用于利用激光剥离来处理柔性面板的节拍时间如何能够通过调节方形光脉冲的超高斯阶数而被减少的图形范例。利用线300，对比增大的超高斯阶数来绘制用于利用一系列脉冲来进行激光剥离处理的范例节拍时间，从而证实了随着光束的均匀性增大的处理时间降低。利用线302，对比增大的超高斯阶数来绘制光脉冲的有效光斑尺寸，从而证实了随着光束的均匀性的增大，在激光剥离目标表面处的有效光斑尺寸更大。利用10kHz的选定脉冲重复率，使用四阶的超高斯的常规激光系统比本文中使用实现八阶或更大阶的超高斯形状的脉冲的光束整形的固态源范例慢大约三倍。如从该图表中能够看出的，由于在相同超高斯阶数增长上针对相同脉冲的有效光斑尺寸增长小于100％，所以该结果是违反直觉的。
图4A示出了不同超高斯阶数的光脉冲的横截面的标准化空间强度分布。图4B示出了在激光剥离目标处且大于特定剥离处理阈值的光束宽度的百分比如何根据超高斯阶数而增大。
鉴于所公开的发明的原理可以应用到许多可能的实施例，应当认识到所说明的实施例仅是本发明的优选实施例而不应当被当作对本公开的范围的限制。我们因此要求保护落在这些权利要求的范围和精神内的全部。

Claims (20)

1.一种激光剥离方法，包括：
生成多个固态激光脉冲；
将所述多个固态激光脉冲变换为紫外频率；
在形状上将所述多个激光脉冲在垂直横向轴上的横向空间强度曲线调节为矩形，其中，沿着每个横向轴的形状对应于八阶或更高阶的超高斯；并且
将所述多个激光脉冲沿着平行于所述横向轴中的一个的方向在目标上进行扫描，以便在目标上产生激光剥离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，矩形形状为方形形状。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，扫描的激光脉冲在所述目标处的空间范围彼此重叠小于20％。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述垂直横向轴中的每个上的经调节的横向空间强度曲线对应于至少十二阶的超高斯。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述脉冲在所述目标处的扫描方向上的长度至少为1.5mm或更长。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，传递到所述目标的所述激光脉冲每个都具有至少200mJ/cm2的脉冲积分通量。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，传递到所述目标的所述脉冲的脉冲重复率为至少10kHz。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述固态激光脉冲是利用固态盘形激光器而被生成的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，矩形脉冲的纵横比为5∶1或更小。
10.一种用于在目标上引起激光剥离的系统，所述系统包括：
脉冲固态激光器，其用于产生具有为激光剥离所选定的激光脉冲参数的激光脉冲；
频率变换器，其用于接收所述激光脉冲并对所述激光脉冲的频率进行变换；
波束整形光学器件，其用于接收所述激光脉冲并对所述激光脉冲在垂直横向轴上的横向强度曲线进行调节，使得所述曲线在每个横向轴上的形状对应于八阶或更高阶的超高斯；以及
扫描光学器件，其用于将经空间上调节的激光脉冲沿着平行于所述横向轴中的一个的方向指引到所述目标，以便在所述目标上引起激光剥离。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述频率变换器将所述激光脉冲变换为紫外频率。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，经调节的横向强度曲线的形状为矩形形状。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述矩形形状具有5∶1或更小的纵横比。
14.根据权利要求10所述的系统，其中，光脉冲在目标表面处的扫描方向上的长度为1.5mm或更宽。
15.根据权利要求10所述的系统，其中，所述激光脉冲在目标表面处具有200mJ/cm2或更大的脉冲积分通量。
16.根据权利要求10所述的系统，其中，所述脉冲固态激光器为盘形激光器。
17.根据权利要求10所述的系统，其中，所述脉冲固态激光器为棒形激光器。
18.根据权利要求10所述的系统，其中，在所述垂直横向轴中的每个上的经调节的横向空间强度曲线对应于至少十二阶的超高斯。
19.根据权利要求10所述的系统，其中，在垂直横向轴中的每个上的经调节的横向空间强度曲线对应于至少十四阶的超高斯。
20.根据权利要求10所述的系统，其中，所述激光脉冲以至少10kHz的脉冲重复率被提供到目标表面。
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