CN111489968B - 一种激光辅助加热退火的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光辅助加热退火的方法，包括：根据所述加热退火装置内的待退火材料，确定激光的特定波长，选择激光器；根据所述待退火材料、所述加热区面积，获得所述待退火材料的退火要求；根据所述退火要求、所述特定波长的激光光束，调整所述激光器与所述加热区的位置关系及光学镜组角度；根据所述退火要求，控制所述激光器发射所述特定波长的激光光束，所述激光光束通过所述光学镜组，使所述激光光束聚焦于所述加热区并达到所述退火要求。解决对微小区域面积的退火不能进行特定精细分区加热的技术问题。实现自由空间区域的精密选择，针对不同退火材料选择合适激光器，通过激光聚焦直接加热的方式在退火温度及退火速率提升的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种激光辅助加热退火的方法。
背景技术
退火作为一种普遍采用的工艺技术，广泛应用于材料改性及工艺优化，目前主要使用的设备是(快速)热退火炉(管炉)，通常将被加热材料或者器件整体置于腔体(管炉)中，采用热电偶或者卤素灯对材料进行加热，加热方式为热辐射或者光辐照，只能对材料或者器件进行整体加热，同时存在退火温度存在上限、冷却时间长等瓶颈限制，需设计一种快速加热，快速冷却，同时对退火区域位置可控，自由选择的方法来解决上述问题。
但本发明申请人发现现有技术至少存在如下技术问题：
现有技术中对于微小区域面积的退火，不能进行特定精细分区加热，存在影响产品性能和生产效率的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种激光辅助加热退火的方法，解决了现有技术中对于微小区域面积的退火，不能进行特定精细分区加热，存在影响产品性能和生产效率的技术问题。
鉴于上述问题，本发明提供了一种激光辅助加热退火的方法，所述方法应用于一加热退火装置，所述装置包括激光器、光学镜组，所述方法包括：根据所述加热退火装置内的待退火材料，确定激光的特定波长，选择所述特定波长的激光光束对应的所述激光器；获得所述待退火材料的加热区的位置、面积；根据所述待退火材料、所述加热区面积，获得所述待退火材料的退火要求；根据所述退火要求、所述特定波长的激光光束，调整所述激光器与所述加热区的位置关系及所述光学镜组的角度；根据所述退火要求，控制所述激光器发射所述特定波长的激光光束，所述激光光束通过所述光学镜组，使所述激光光束聚焦于所述加热区并达到所述退火要求。
优选的，所述根据所述待退火材料、所述加热区面积，获得所述待退火材料的退火要求，所述退火要求包括退火时间、加热温度、加热光斑面积。
优选的，所述根据所述退火要求，控制所述激光器发射所述特定波长的激光光束，所述激光光束通过所述光学镜组，使所述激光光束聚焦于所述加热区并达到所述退火要求，包括：根据所述退火要求，获得所述退火时间、加热温度；控制所述激光器发射所述特定波长的激光光束通过所述光学镜组聚焦于所述加热区内，持续加热所述退火时间后，使所述加热区的温度达到所述加热温度。
优选的，所述根据所述加热退火装置内的待退火材料，确定激光的特定波长，包括：根据所述待退火材料，选择所述待退火材料吸收率高的激光波长作为所述特定波长激光。
优选的，所述加热区为微米量级。
优选的，所述激光器为直接半导体激光器或以半导体激光器为泵浦源的固体激光器。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
本发明实施例提供的一种激光辅助加热退火的方法，所述方法应用于一加热退火装置，所述装置包括激光器、光学镜组，所述方法包括：根据所述加热退火装置内的待退火材料，确定激光的特定波长，选择所述特定波长的激光光束对应的所述激光器；获得所述待退火材料的加热区的位置、面积；根据所述待退火材料、所述加热区面积，获得所述待退火材料的退火要求；根据所述退火要求、所述特定波长的激光光束，调整所述激光器与所述加热区的位置关系及所述光学镜组的角度；根据所述退火要求，控制所述激光器发射所述特定波长的激光光束，所述激光光束通过所述光学镜组，使所述激光光束聚焦于所述加热区并达到所述退火要求。通过所述激光器与所述待退火材料的位置调整及所述多光学镜组角度的调整也可以对所述加热光斑的面积进行调整，通过不同波长激光光源、调整加热光斑面积、控制加热时间实现加热区域精确控制，满足退火要求，提高了产品的加工速度及产品性能的技术效果，从而解决了现有技术中对于微小区域面积的退火，不能进行特定精细分区加热，存在影响产品性能和生产效率的技术问题。实现自由空间区域的精密选择，同时针对不同退火材料，选择合适波段及类型的激光器，通过激光聚焦直接加热的方式在退火温度及退火速率方面获得更高的提升。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
图1为本发明实施例的一种激光辅助加热退火的方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中半导体激光器芯片结构示意图；
图3本发明实施例中非吸收窗口制备示意图；
图4本发明实施例中互扩散量子阱能带变化示意图；
图5本发明实施例中光漂白制备有机聚合物光波导示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种激光辅助加热退火的方法，用于解决现有技术中对于微小区域面积的退火，不能进行特定精细分区加热，存在影响产品性能和生产效率的技术问题。
本发明提供的技术方案总体思路如下：
根据所述加热退火装置内的待退火材料，确定激光的特定波长，选择所述特定波长的激光光束对应的所述激光器；获得所述待退火材料的加热区的位置、面积；根据所述待退火材料、所述加热区面积，获得所述待退火材料的退火要求；根据所述退火要求、所述特定波长的激光光束，调整所述激光器与所述加热区的位置关系及所述光学镜组的角度；根据所述退火要求，控制所述激光器发射所述特定波长的激光光束，所述激光光束通过所述光学镜组，使所述激光光束聚焦于所述加热区并达到所述退火要求。达到了通过所述激光器与所述待退火材料的位置调整及所述多光学镜组角度的调整也可以对所述加热光斑的面积进行调整，实现自由空间区域的精密选择，同时针对不同退火材料，选择合适波段及类型的激光器，通过激光聚焦直接加热的方式在退火温度及退火速率方面获得更高提升的技术效果。
应理解，本发明实施例中，所述泵浦源是对激光工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转。根据工作物质和激光器运转条件的不同。可以采取不同的激励方式和激励装置。常见的有以下4种:电激励、光学激励(光泵浦)、气体放电激励、化学激励。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
图1为本发明实施例中一种激光辅助加热退火的方法的流程示意图。本发明实施例提供了一种激光辅助加热退火的方法，所述方法应用于一加热退火装置，所述装置包括激光器、光学镜组，请参考图1，所述方法包括：
步骤10：根据所述加热退火装置内的待退火材料，确定激光的特定波长，选择所述特定波长的激光光束对应的所述激光器。
进一步的，所述根据所述加热退火装置内的待退火材料，确定激光的特定波长，包括：根据所述待退火材料，选择所述待退火材料吸收率高的激光波长作为所述特定波长激光。
进一步的，所述激光器为直接半导体激光器或以半导体激光器为泵浦源的固体激光器。
具体而言，由于不同的材料对激光的吸收率不同，吸收率不同导致升温特性的差异，依据所述升温特性的差异，根据所述待退火材料选择对应的特定波长的激光，所述特定波长的激光为待退火材料吸收率高的波长激光，选择与所述波长相对应的激光器，所述激光器可根据具体需要进行调整、更换或者定制，由于所述特定波长的激光为所述待退火材料吸收率高的波长因而其加热速度会较快。
步骤20：获得所述待退火材料的加热区的位置、面积。
进一步的，所述加热区为微米量级。
具体而言，本发明实施例的方法针对解决微小区域的退火控制，针对的待退火区为微米量级的微小区域，通常为100*100μm，也可以根据实际应用及激光光斑进行调整。
步骤30：根据所述待退火材料、所述加热区面积，获得所述待退火材料的退火要求。
步骤40：根据所述退火要求、所述特定波长的激光光束，调整所述激光器与所述加热区的位置关系及所述光学镜组的角度。
进一步的，所述根据所述待退火材料、所述加热区面积，获得所述待退火材料的退火要求，所述退火要求包括退火时间、加热温度、加热光斑面积。
具体而言，根据所述待退火材料和加热区的面积，获得退火要求，根据退火要求和特定波长的激光光束，通过所述激光器与所述待退火材料的位置关系调整、所述光学镜组角度的调整，利用所述光学镜组对所述激光光束进行多次传输实现对所述待退火材料三维空间位置的精确选择，达到了精确控制加热区域的技术效果。
步骤50：根据所述退火要求，控制所述激光器发射所述特定波长的激光光束，所述激光光束通过所述光学镜组，使所述激光光束聚焦于所述加热区并达到所述退火要求。
进一步的，所述根据所述退火要求，控制所述激光器发射所述特定波长的激光光束，所述激光光束通过所述光学镜组，使所述激光光束聚焦于所述加热区并达到所述退火要求，包括：根据所述退火要求，获得所述退火时间、加热温度；控制所述激光器发射所述特定波长的激光光束通过所述光学镜组聚焦于所述加热区内，持续加热所述退火时间后，使所述加热区的温度达到所述加热温度。
具体而言，激光作为一种功率密度非常高的光源，可以在照射区域的单位面积上集中极高的功率。因此对于特定的材料，选择高吸收率波段的激光光源进行辐照，可将光能快速转换为热能，达到快速升温的效果，同时，激光作为一种定向性非常好的光源，可以将光束聚焦至微米量级，同时通过高速扫描振镜在极小范围内控制光束的三维位置选择，实现精确控制加热区域。通过所述激光器与所述待退火材料的位置调整及所述多光学镜组角度的调整，使所述激光器发射的激光通过所述光学镜组多次传送聚焦于所述待退火材料的加热区内，实现位置的精准定位，同时通过所述激光器与所述待退火材料的位置调整及所述多光学镜组角度的调整也可以对所述加热光斑的面积进行调整，通过不同波长激光光源、调整加热光斑面积、控制加热时间实现加热区域精确控制，满足退火要求，提高了产品的加工速度及产品性能的技术效果，从而解决了现有技术中对于微小区域面积的退火，不能进行特定精细分区加热，存在影响产品性能和生产效率的技术问题。实现自由空间区域的精密选择，同时针对不同退火材料，选择合适波段及类型的激光器，通过激光聚焦直接加热的方式在退火温度及退火速率方面获得更高的提升。
实施例二
为了更好的介绍本发明的一种激光辅助加热退火的方法的技术特点和用途，下面将结合具体实施例来对本发明的应用情况进行说明，请参考2-4。
本发明的一种激光辅助加热退火的方法应用于半导体激光器芯片制作中，所述半导体激光器芯片制作过程中需要将晶圆片解理成芯片尺寸，图2为半导体激光器芯片结构示意图，如图2所示，芯片出光区域集中于量子阱有源层(1*100μm2量级范围)极小区域内，当单管芯出光功率达到20W时，出光腔面光功率密度高达20MW/cm2，产生大量的热量，腔面受热导致材料带隙收缩形成光吸收，出光区域产生灾变性光学损伤(CatastrophicOptical Mirror Degradation，COMD)导致器件性能下降甚至损毁失效，因此，如何提高激光芯片腔面损伤阈值，减少腔面光吸收，是高功率半导体激光芯片性能提升过程中亟待解决的问题。
目前通过理论研究可采用量子阱互扩散技术制备非吸收窗口，对腔面附近区域材料进行能带调制，图3为非吸收窗口制备示意图，如图3所示，增益区和窗口区分别沉积不同化学计量比的介质层薄膜，通过不同温度的退火处理，介质层薄膜材料中产生空位，增益区介质层形成的空位较少，窗口区介质层形成大量的空位，高温条件下一些空位向器件内部量子阱中扩散，导致阱层垒层原子互扩散，量子阱组分发生改变，形成互扩散量子阱结构，请参考图4，其中，图4中hv是光子能量，箭头方向表示光束，Eg0和Eg1表示禁带宽度，且，Eg1＞Eg0，ΔEg表示禁带展宽程度。从而增大腔面附近材料带隙，大幅提升COMD损伤阈值，提高芯片的光输出效率及使用寿命。
实施例三
本发明实施例为一种激光辅助加热退火的方法在光波导上面的具体应用，光波导中使用的聚合物为有机物、无机物的结合，可见本发明一种激光辅助加热退火的方法应用前景广泛，请参考图5。
光波导是引导光波在其中传播的介质装置，一般分为两大类，一类是集成光波导，包括平面(薄膜)介质光波导和条形介质光波导，通常是光电集成器件的一部分；另一类是圆柱形光波导，常见的为光纤。作用原理为制备不同折射率的材料，利用光的全反射特性使光路的传输限制在特定区域内，达到降低传输衰减损耗的目的。
相对于半导体Si基光波导，聚合物光波导具有较低的光损耗和较小的双折射，具有较高的电光耦合系数，较低的介电常数，响应时间短，热损小，而且制作工艺简单，可大规模生产，可适用于制作大型光学器件和挠性器件，具有深远的应用前景。
聚合物光波导的制作方法主要包括光漂白法(包含光刻技术)、沉积电极加热法等。
光漂白法一般采用极性大、混溶性好的溶剂(如分散红DRI)作为发色团，掺杂聚甲基烯酸甲酯(PMMA)或聚酰亚胺(PI)，于无机材料基片上制成薄膜，并通过光刻对特定区域进行光漂白，波导薄膜在不同波长的紫外光照射下，会导致发色团的双键断裂或分子构象变化，引起薄膜收缩，波导传输模式的有效折射率也随之发生变化，如图5所示，图5为光漂白制备有机聚合物光波导示意图，通过调整曝光时间可方便地控制波导薄膜的折射率分布，实现目标性能的光波导制备。沉积电极加热法利用聚合物的热光效应(光介质的光学性质随温度变化而变化)，在聚合物光波导的上包层上沉积加热电极，通过施加电压使加热电极发热，将热量传递至波导芯层，实现波导芯层有效折射率的变化。
上述两种常用方法的最终目的均是为改变特定选择区域聚合物的折射率实现光波导制备，辅助工艺包括光刻、光漂白、电极制作等，工艺较为复杂。
本发明实施例所述的一种激光辅助加热退火的方法可利用热光效应直接对聚合物光波导上包层实现选区加热，同时通过选择不同波长激光光源、调整加热光斑面积、控制加热时间实现加热区域聚合物折射率的精确调控，制备高性能的聚合物光波导。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
本发明实施例提供的一种激光辅助加热退火的方法，所述方法应用于一加热退火装置，所述装置包括激光器、光学镜组，所述方法包括：根据所述加热退火装置内的待退火材料，确定激光的特定波长，选择所述特定波长的激光光束对应的所述激光器；获得所述待退火材料的加热区的位置、面积；根据所述待退火材料、所述加热区面积，获得所述待退火材料的退火要求；根据所述退火要求、所述特定波长的激光光束，调整所述激光器与所述加热区的位置关系及所述光学镜组的角度；根据所述退火要求，控制所述激光器发射所述特定波长的激光光束，所述激光光束通过所述光学镜组，使所述激光光束聚焦于所述加热区并达到所述退火要求。通过所述激光器与所述待退火材料的位置调整及所述多光学镜组角度的调整也可以对所述加热光斑的面积进行调整，通过不同波长激光光源、调整加热光斑面积、控制加热时间实现加热区域精确控制，满足退火要求，提高了产品的加工速度及产品性能的技术效果，从而解决了现有技术中对于微小区域面积的退火，不能进行特定精细分区加热，存在影响产品性能和生产效率的技术问题。实现自由空间区域的精密选择，同时针对不同退火材料，选择合适波段及类型的激光器，通过激光聚焦直接加热的方式在退火温度及退火速率方面获得更高的提升。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种激光辅助加热退火的方法，其特征在于，所述方法应用于一加热退火装置，所述装置包括激光器、光学镜组，所述方法包括：
根据所述加热退火装置内的待退火材料，确定激光的特定波长，选择所述特定波长的激光光束对应的所述激光器；
获得所述待退火材料的加热区的位置、面积；
根据所述待退火材料、所述加热区面积，获得所述待退火材料的退火要求；
根据所述退火要求、所述特定波长的激光光束，调整所述激光器与所述加热区的位置关系及所述光学镜组的角度；
根据所述退火要求，控制所述激光器发射所述特定波长的激光光束，所述激光光束通过所述光学镜组，使所述激光光束聚焦于所述加热区并达到所述退火要求；
其中，所述根据所述待退火材料、所述加热区面积，获得所述待退火材料的退火要求，所述退火要求包括退火时间、加热温度、加热光斑面积；
其中，所述根据所述加热退火装置内的待退火材料，确定激光的特定波长，包括：
根据所述待退火材料，选择所述待退火材料吸收率高的激光波长作为所述特定波长激光；
所述根据所述退火要求，控制所述激光器发射所述特定波长的激光光束，所述激光光束通过所述光学镜组对所述激光光束进行多次传输实现对所述待退火材料三维空间位置的精确选择，使所述激光光束聚焦于所述加热区并达到所述退火要求，包括：
控制所述激光器发射所述特定波长的激光光束通过所述光学镜组聚焦于所述加热区内，持续加热所述退火时间后，使所述加热区的温度达到所述加热温度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热区为微米量级。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光器为直接半导体激光器或以半导体激光器为泵浦源的固体激光器。
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