[发明专利]激光剥离LED衬底的系统及方法

说明书

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。