行业领域

新一代信息技术产业

需求背景

近年来，以GaN为代表的III-V族半导体在新型显示（Micro-LED）、5G通信、功率器件等前沿领域应用不断拓展。GaN基LED、Micro-LED及功率器件通常采用异质外延生长方式在蓝宝石衬底上制备。然而，蓝宝石衬底导电性差（绝缘体）、导热性不佳（约35 W/m·K），严重制约了器件的散热性能、电极设计和集成密度。为满足下一代显示和功率器件对高亮度、高效率、高集成度的需求，必须将GaN外延层从蓝宝石衬底剥离并转移至导热性、导电性更优的硅、铜或柔性基板上。一直以来，行业采用的传统剥离方法包括机械研磨、化学湿法腐蚀等，普遍存在效率低、易损伤、可控性差等不利因素，既无法满足Micro-LED巨量转移对百万级芯片高精度、高良率剥离的需求，更不能适应柔性显示、可穿戴设备等新兴应用对超薄、无损剥离的严格要求。发展高效、低损伤的GaN/蓝宝石激光剥离技术，提升新型显示和功率器件的制造水平与产业竞争力，已成为迫切需求。

激光剥离技术利用紫外激光（如248 nm KrF或355nm Nd:YAG三次谐波）透过透明的蓝宝石衬底，被界面附近的GaN吸收，引发GaN快速热分解（2GaN→2Ga+N₂），实现GaN薄膜与蓝宝石衬底的分离。该技术已在Micro-LED巨量转移和垂直结构功率器件制造中展现出重要应用前景。然而，现有LLO技术在产业化应用中仍面临诸多瓶颈：激光束能量分布不均易导致局部过热，引发GaN层微裂纹；Ga分解产生的液态Ga残留物若清洗不彻底，可使器件漏电流显著增加；大面积（≥ 6英寸）晶圆剥离的均匀性难以保证；选择性剥离精度和巨量转移效率尚不能满足Micro-LED商业化对转移良率≥ 99.99%的严苛要求。据行业调研，当前单片6英寸GaN/蓝宝石晶圆的LLO加工时间约10~15分钟，远未达到量产级效率要求；剥离后界面Ga残留控制和薄膜完整性保持仍是制约良率的关键因素。因此，研发适用于6英寸及以上大尺寸GaN/蓝宝石晶圆、实现界面低损伤剥离、Ga残留物有效控制、选择性剥离精度± 2 μm、单片剥离时间≤ 5分钟的高通量激光剥离技术与装备，对我国Micro-LED新型显示产业和GaN功率器件产业的发展具有重要意义。

需解决的主要技术难题

1. 蓝宝石/GaN界面热应力与裂纹抑制：蓝宝石（CTE ≈ 5.6×10⁻⁶/K）与GaN（CTE ≈ 5.59×10⁻⁶/K）热膨胀系数存在差异，激光瞬态加热（界面温度可达1000℃以上）导致不均匀膨胀，易在GaN薄膜中产生微裂纹，尤其对厚度<10 μm的薄膜。需通过激光脉冲宽度（皮秒）、能量密度和扫描重叠率的优化，结合缓冲层设计，将裂纹密度降至零，表面无可见裂纹。

***分解残留物控制与表面清洁：GaN光解产生的液态Ga易在界面残留，不仅增加表面粗糙度，更会导致器件漏电严重。实验表明，残留Ga可使漏电流增加200倍。需精确控制激光能量密度（低于108 kW/cm²避免过度熔融，高于64 kW/cm²保证有效剥离）并辅以稀释盐酸或H₂SO₄/H₂O₂清洗，实现剥离后表面无Ga液滴残留。

3. 大面积均匀剥离与选择性转移：Micro-LED显示需要选择性剥离特定芯片并转移至驱动背板，对激光束的均匀性和形状（线形/矩形平顶光束）要求极高。传统高斯光束中心能量过高易损伤，边缘不足。需开发衍射光学元件（DOE）或空间光调制器（SLM）实现平顶光束，使能量不均匀度< 5%，同时实现选择性区域剥离（精度± 2 μm），以支持巨量转移。

期望实现的主要技术目标

a. 可剥离晶圆尺寸：≥ 6英寸（兼容4英寸、6英寸及8英寸蓝宝石衬底）

b. 单片剥离时间：≤ 5分钟（6英寸）

c. 热影响区（HAZ）厚度：≤ 100 nm

d. 剥离后GaN薄膜表面粗糙度：Ra ≤ 0.5 nm（1 μm × 1 μm范围）

e. 剥离界面Ga残留物：经清洗后低于XPS检测限（<0.1 at%）

f. 剥离后薄膜裂纹：光学显微镜（1000×）下无可见裂纹

g. 剥离后GaN薄膜残余应力：≤0.08 GPa（Raman表征）

h. 光致发光（PL）强度保持率：≥95%

i. 剥离良率：≥99.5%（6英寸）

j. 能量密度控制精度：±5%以内，实现平顶光束均匀度>95%