極短脈衝雷射壓縮技術與其化合物半導體應用研究

摘要：隨著工業雷射應用之多元化，脈衝雷射需求日趨強烈，但礙於現有技術與材料限制，目前雷射脈衝寬度多落於皮秒或次皮秒等級，本文目標為將工業雷射之頻譜做進一步展寬達飛秒等級之極短脈衝，並應用於現今全球積極搶進的第三代化合物半導體市場，如晶柱切割、晶錠表面 / 內部改質、焊接及封裝等之精微加工。將脈衝壓縮至飛秒等級之脈衝雷射，於加工應用上使材料於超短脈衝之照射下有別於長脈衝雷射，具非線性光學之吸收特性，可於表面及透明材料內部進行至微米或奈米尺度之超精密加工，對於化合物半導體製程在加工時程及品質上可大幅提升。

Abstract：With the diversification of industrial lasers applications, the demand for pulsed lasers is becoming increasingly strong. However, due to the limitations of existing technologies and materials, the current laser pulse width is mostly at the level of picosecond or sub-picosecond. The goal of this article is to further broaden the spectrum of industrial lasers to ultra-short pulses of sub-hundred femtosecond level, and apply them to the third-generation compound semiconductor market that is actively entering the world today. Such as laser
cutting, laser surface/internal modification of materials, laser welding and laser packaging, etc.The pulse laser
that compresses the pulse to the femtosecond level makes the material different from the long pulse laser under
irradiation of ultra-short pulse in processing application, and its processing mechanism is different from that of
long-pulse laser processing (such as nanosecond, sub-nanosecond or even picosecond level or continuous laser).
The ultra-short pulse laser has the absorption characteristics of nonlinear optics, ultra-precision processing to the
micron or nanometer scale can be carried out on the surface and inside transparent materials. For the compound
semiconductor process, the processing time and quality can be greatly improved. It can be said to be the best
solution to the current process cost dilemma.

關鍵詞：極短雷射、脈衝壓縮、化合物半導體改質

Keywords：Ultrashort pulse laser, Pulse compression technology, Laser modification of compound semiconductor

前言
隨著電動車、5G、再生能源等產業之興起與快速普及，高功率、高效能之電力元件的需求帶動化合物半導體的蓬勃發展，不僅全球國際大廠爭相投入，更甚者將其視為國家戰略重點。半導體材料的發展，已從第一代的矽、演進至第三代，以氮化鎵及碳化矽（以下統稱 SiC，為此次實驗使用之主要材料）為主的寬能隙化合物半導體，並根據研究機構 Allied Market Research 以其市場規模與角度評估，預計於 2024 年產值將達 530 億美元，而臺灣的的半導體產業雖佔全球約 20%，但許多關鍵設備與材料多仰賴進口，面對近年來韓國與中國的競爭，加上 2020 年疫情的影響，在地化產業鏈的思維逐漸成為現今產業前進之方向。
因此，半導體製程設備國產化將成為國內半導體產業鏈穩固的重要議題之一。

在現今高精微之製程技術上，脈衝雷射之加工由於具備高精準性、高速、以及高品質而相當受到青睞，然而，由於雷射脈衝在時間寬度上對於加工效果的影響非常顯卓，奈秒甚至是數百皮秒等級之脈衝在加工的過程中容易將過多能量積累於被加工的材料之中，導致多餘熱量殘留加工區域周圍，進而造成炙燒加工痕跡，最終將對產品品質產生影響，也因此現象於一些特殊材料的製程上會更為顯著，極短脈衝雷射設備之發展與其製程技術之進步因而更趨具其必要性。而為因應科技的快速發展與進步，現代工業級之高階雷射設備雖然已能提供脈衝寬度於數百飛秒等級之雷射源模組，且其應用之製程技術亦逐漸開發完整與成熟。不過，該脈衝之寬度對於某些熱敏感材料 ( 如 : 聚合物 ) 仍是過長而不適合加工，因此，如何利用非線性脈衝壓縮將雷射脈衝更進一步縮短便是極為關鍵與打進更高階第三代化合物半導體應用的一步。

本文將先利用模擬之方式，研究使用不同介質時所產生之高階非線性光學特性 ( 如 : 自相位調變、自陡峭效應等 ) 對於雷射初始頻寬展寬之倍數影響做出一極短脈衝雷射技術開發結論，接著，將其實際應用至化合物半導體之加工上，並針對各項雷射輸出以及設備調整參數做優化，目標為提升目前國際上於高值化合物半導體製程在時間與品質上消耗成本。