半导体激光行业的创新解决方案

针对半导体激光器这类高科技产品，为了持续开拓其市场空间和份额，仍有不少亟待攻克的技术瓶颈和挑战。譬如，光束质量在一定程度上限制了半导体激光器的应用。对此，为了最大程度地开发半导体激光器的市场应用潜力，在产品的设计中，应当将半导体激光光源技术与微光学光束整形技术紧密结合，激光光源和微光学整形技术的匹配和协同发展将为产品开辟更多的应用空间和可能性。

基于微光学的光束整形在某些应用中，能够实现合适的光斑形状、功率密度、光强分布，从而满足特定需求，并获得最高的应用价值。使用微光学整形后的脉冲或连续光源，相比传统点状光斑可大幅提高生产效率。尽管光学整形不能提升激光器的整体光束质量，但可以通过调节不同方向（快轴、慢轴）的光束质量分布，满足特定应用对激光能量密度、光束形状和能量分布等要素的要求，从而有效应用于自动驾驶激光雷达、OLED 柔性显示生产中的激光剥离、玻璃退火、塑料焊接、半导体集成电路晶圆退火、金属表面处理、铁路轨道检测、医疗健康等领域。对于特定的应用领域，通过光束整形能够实现激光传统应用方式的改变，减轻传统领域对激光光源高光束质量的严苛要求。

图1. 改变激光传统应用方式

长期以来，炬光科技致力为先进制造、医疗健康、科学研究、汽车应用、消费电子等领域提供标准化产品，并为客户提供定制化、个性化的产品和全套应用解决方案。其中，以半导体激光元器件和激光光学元器件为主的器件产品构成核心业务的基石。经过多年的技术积累，炬光科技已自主掌握多项半导体激光和激光光学核心技术。

◎ 共晶键合技术

该技术采用硬焊料AuSn和与芯片热膨胀系数相匹配的高热导率基材作为激光器的贴片材料，高温共晶键合，有效避免了铟的热疲劳、电热迁移和氧化等缺陷，大幅提高半导体激光器的工作寿命、环境适应性与存贮时间。

图2. 共晶键合技术示意图

◎ 热管理技术

优化散热结构，采用高导热材料，有效解决了高功率半导体激光器热管理问题，大幅提升了产品性能及可靠性，连续波半导体激光器功率已达150W/巴，准连续半导体激光器峰值功率已达500W/巴。

◎ 热应力控制技术

通过研究热应力对高功率半导体激光器性能的影响机理，炬光科技提出了降低和均匀化应力的方法和工艺技术，使得半导体激光器件的应力大大降低、均匀性显著提高，性能参数全面提高（譬如SMILE降低、偏振度提高，光谱变窄）。

◎ 界面材料与表面工程技术

炬光科技开发了材料表面处理技术，显著改善贴片材料表面的表面态，增强表面浸润特性，提高贴片的强度和长期可靠性；开发了金锡共晶合金薄膜制备技术，组分可调可控，实现稳定可靠的无铟化贴片。

图3.  界面材料与表面工程技术

◎ 测试分析诊断技术

炬光科技系统研究了高功率半导体激光器性能稳定性机制，提出了扩散阻碍层优化结构，开发了相应的制备工艺技术，大大提高了键合界面的可靠性与稳定性。

◎ 光束转换技术

炬光科技研发的光束转换技术（BTS）可将半导体激光器快慢轴两个方向光束质量极不对称的光束转换为两个方向具有基本相近光束质量的光斑。在亮度得到大幅提升的同时，光束转换系统也将产能提高了 30%，并能显著延长激光器使用寿命，提高处理速度。

图4. BTS技术能够将极端不对称的光束转变为基本对称光束

◎ 光场匀化技术

光场匀化技术应用于全球高端光刻机生产商的核心设备中。它将各类能量非均匀分布的激光光束转化为各个方向能量均匀分布的光斑，通过独特的光学设计级微透镜加工能力，实现业界高标准的光斑匀化。

图5. 炬光研发的独特的光场匀化技术，可实现任意形状的光斑匀化

◎ 线光斑整形技术

线光斑整形技术是将点状激光光斑整形成为具有高长宽比、高能量均匀性、微米级线宽的光学整形技术。炬光科技的线光斑整形技术可以做到将一束或多束（上至 12 束）对称光（如高斯光）整形和转化为超均匀高能量密度线光斑。当前炬光科技的750 mm线光斑系统，均匀度可达97%以上，已批量使用在业界领先的柔性 OLED 产线上。

◎  晶圆级同步结构化激光光学制造技术

晶圆级同步结构化激光光学制造技术能够实现零维（点）、一维(线)、二维(面）三个维度上对多种类型激光光束的精准整形和调控，以满足不同的应用需求。基于该技术可制备12英寸（300mm X 300mm）玻璃微光学晶圆、纳米级精度折射型微透镜元件（ROE）。

半导体激光技术的应用几乎覆盖整个光电子领域，无论是上游材料、光学元器件和基材产品，亦或是模块模组、半导体激光系统等，均能在传统及新兴产业领域觅得广阔的应用场景。

作为固体激光器、光纤激光器核心元器件，半导体激光器的性能将直接决定终端激光设备的品质。通常情况下，光纤激光器采用掺杂的玻璃光纤作为增益介质，利用光纤耦合半导体激光器泵浦后再通过谐振腔激发出激光。

对此，上游热沉材料非常关键，预制金锡陶瓷热沉以其热导率高，热膨胀系数与芯片匹配，可靠性高等优势，在光纤激光器泵浦源中得到广泛应用。炬光科技研发的 AMC 预制金锡薄膜陶瓷热沉材料和 AMM 预制金锡薄膜铜钨热沉材料突破了金锡薄膜制备关键技术，解决了激光二极管芯片键合工艺中导电导热性能优化和热应力控制问题，从而实现了光纤激光器泵浦源及高功率半导体激光器关键原材料的国产替代。

另外，基于微光学技术的快、慢轴准直镜为光纤激光器泵浦源中单个激光器芯片耦合接入单根光纤提供理想的解决方案。快轴准直镜 FAC 系列作为高功率半导体激光系统最重要的光学元件之一，炬光科技通过对其优化设计，使 92% 以上的功率都集中在准直后的角度内，94% 以上的光能都集中在高斯分布内，实现对光能的最大化利用。

当前，柔性屏（OLED）凭借其绚丽的色彩，已逐步攻占了智能手表、智能手机、平板电脑、笔记本电脑，以及汽车行业（可折叠显示器、仪表板显示器）等越来越多的领域，尤其是逐渐流行的折叠手机应用。为了应对这一趋势，各种尺寸的OLED生产工艺都取得了显著的进展。其中，作为OLED制程中不可或缺的激光剥离工艺（LLO）脱颖而出。

炬光科技开发的紫外固体激光剥离线光斑系统已被成功应用于OLED 制造领域，该系统已向中国、韩国及日本市场累计出货十余套，终端使用客户均为全球前五的知名 OLED 面板生产商。2021 年，其固体激光线光斑系统完成了在国内的首次生产调试，并顺利交付客户。系统采用公司自主知识产权的固体激光光学整形及匀化技术，可实现超高斯分布，并达到 97% 以上的光斑能量分布均匀性和超过±400?m 的焦深。公司通过提升光学设计和微透镜加工能力，实现 85% 以上的通光效率，提高固体激光光源的能量利用效率。该系统经客户测试验证，既可用于黄色 PI 膜的激光剥离，又可实现透明PI（CPI 膜）的良好剥离。

图6. 炬光科技的固体激光剥离线光斑系统在OLED生产制造中成为不可或缺的工艺

在现代半导体制造工业，例如光刻、半导体晶圆退火、面板显示等，以及工业加工，例如塑料焊接、激光熔覆等应用领域，半导体激光系统和激光光学元件也大有用武之地。

◎ 光刻

作为半导体器件制造工艺中的一个重要步骤，光刻工艺的主要作用是通过光与光敏材料的结合，将掩膜板上的几何图形结构刻蚀 到硅片衬底上。炬光科技能够为半导体光刻应用领域提供光刻机曝光系统中的核心激光光学元器件—光场匀化器，它是将光强分布不够均匀、不能满足特定应用需求的入射光通过光束整形变换为光强分布均匀性提高、能够满足应用需求的光学器件。这些光场匀化器采用优质材料制成，适用于多种不同激光光源，并可生成多种光束形状，光学效率高达 90%，助力降低高昂的激光能量成本。炬光科技可在不同的晶圆尺寸（最大 300mm）上生产高精度的自由曲面透镜，光场匀化器产品已批量应用于高端 DUV 光刻机中。 

◎ 半导体集成电路晶圆退火

随着超大规模集成电路制造技术的日益规模化，在 28nm 及以下的芯片制程中，传统的热退火工艺已经不能满足快速退火需求，半导体激光退火由此成为替代工艺，被视为关键制程之一。

例如，炬光科技推出的 DLight?S 系列半导体集成电路晶圆退火系统，结合了产生光子的共晶键合技术、激光光源热管理技术、热应力控制技术以及调控光子的激光光束转换技术和光场匀化技术，可生成一条线宽 70?m，长宽比达 160:1 的近红外波段极窄线光斑，在光斑长度方向上可达到＞ 95% 的光斑均匀性和＞ 98% 的连续输出能量稳定性。该产品能够完成动态表面退火（DSA）、激光尖峰退火（LSA）等加工工艺，通过高能量密度激光照射到晶圆表面，在不到 1 毫秒的时间内将表层原子层加热到 1000℃以上再急速冷却，从而有效减少工序中产生的晶圆电极缺陷，提高产品性能，提升晶圆生产良品率。值得一提的是，2020 年，炬光科技成功进入全球最大半导体晶圆代工制造商台积电的供应链中。

图7. DLight?S系列半导体集成电路晶圆退火系统能够完成动态表面退火（DSA）、激光尖峰退火（LSA）等加工工艺，打破了此类激光设备国外公司的垄断，填补了国内相关产品的空白。

◎ 塑料焊接

作为激光焊接的一个分支应用领域，激光塑料焊接是借助激光束产生的热量使塑料接触面熔化，进而将热塑性片材、薄膜或模塑零部件粘结在一起的加工技术。与传统的超声波焊、热板焊、振动摩擦焊、胶连接等工艺相比，激光塑料焊接在成本和性能上展现多重优势：焊缝精美牢固且密封性极佳；焊件表面无损伤，热变形小；焊接工艺易于操控，通过计算机软件控制激光，可焊接尺寸较小或外形复杂的工件；大幅降低焊接过程中产生的振动应力和热应力，可应用于易损坏或对耐久度要求高的产品（如汽车零部件、医疗器械和电子器件等），并延长其使用寿命。

在这一领域，炬光科技能够根据塑料焊接材质和形貌的差异，提供定制化的“激光+光学整形”解决方案。借助全球前沿的微光学光束整形匀化技术，可实现多样化的焊接光斑形状及高均匀度的激光能量分布，以满足轮廓焊、掩膜焊、同步焊、反射焊等多种焊接方式。此外，公司的半导体激光系统配置了闭环温度和能量控制系统，可对焊接过程进行全过程的温度实时采集和反馈，保障焊接工艺的高稳定性和一致性。毋庸置疑，只有实现高功率半导体激光光源与微光学光束整形技术的协同发展，才有持续拓宽半导体激光技术的应用边界，最终达到1+1>2的效果。

◎ 激光熔覆

作为一种高科技含量的表面改性与再制造技术，激光熔覆采用高能量激光作为热源，金属合金粉末作为焊材，通过激光与合金粉末同步作用于金属表面快速熔化形成熔池，再快速凝固形成致密、均匀并且厚度可控的冶金结合层。这种新材料熔覆层能够显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化以及电气特性，达到表面改性或修复目的，同时也可节省大量的材料成本。

然而，激光熔覆是一项高科技技术，要持续提升激光熔覆工艺效果和生产效率，还面临着一系列工艺和技术难点，其中包括构建完善的激光熔覆材料体系、有机控制激光功率、光斑尺寸、能量密度、粉末粒径、送粉量、熔覆线速度、熔覆步进和搭接等工艺参数等。

当前，半导体激光熔覆已被广泛应用于钢铁、石油、煤炭等重工业行业中大型机械设备零部件的制造和再制造领域，同时也在船舶、能源、轻工业等设备和部件的修复及强化领域展露身手。例如，炬光科技推出的 DLight 系列高功率半导体激光熔覆系统，专门针对金属表面处理应用优化设计，由小型化的高功率激光光源，具备完整控制和保护功能的电源控制系统以及双通路水冷系统构成，适用于各种大面积批量加工的激光熔覆应用场景。其优势和特点包括：激光能量密度为 120-150W/mm² 连续可调；激光光斑为 2*14mm/2*20mm，更高效、更均匀；激光能量分布均匀，光斑长度方向均匀性可达 90%；熔覆粉末利用率≥ 90%；先进的器件封装技术确保光源寿命；极佳的电光转化效率和极低的设备运营成本。

此外，在医疗健康、汽车应用、科研和消费电子等领域，也能够寻获到半导体激光的踪影。例如，半导体激光由于具有涵盖波长更广的特性，使其在脱毛、溶脂、嫩肤、荧光造影、外科手术、牙科等多个领域的应用场景持续拓展。

创新是企业发展的永续动力。长期以来，炬光科技十分重视技术和应用方面的创新和研发，致力将封装技术、材料科学与工程等专业领域做得更精、更专。例如，炬光科技出版了国际第一部关于高功率半导体激光器封装技术的专著《Packaging of High Power Semiconductor Lasers》，该著作详细介绍了高功率半导体激光器的封装设计技术，包括各种封装、加工和测试技术的特点和挑战；热应力失效的预防技术、热管理技术，以及半导体激光器封装的最新技术趋势等。

此外，炬光科技带领制定了《中国半导体激光器总规范》及《半导体激光器测试方式》两项国家标准。《半导体激光器总规范》规范了半导体激光器的通用要求和指标体系，《半导体激光器测试方法》规范了半导体激光器测试的方法和参数。此两项国家标准可以为生产和使用半导体激光器的企业提供技术参考和指导，对规范中国半导体激光器的市场，促进半导体激光产业发展，推动激光器行业技术水平及对激光产业结构调整和产业升级具有重要意义。

作为国家级高新技术企业，炬光科技主要从事激光行业上游的高功率半导体激光元器件（“产生光子”）、激光光学元器件（“调控光子”）的研发、生产及销售，目前正在拓展激光行业中游的光子应用模块和系统（“提供解决方案”，包括激光雷达发射模组等）的研发生产活动，为光刻机核心部件生产商，半导体和平板显示设备制造商，激光雷达整机企业，固体激光器、光纤激光器生产企业和科研院所，工业制造设备，医疗美容设备等提供核心元器件及应用解决方案。概况来说，采用的发展模式是基于上游卡脖子的行业位置，迈向中游大规模商业化的战略布局；兼具上游激光和光学两类核心元器件的高壁垒技术护城河；逐步走向中游激光雷达、泛半导体制程、家用医美大规模商业化拐点。