張孝其，張雨，韓微微，王宏智

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176）

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硬脆材料的激光引導(dǎo)冷分離技術(shù)

張孝其，張雨，韓微微，王宏智

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176）

介紹了一種新型、節(jié)能的硬脆材料分離技術(shù)。該技術(shù)使用隱形激光打點(diǎn)使晶錠上部形成分離層，通過將高分子分離材料涂覆在待分離的晶圓薄片表面并冷凍使晶圓薄片分離。描述了該技術(shù)的主要工作流程和工藝特點(diǎn)，將該技術(shù)與目前常用的金剛線切割技術(shù)進(jìn)行了比較，分析了該技術(shù)的特點(diǎn)并展望了該技術(shù)的應(yīng)用前景。

激光隱形打點(diǎn)；等離子掃描；冷凍分離

晶圓基片的生產(chǎn)過程中，需要將拋光后的晶錠進(jìn)行切割，使晶圓片與晶錠分離，分離后的晶圓片經(jīng)過拋光、減薄等工藝后，才能制備出符合應(yīng)用要求的晶圓基片。在晶圓薄片與晶錠分離這個(gè)生產(chǎn)流程中，以線切割為主要生產(chǎn)方式，該生產(chǎn)方式工藝成熟，但存在材料利用率低，廢品多的特點(diǎn)。本文介紹了一種新型的晶圓分離技術(shù)，該技術(shù)使用隱形激光加工技術(shù)，在晶錠內(nèi)部形成角質(zhì)層點(diǎn)平面，之后在其上涂覆特制的高分子分離材料，并冷凍，分離材料遇冷收縮，使晶圓薄片分離出來。該技術(shù)材料利用率高，并具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

1　冷分離技術(shù)

晶棒經(jīng)過高精度拋光機(jī)拋光后加工表面非常光潔，采用飛秒激光對(duì)晶棒上部光潔表面進(jìn)行隱形打點(diǎn)，形成一層隱形角質(zhì)層點(diǎn)平面，隱形點(diǎn)的深度就是要分離晶圓片的厚度，隱形點(diǎn)在平面上的z向分布就是分離后晶圓面的平整度。用涂膠工藝在光潔面上均勻涂一層分離膠，然后對(duì)分離膠進(jìn)行等離子掃描，使其活化，粘貼上分離膜；將晶棒體放入密封容器中，加入液態(tài)氮，保持-100℃～-150℃之間不同的時(shí)間階段。在寒冷環(huán)境條件下，分離膠劇烈收縮，最后將帶分離膜的晶圓片通過隱形的角質(zhì)層從晶棒上分離，浸泡、除膠、去膜，得到一片晶圓。其流程見圖1所示。

圖1　加工工藝流程圖

晶棒表面拋光：晶棒拋光前須粘接在專用設(shè)計(jì)的安裝托盤上，采用機(jī)械化學(xué)拋光機(jī)進(jìn)行拋光加工。拋光一是為了保證拋光面與托盤安裝面平行，二是便于激光隱形打點(diǎn)，保證分離晶圓片表面光潔度。拋光完成后，清洗干凈，烘干，進(jìn)入下道工序。

激光隱形打點(diǎn)：隱形打點(diǎn)的作用就是便于冷凍分離，點(diǎn)陣越密集，分離就越容易。根據(jù)晶棒材料不同，選用不同波長的皮秒激光或飛秒激光進(jìn)行激光隱形打點(diǎn)，首先檢測(cè)晶棒表面距離聚焦鏡的高度，確定打點(diǎn)深度。由于是隱形打點(diǎn)，必須具有完整的材料工藝數(shù)據(jù)庫。晶棒加工表面的平整度影響隱形打點(diǎn)深度分布，決定了分離后晶圓片的表面質(zhì)量。激光隱形打點(diǎn)也是該工藝線的技術(shù)瓶頸，不同材料需要選用不同波長的激光器，二是飛秒激光器非常昂貴，增大了生產(chǎn)成本，三是飛秒激光器功率現(xiàn)在小于100 W，影響了隱形打點(diǎn)效率。比如激光器經(jīng)傳輸光路整形輸出打點(diǎn)陣列為3 μm×3 μm，50 mm（2英寸）的晶棒打點(diǎn)需要50～60 min，這大大限制了整線效率。隨著激光器功率的不斷增大和多點(diǎn)陣列打印技術(shù)的成熟，激光隱形打點(diǎn)效率將提高到約10 min/片。另外，由于光路聚焦原理的限制，隱形打點(diǎn)后需要在晶圓圓周面分離線上激光開槽，便于分離。激光加工見圖2所示。

圖2　激光加工示意圖

表面涂膠：選用自動(dòng)勻膠機(jī)在拋光面均勻涂敷一層分離膠，厚度根據(jù)膠的濃度和分離晶圓片厚度確定。

表面貼膜：等離子掃描分離膠，使膠活化。充入氧氣或氮?dú)猓訜嶂?0°，加壓，抽真空，貼上分離膜，保持10 min。

冷凍分離：將晶棒體放入分離室內(nèi)，密封。充入液氮，使密室溫度降至-100°，預(yù)冷，保持一段時(shí)間，再充入液氮，密室溫度降至-150°，保持2 min，晶圓片從晶棒上迸裂分離。打開密室，讓晶棒迅速回到常溫。

浸泡出膠：取出帶膜的晶圓片，浸泡在一種弱酸溶液中，等待分離膠和貼膜完全脫落，得到一片晶圓。為加快分離膠分解速度，可以使用超聲清洗。

2　技術(shù)特點(diǎn)分析

激光導(dǎo)引冷分離技術(shù)與傳統(tǒng)的金剛線切割相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：無切槽，可節(jié)省材料20%以上；該技術(shù)非常適合于新型硬脆材料切割，如SiC、AlN等；冷分離技術(shù)是晶棒的一片一片剝離，可以說成品率100%，而傳統(tǒng)的切割方法會(huì)遇到斷線、停電等不可抗拒因素時(shí)，很容易出現(xiàn)廢品，且經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)崩邊、崩角等缺陷，成品率95%左右；一根晶棒上可以根據(jù)需求切割出不同厚度的晶圓片，金剛線切割幾乎做不到；幾乎沒有伴生廢料，只有分離膠的回收，節(jié)能環(huán)保；所使用的設(shè)備、技術(shù)都是成熟的，借鑒容易。該技術(shù)既滿足于大批量規(guī)模生產(chǎn)，又適合于小批量多品種切片。同時(shí)冷分離技術(shù)的缺點(diǎn)表現(xiàn)明顯：由于晶棒的反復(fù)加工、搬運(yùn)，對(duì)于大于200 mm（8英寸）以上硅晶棒，質(zhì)量從200多公斤減少到零點(diǎn)幾公斤，拋光設(shè)備，激光設(shè)備、涂膠設(shè)備等設(shè)備的適用性很難滿足；激光隱形打點(diǎn)是該工藝的技術(shù)瓶頸，影響了整個(gè)工藝線的效率。隨著激光技術(shù)的突破，激光功率的不斷增加，技術(shù)瓶頸正在逐步取得突破；該技術(shù)現(xiàn)處于實(shí)驗(yàn)室階段，沒有現(xiàn)成的設(shè)備和規(guī)模生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，整個(gè)技術(shù)還在不斷改進(jìn)完善之中，推廣應(yīng)用急需大量的資金和專業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)；分離膠是專利技術(shù)，由德國專業(yè)廠家壟斷生產(chǎn)，價(jià)格不可控，容易受制于人。

3　總結(jié)及展望

激光引導(dǎo)冷分離技術(shù)完全顛覆了我們傳統(tǒng)的金剛線切割硬脆材料的工藝方法，具有耳目一新的感覺?；驹砭褪抢脤Ｓ媚z在冷凍條件下劇烈收縮，帶動(dòng)薄片從晶棒上剝離，剝離層必須用激光隱形打點(diǎn)形成破壞層。整個(gè)工藝過程都是采用物理的方法加工，不會(huì)破壞金棒材料的分子結(jié)構(gòu)，保持了材料原有特性。

該技術(shù)已經(jīng)完成了所有工藝試驗(yàn)，處于推廣應(yīng)用階段。影響效率的瓶頸技術(shù)激光隱形打點(diǎn)設(shè)備正在加緊研制中，5×5陣列激光打點(diǎn)已經(jīng)成功，不久將推出9×9陣列，打點(diǎn)時(shí)間將縮短到15 min以內(nèi)。在實(shí)際設(shè)備研制中，發(fā)現(xiàn)有許多工序可優(yōu)化改進(jìn)提升，比如晶棒打點(diǎn)，一次放入兩根晶棒打點(diǎn)，可以提高效率30%；比如活化分離膠的充氣加熱，可以改進(jìn)多片一次完成；除膠選用超聲振動(dòng)等，完全可以將效率提高到10 min/片以內(nèi)，效率提升還有較大的空間。

冷分離技術(shù)最顯著的特點(diǎn)就是分離沒有切口，與傳統(tǒng)的切割方法比較，材料利用率提高20%～50%以上（切片越薄越節(jié)省材料）。分離表面質(zhì)量明顯高于現(xiàn)有工藝，晶圓片表面稍作精密拋光，就能滿足半導(dǎo)體工藝線要求。工藝過程還有改進(jìn)空間，工序時(shí)間可以繼續(xù)壓縮，減少能量消耗，符合節(jié)能環(huán)保理念。建議由國家科研機(jī)構(gòu)或?qū)崢I(yè)團(tuán)體牽頭，籌集資金，組建研發(fā)隊(duì)伍，盡快在國內(nèi)SiC材料切割線上推廣試用。

Laser Guide Cold Split Technology for Hard and Crisp Ingot

ZHANG Xiaoqi，ZHANG Yu，HAN Weiwei，WANG Hongzhi
（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China）

This paper introduces a cold split method for split SIC ingot or some other hard and crisp materials，describes the system composition，compares this method with wire sawing，and describes the forward of this new technology.This cold split method can be tread as a revolution，it is efficient，and can solve the partitioned sawing difficulties in sawing of large-diameter crisp and hard materials such as SIC with kerf-loss.

Laser stealth spot；Plasma scan，Cold split

TN305.1

A

1004-4507（2016）09-0001-03

2016-08-23

張孝其，（1965-）男，重慶人，高級(jí)工程師，從事半導(dǎo)體專用設(shè)備研制。