CN107123588A - 一种氮化镓晶圆片边缘处理方法 - Google Patents

一种氮化镓晶圆片边缘处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种氮化镓晶圆片边缘处理方法，所述处理方法本为采用激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切(full‑cut)和切边(flat)或者切槽(notch)处理。首先在待处理的氮化镓晶圆片边缘设置预切割图形，然后将所述氮化镓晶圆片置于激光工作台上，调整所述氮化镓晶圆的位置，确定所述氮化镓晶圆表面与激光束垂直，同时可以进行同轴气体吹扫；然后将所述激光束聚焦于所述预切割图形位置进行切割。本发明通过高能量激光对氮化镓晶圆片进行烧蚀，从而实现切割去除边缘部分，该方法具有耗时短，耗材少，维护成本低，效率高，适用于对各种氮化镓晶体进行边缘处理。

Description

一种氮化镓晶圆片边缘处理方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种氮化镓晶圆片边缘处理方法。
背景技术
目前，无论是消费电子产品、电动车(EV)或家用电器，工程师正面对更加严格的要求，必须提升电源转换效能、提高功率密度水准、延长电池使用时间以及加快开关速度。这一切皆意味着电子产业将会变得越来越依赖于新型的功率半导体，采用不再以硅(Si)为基础的制程技术。随着容量可能达到前所未有的性能基准，氮化镓(GaN)正成为一项新兴的制程技术，影响电力电子系统设计的未来发展。在任何电源系统设计中，某种程度的电源转换损耗是肯定的，但由于宽频间隙，GaN明显比硅表现出更低的损耗，这也意味着更好的电源转换效能。因为GaN晶圆片可比等效的硅晶圆片更小，使用此技术的元件可被置于尺寸更小的封装规格中。由于其高流动性，GaN在用于要求快速开关的电路中效能极高。而且，提高的开关速度也有助于节省空间，因为电源电路所含被动元件可以更少，配套的磁性元件中使用的线圈可以更小。此外，GaN提供的更高的电源转换效能意味着更少的散热量，缩小了需要分配给热管理的空间。由于GaN具有一些和硅有所区别的关键功能，令它特别适合功率应用。
目前主流的自支撑氮化镓晶圆片的制造工艺是采用气相卤素外延(HVPE)制造的，在生产过程中，氮化镓晶圆片的边缘存在较大的位错以及结构缺陷，一般而言，在进行表面处理之前，需要对自支撑氮化镓晶圆片的边缘进行切割从而规整晶圆片形状，去除结构缺陷部分。传统的氮化镓晶圆片边缘处理方式是采用磨轮或者刀具进行机械磨削，并且需要特殊夹具对氮化镓进行固定。这种进行机械磨削的方式耗时长、成本高且效率低。
切边和切槽是标记晶圆片的晶面的一种方法，其代表晶面取向。一般而言，8英寸以下的晶圆片采用切边标记5(如图1所示)，8英寸及8英寸以上的晶圆片采用切槽标记6(如图2所示)。现有技术中对于硅材料而言，其进行切边和切槽处理是在晶棒上进行磨削和切割，主要工具是金刚石刀具和磨具，但是这对于外延生长的晶体并不使用，尤其是对硬脆质材料，在切割过程中，容易造成产品碎裂，并且刀具的磨损也远远高于硅材料加工的损耗。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种氮化镓晶圆片边缘处理方法，用于解决现有技术中处理氮化镓晶圆片边缘时耗时长、成本高且效率低等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种氮化镓晶圆片边缘处理方法，所述处理方法为采用激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切和切边或者切槽处理。
作为本发明氮化镓晶圆片边缘处理方法的一种优化的方案，采用激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切和切边或者切槽处理的步骤包括：
S1，在待处理的氮化镓晶圆片边缘设置预切割图形，然后将所述氮化镓晶圆片置于激光工作台上，调整所述氮化镓晶圆的位置，确定所述氮化镓晶圆表面与激光束垂直，所述氮化镓晶圆片中心点与所述激光工作平台中心点重合；
S2，将所述激光束聚焦于所述预切割图形位置进行切割，从而完成全切和切边或者切槽处理。
作为本发明氮化镓晶圆片边缘处理方法的一种优化的方案，所述步骤S2中，在进行切割的同时使用保护性气体对切割位置进行同轴吹扫。
本发明氮化镓晶圆片边缘处理方法的一种优化的方案，所述保护性气体为氮气或者氩气、氖气、氦气惰性气体中的一种或多种的混合气体。
本发明氮化镓晶圆片边缘处理方法的一种优化的方案，进行所述步骤S2之后，还包括对边缘切割面进行清洗的步骤。
本发明氮化镓晶圆片边缘处理方法的一种优化的方案，采用光纤激光器激发的激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切和切边或者切槽处理。
本发明氮化镓晶圆片边缘处理方法的一种优化的方案，所述激光的焦距位于所述氮化镓晶圆片边缘位置的表面至底面之间。
本发明氮化镓晶圆片边缘处理方法的一种优化的方案，所述激光束的光斑直径不超过100微米，激光器基模参数M2小于1.8，所述激光束的脉冲频率不超过1000Hz，所述激光束的脉冲能量不低于0.1W，所述激光束扫描速度不低于2mm/s。
本发明氮化镓晶圆片边缘处理方法的一种优化的方案，采用激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切和切边或者切槽处理的工作温度为20～400℃。
本发明氮化镓晶圆片边缘处理方法的一种优化的方案，所述氮化镓晶圆片边缘切割厚度超过300微米。
如上所述，本发明的氮化镓晶圆片边缘处理方法，具有以下有益效果：
本发明采用激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切(full-cut)和切边或者切槽处理。通过高能量激光对氮化镓晶圆片进行烧蚀去除边缘部分，具有耗时短，耗材少，维护成本低，效率高，适用于对各种尺寸氮化镓晶体进行边缘处理。
附图说明
图1为晶圆片上切边标记示意图。
图2为晶圆片上切槽标记示意图。
图3为本发明氮化镓晶圆片边缘处理的系统结构示意图。
图4为本发明另一种氮化镓晶圆片边缘处理的系统结构示意图。
元件标号说明
1 光纤激光器
2 激光束
3 工作平台
4 氮化镓晶圆片
5 切边标记
6 切槽标记
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
从晶锭制作成为晶圆片，具体包括晶面标记(切边或者切槽)，切割，边缘切割，边缘研磨，倒角处理，研磨抛光，编码标记，清洗等步骤。目前，硅晶圆片的生产是最为成熟和成功的，在其制造过程中，主要采用金刚石刀具或者机械磨削等方式进行边缘切割。另外，蓝宝石作为一种硬脆质材料，其采用拉伸法制造出晶棒，然后采用滚棒的处理方式进行形状的处理，再采用机械切割的方式切割成片，因此，切割成片后的晶圆片边缘已经是规则且质量好的，因此不需要进行边缘切割去除。但是对于氮化镓这种硬脆质化合物材料，主是利用外延工艺生长获得的晶圆片，其边缘结构缺陷较多，形状不规整，因此需要将边缘部分去除。如果采用接触式的机械加工方式进行氮化镓晶圆片边缘切割处理，其损伤和风险是较大的。有鉴于此，本发明提供一种氮化镓晶圆片边缘处理方法，可以降低氮化镓晶圆片碎片风险，且处理效率高。
本实施方式提供一种氮化镓晶圆片边缘处理方法，所述处理方法为采用激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切和切边或者切槽处理。
作为示例，本实施方式采用激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切和切边或者切槽处理的步骤包括：
S1，如图3所示，在待处理的氮化镓晶圆片4边缘设置预切割图形，然后将所述氮化镓晶圆片4置于激光工作台3上，调整所述氮化镓晶圆4的位置，确定所述氮化镓晶圆4表面与激光束2垂直，所述氮化镓晶圆片4的中心点与所述激光工作平台3的中心点重合。
所述预切割图形主要是用来确定切割位置，其图形形状不限，主要是根据氮化镓晶圆片边缘上结构缺陷的位置来定，所设置的预切割图形只要能将边缘结构缺陷与中间质量好的晶圆片分开即可。
由于采用激光切割为非接触式切割，因此不需要设计专门的夹具对所述氮化镓晶圆片进行夹持。
本步骤中，进行全切时(即一次将所述氮化镓晶圆片切穿)，需要在所述预切割图形区域的下方留出一定的空间，防止激光损坏工作平台。另外，激光工作平台的面积为切割后晶圆片面积的75％至90％。作为其中的一种实施方式，可以在所述工作平台3表面设置一沟槽，该沟槽位于氮化镓晶圆片4的下方，此时，氮化镓晶圆片4的边缘仍在工作平台1上，如图3所示。这样，切割后的氮化镓废弃物被气体直接吹扫掉落在激光工作平台一侧的收集装置中，不会污染工作平台，对后续的晶圆片切割没有影响。
在另一实施方式中，没有在工作平台3上设置沟槽，而是直接将氮化镓晶圆片4的边缘悬空于工作平台3外，如图4所示，这样，切割后的氮化镓废弃物直接在平台上的收集装置中，这种实施方式无需进行气体吹扫。
S2，将激光束2聚焦于所述预切割图形位置进行切割，从而完成全切和切边或者切槽处理。。
本步骤中，优选采用光纤激光器1激发的激光对所述氮化镓晶圆片4边缘进行全切和切边或者切槽处理。对于光纤激光器，其输出稳定，工作年限长，目前光纤激光器的使用时间可以超过5年，另外，光纤激光器操作简单，维护成本低，光纤激光器可以提供各种频率，脉冲激光能量，适用性强。再者，光纤激光器的激光波长大于氮化镓禁带宽度，激光作用于氮化镓晶体主要以热烧蚀为主。同时，在高功率要求下，光纤激光器的光束直径小，激光质量高。更优地，采用双包层有源光纤的高功率光纤激光器，信号激光在小直径的圆对称波导结构的纤芯中产生和传播，从而可以获得极小直径的高质量激光束，切割质量更好。
本实施例通过光纤激光束对氮化镓晶圆片进行边缘切割，可以极大提高加工效率，减少碎片风险，并且加工方便可控。
为了对所述氮化镓晶圆片边缘进行更加快速有效地切割，所述激光束的焦距位于所述氮化镓晶圆片边缘位置的表面至底面之间。优选地，所述激光束的焦距位于所述氮化镓晶圆片边缘位置的中心点至底面位置。最优地，所述激光束焦距位于所述氮化镓晶圆片边缘位置表面至底面的中心位置。
作为示例，所述激光束的光斑直径不超过100微米，所述激光束的脉冲频率不超过1000Hz，所述激光束的平均脉冲功率不低于0.1W，所述激光束扫描速度不低于2mm/s。优选地，所述激光束的光斑直径不超过75微米，所述激光束的脉冲频率不超过700Hz，所述激光束的平均脉冲功率不低于0.15W，所述激光束扫描速度不低于2.5mm/s。更优地，所述激光束的光斑直径不超过50微米，所述激光束的脉冲频率不超过900Hz，所述激光束的平均脉冲功率不低于0.2W，所述激光束扫描速度不低于5mm/s。最优地，本实施例中，所述激光束的光斑直径为50微米，所述激光束的脉冲频率为400Hz，所述激光束的平均脉冲功率0.25W，所述激光束扫描速度为10mm/s。
激光器基模(TEM00模)是激光器横电磁模式的一种，即光束截面中任意一点光强不为零，也就是高斯模式。本发明中所述激光器基模参数指的是M2参数，M2＝π*BBP/λ，其中λ为激光波长，BBP为焦点半径与远场发散角的乘积。M2来的数值可以表征激光质量，相同波长下，数值越小，激光束质量越好。
优选地，本发明所使用的激光器的基模参数(M2)小于1.8，更选地，激光器基模参数小于1.5，最优地，激光器基模参数小于1.2。本实施例中，所述激光器基模参数为1.3。
作为示例，采用激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切和切边或者切槽处理的工作温度为20～400℃。在这个温度范围内，可以有效将所述氮化镓晶圆片的边缘切除以及进行切边或切槽标记。优选地，采用激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切和切边或者切槽处理的工作温度为50-300℃；更优地，采用激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切和切边或者切槽处理的工作温度为100-250℃；最优地，采用激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切和切边或者切槽处理的工作温度为100-150℃。本实施例中，采用激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切和切边或者切槽处理的工作温度为25℃。
本步骤中，优选地，在进行切割的同时需要使用保护性气体对切割位置进行同轴吹扫。所述同轴吹扫是指保护性气体的吹除方向与激光束方向相同，其中心点处于同一轴线上。一方面，使用同轴的保护性气体可以保护激光头(laser nozzle)，使激光头免于切割时所生成的物质的污染和破坏，另外，保护性气体也对切割道中的切割生成物质进行吹扫，减少生成物质对切割效果的影响。所述保护性气体可以是氮气，也可以是或者氩气、氖气、氦气惰性气体中的一种或多种的混合气体，在此不限。本实施例中，所述保护性气体选择为氮气，氮气的化学性质不活泼，储存简单，价格低廉。在其他实施例中，若要求更好的表面特性，可以选择氩气，氖气，氦气或者其混合气体进行吹扫。
并且，在本实施方式中，进行氮化镓晶圆片的切割之后，还包括对边缘切割面进行清洗的步骤。优选采用化学清洗方式对边缘切割面进行清洗。由于氮化镓吸收激光后会发生分解，成为金属镓和氮气，采用化学溶液对切割处理后的氮化镓晶圆片进行清洗，金属镓可以和化学溶液反应，采用化学溶液可以去除氮化镓晶圆片被激光分解出的金属镓，从而实现对氮化镓晶圆片切割面的清洗。化学溶液的浓度高低将直接影响氮化镓晶圆片的清洗时间，浓度越高，清洗效率越高。在本实施方式中，化学溶液可以为酸性溶液或碱性溶液，酸性溶液可以采用稀盐酸或稀硫酸，碱性溶液可以采用氢氧化钾溶液。当然，在其他的实施方式中，也可以采用其他化学溶液，只要能够实现对氮化镓晶圆片的切割面进行清洗即可。
具体的，可以先采用氯化氢清洗，去除表面残留的金属镓和其他杂质；然后采用氢氧化钾清洗；最后用去离子水清洗，并用氮气辅助甩干。
通过本发明提供的激光束，可以达到切割厚度超过1000微米的量级，而一般的氮化镓晶圆片为300至650微米，因此，完全可以一次性将氮化镓晶圆片边缘切割掉，获得规则且结构完美的氮化镓晶圆片。
综上所述，本发明提供一种氮化镓晶圆片边缘处理方法，所述处理方法主要采用激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切(full-cut)和切边或者切槽处理。通过高能量激光对氮化镓晶圆片进行烧蚀去除边缘部分，具有耗时短，耗材少，维护成本低，效率高，适用于对各种氮化镓晶体进行边缘处理。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种氮化镓晶圆片边缘处理方法，其特征在于，所述处理方法为采用激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切和切边或者切槽处理。
2.根据权利要求1所述的氮化镓晶圆片边缘处理方法，其特征在于：采用激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切和切边或者切槽处理的步骤包括：
S1，在待处理的氮化镓晶圆片边缘设置预切割图形，然后将所述氮化镓晶圆片置于激光工作台上，调整所述氮化镓晶圆的位置，确定所述氮化镓晶圆表面与激光束垂直，所述氮化镓晶圆片的中心点与所述激光工作平台的中心点重合；
S2，将所述激光束聚焦于所述预切割图形位置进行切割，从而完成全切和切边或者切槽处理。
3.根据权利要求2所述的氮化镓晶圆片边缘处理方法，其特征在于：所述步骤S2中，在进行切割的同时使用保护性气体对切割位置进行同轴吹扫。
4.根据权利要求3所述的氮化镓晶圆片边缘处理方法，其特征在于：所述保护性气体为氮气或者氩气、氖气、氦气惰性气体中的一种或多种的混合气体。
5.根据权利要求2所述的氮化镓晶圆片边缘处理方法，其特征在于：进行所述步骤S2之后，还包括对边缘切割面进行清洗的步骤。
6.根据权利要求1所述的氮化镓晶圆片边缘处理方法，其特征在于：采用光纤激光器激发的激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切和切边或者切槽处理。
7.根据权利要求2所述的氮化镓晶圆片边缘处理方法，其特征在于：所述激光束的焦距位于所述氮化镓晶圆片边缘位置的表面至底面之间。
8.根据权利要求1所述的氮化镓晶圆片边缘处理方法，其特征在于：所述激光束的光斑直径不超过100微米，激光器基模参数M2小于1.8，所述激光束的脉冲频率不超过1000Hz，所述激光束的平均脉冲功率不低于0.1W，所述激光束扫描速度不低于2mm/s。
9.根据权利要求1所述的氮化镓晶圆片边缘处理方法，其特征在于：采用激光对所述氮化镓晶圆片边缘进行全切和切边或者切槽处理的工作温度为20～400℃。
10.根据权利要求1所述的氮化镓晶圆片边缘处理方法，其特征在于：所述氮化镓晶圆片边缘切割厚度在300微米以上。
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