CN107424921A - 一种晶圆化学研磨系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶圆化学研磨系统及方法，系统包括真空腔、六轴机械手臂、纳秒激光发生器、3D成像仪、晶圆、操作平台；晶圆固定安装在操作平台上，纳秒激光发生器固定安装在六轴机械手臂上；六轴机械手臂、3D成像仪、操作平台均设置在真空腔内，真空腔内填充有Cl2气体；3D成像仪对晶圆表面进行3D成像扫描，获得晶圆表面的形貌信息，计算需要研磨的位置坐标参数；纳秒激光发生器产生纳秒激光束，对准晶圆表面的需要研磨的位置坐标，对晶圆表面进行研磨。本发明由于不使用化学研磨剂，且化学反应的生成产物为气体，故在原理上没有残留化学研磨剂对晶圆造成持续腐蚀的可能，可提高研磨工艺的良品率。同时避免残余应力的产生，不会产生热应力效应。
Description
技术领域
本发明属于晶圆研磨技术领域，具体涉及一种利用纳秒激光促使晶圆表面材料与Cl2反应形成化学研磨的系统及方法。
背景技术
晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆；在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能之IC产品。晶圆的原始材料是硅，而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经由电弧炉提炼，盐酸氯化，并经蒸馏后，制成了高纯度的多晶硅。再经过照相制版，研磨，抛光，切片等程序，将多晶硅融解拉出单晶硅晶棒，然后切割成一片一片薄薄的晶圆。
晶圆在其背面减薄的研磨加工过程中,表面质量的控制十分重要。表面质量不好的晶圆会存在应力集中、裂缝等隐患,在分割晶圆片时,会导致晶圆崩裂的巨大损失，或是影响后续晶圆低温键合工艺的失败。表面粗糙度是衡量表面质量的重要参数,它是对加工表面所有微小间距和峰谷不平度的微观几何尺寸特征的综合评价,能够反映表面应力分布情况,以此判断表面质量的好坏。晶圆的表面粗糙度参数Ra(轮廓算术平均偏差)一般要求在0.01μm至0.8μm之间。
行业内目前研磨晶圆表面的方法为使用传统的砂轮研磨方法，或是改进过后的化学机械研磨方法(CMP)。例如，CN101879700B《化学机械研磨元件、晶圆的研磨方法及晶圆研磨系统》，CN102909646B《化学机械研磨方法》。前述的两种方法都是采用化学研磨剂腐蚀晶圆表面材料的同时，使用机械研磨器进行物理研磨。虽然这些方法能够有效满足一般生产需求，但研磨过程后需要进行晶圆表面残留化学研磨剂的清洗。如若化学研磨剂未被清洗完全，会对晶圆表面持续腐蚀，使研磨工艺失败。而研磨过程中，机械研磨器的使用，不可避免地会在晶圆材料内部产生残余应力。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用纳秒激光促使晶圆表面材料与Cl2反应形成化学研磨的方法，解决现行针对晶圆的化学机械研磨工艺需要严格清洗后处理与不可避免产生残余应力的原理性问题。
本发明的系统所采用的技术方案是：一种晶圆化学研磨系统，其特征在于：包括真空腔、六轴机械手臂、纳秒激光发生器、3D成像仪、晶圆、操作平台；
所述晶圆固定安装在所述操作平台上，所述纳秒激光发生器固定安装在所述六轴机械手臂上；所述六轴机械手臂、3D成像仪、操作平台均设置在所述真空腔内，所述真空腔内填充有Cl2气体；所述3D成像仪对所述晶圆表面进行3D成像扫描，获得晶圆表面的形貌信息，计算需要研磨的位置坐标参数；所述纳秒激光发生器产生纳秒激光束，对准所述晶圆表面的需要研磨的位置坐标，对所述晶圆表面进行研磨。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种晶圆化学研磨方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：3D成像仪对所述晶圆表面进行3D成像扫描，获得晶圆表面的形貌信息，计算需要研磨的位置坐标参数；
步骤2：纳秒激光发生器产生纳秒激光束，对准所述晶圆表面的需要研磨的位置坐标，融化所述晶圆表面材料，并使融化后的表面材料与封闭腔体中的Cl2反应生成气体来达到研磨目的。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的一种利用纳秒激光促使晶圆表面材料与Cl2反应形成化学研磨的方法，由于不使用化学研磨剂，且化学反应的生成产物为气体，故在原理上没有残留化学研磨剂对晶圆造成持续腐蚀的可能，可提高研磨工艺的良品率。同时，由于使用纳秒激光诱导化学反应，研磨过程中没有物理接触，避免了残余应力的产生。同时，由于纳秒激光单发脉冲波长短的特点，纳秒激光所造成升温被局限于很小的一块照射区域中，不会产生热应力效应。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构示意图；
图2为本发明实施例方法的流程图；
图3为本发明实施例方法的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请见图1，本发明提供的一种晶圆化学研磨系统，包括真空腔11、六轴机械手臂13、纳秒激光发生器14、3D成像仪15、晶圆16、操作平台17；晶圆16固定安装在操作平台17上，纳秒激光发生器14固定安装在六轴机械手臂13上；六轴机械手臂13、3D成像仪15、操作平台17均设置在真空腔11内，真空腔11内填充有Cl2气体12；
研磨前，3D成像仪15对晶圆16表面进行3D成像扫描，获得晶圆16表面的形貌信息，计算需要研磨的位置坐标等参数。研磨时，由纳秒激光发生器14产生纳秒激光束141。六轴机械手臂13携带纳秒激光发生器14，将纳秒激光束141对准晶圆16表面的特定位置。纳秒激光束141脉冲宽度很短以至于热能来不及扩散到激光焦点以外的区域，沉积的热能被限定在晶圆表面的特定区域，融化晶圆表面被照射部位的材料161。真空腔11中的Cl2气体12与晶圆16表面被照射的材料区域161的材料发生化学反应，Si(固)+Cl2(气)→SiCl2(气)+Cl2(气)+SiCl2(气)，即可达到研磨目的。重复定位使用飞秒激光束141照射晶圆16上的各部位材料，即可达到研磨整个晶圆16表面的目的。
请见图2和图3，本发明提供的一种晶圆化学研磨方法，包括以下步骤：
步骤1：3D成像仪15对晶圆16表面进行3D成像扫描，获得晶圆16表面的形貌信息，计算需要研磨的位置坐标参数；
步骤2：纳秒激光发生器14产生纳秒激光束141，对准晶圆16表面的需要研磨的位置坐标，融化晶圆16表面材料，并使融化后的表面材料与封闭腔体中的Cl2反应生成气体来达到研磨目的。
参见图3，晶圆16被放置于充满Cl2的封闭的真空腔11中，纳秒激光束141垂直照射晶圆16表面，融化晶圆16表面材料，并促使融化的晶圆16表面材料与Cl2发生化学反应，该化学反应式为Si(固)+Cl2(气)→SiCl2(气)+Cl2(气)+SiCl2(气)。融化的晶圆16表面固体材料与气体的Cl2产生如上文中的化学反应式的化学反应，生成气体物质并飘散到真空腔11中。纳秒激光束141照射区域中的晶圆11表面材料因为化学反应而减少，如此就达到了研磨目的。能量密度不小于0.8Jcm-2，不大于3Jcm-2的纳秒激光脉冲宽度很短以至于热能来不及扩散到激光焦点以外的区域，沉积的热能被限定在晶圆表面的特定区域中，不会扩散至相邻区域影响周边材料。在其他需要抛光的晶圆表面都重复这一过程，就可以达到研磨晶圆表面的目的。而在0.8Jcm-2与3Jcm-2范围内调整飞秒激光的能量密度，则可以通过调整纳秒激光的能量密度来实现控制晶圆表面化学反应区域的深度与大小。当飞秒激光的能量密度在0.8Jcm-2与3Jcm-2范围内变化时，参与化学反应的晶圆表面材料深度可在100nm到1000nm之间变化。在实际研磨过程中，可通过调整纳秒激光的能量密度来实现快速或精细的研磨工艺。
本发明由于不使用化学研磨剂，且化学反应的生成产物为气体，故在原理上没有残留化学研磨剂对晶圆造成持续腐蚀的可能，可提高研磨工艺的良品率。同时，由于使用纳秒激光诱导化学反应，研磨过程中没有物理接触，避免了残余应力的产生。同时，由于纳秒激光单发脉冲波长短的特点，纳秒激光所造成升温被局限于很小的一块照射区域中，不会产生热应力效应。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种晶圆化学研磨系统，其特征在于：包括真空腔(11)、六轴机械手臂(13)、纳秒激光发生器(14)、3D成像仪(15)、晶圆(16)、操作平台(17)；
所述晶圆(16)固定安装在所述操作平台(17)上，所述纳秒激光发生器(14)固定安装在所述六轴机械手臂(13)上；所述六轴机械手臂(13)、3D成像仪(15)、操作平台(17)均设置在所述真空腔(11)内，所述真空腔(11)内填充有Cl2气体(12)；所述3D成像仪(15)对所述晶圆(16)表面进行3D成像扫描，获得晶圆(16)表面的形貌信息，计算需要研磨的位置坐标参数；所述纳秒激光发生器(14)产生纳秒激光束(141)，对准所述晶圆(16)表面的需要研磨的位置坐标，对所述晶圆(16)表面进行研磨。
2.一种晶圆化学研磨方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：3D成像仪(15)对所述晶圆(16)表面进行3D成像扫描，获得晶圆(16)表面的形貌信息，计算需要研磨的位置坐标参数；
步骤2：纳秒激光发生器(14)产生纳秒激光束(141)，对准所述晶圆(16)表面的需要研磨的位置坐标，融化所述晶圆(16)表面材料，并使融化后的表面材料与封闭腔体中的Cl2反应生成气体来达到研磨目的。
3.根据权利要求2所述的晶圆化学研磨方法，其特征在于：步骤2中，所述纳秒激光束(141)垂直照射到所述晶圆(16)表面上。
4.根据权利要求2或3所述的晶圆化学研磨方法，其特征在于：步骤2中，所述纳秒激光束(141)的激光能量密度不小于0.8J/cm2，同时不大于3J/cm2。
5.根据权利要求2或3所述的晶圆化学研磨方法，其特征在于：骤2中，所述融化后的表面材料与封闭腔体中的Cl2反应生成气体，反应化学式为：
Si(固)+Cl2(气)→SiCl2(气)+Cl2(气)+SiCl2(气)。
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