CN111390392A

CN111390392A - 一种用于半导体材料抛光的激光加工技术

Info

Publication number: CN111390392A
Application number: CN202010257710.8A
Authority: CN
Inventors: 管迎春; 尹志彬
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2020-04-03
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2020-07-10

Abstract

本发明涉及一种用于半导体材料抛光的激光加工技术，属于激光加工技术领域，具体包括四个步骤：步骤一，将待处理的目标试样表面进行清洗并烘干；步骤二，将目标试样固定于运动载台，并启动气氛控制系统；步骤三，设定激光扫描工艺路径和抛光参数，进行激光抛光；步骤四，成品检测。与现有技术相比，该加工方法具有加工周期短，自动化程度高，精度高，成本低，绿色无污染。且加工过程不存在刀具磨损，抛光效率可达100cm²/h以上，表面粗糙度可降低50％以上。

Description

一种用于半导体材料抛光的激光加工技术

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种用于半导体材料抛光的激光加工技术。

研究背景

半导体材料材料广泛应用于航空航天、电子电气、医疗化工等领域中集成电路、光导纤维通信等模块的制造，然而在一些特定场景，半导体材料加工成形过程中表面粗糙度较高难以直接应用，对半导体材料进行抛光成为一道必不可少的程序。实际工业生产中已有多种较为成熟的抛光工艺技术以满足工业制造的需要，如：化学机械抛光、热化学抛光、等离子体抛光、磁研磨抛光、超声波抛光和手工抛光等。

目前半导体材料材料的抛光方式主要采用化学机械抛光，该方法将机械摩擦与化学腐蚀相结合，以获得较高质量的抛光表面；而当表面形状较为复杂时均采用手工抛光。然而，化学机械抛光过程中抛光液中的残留颗粒会增大废液的处理难度，进而腐蚀抛光表面，而且在抛光过程中抛光液中的磨粒在较大压力作用下会对抛光表面产生划伤，引起亚表层损伤或晶格缺陷等，使得抛光表面质量无法得到有效控制。同时化学机械抛光技术对试样的外形尺寸有严格限制要求，当目标表面为复杂曲面时，只能采用手工抛光，严重限制了生产精度与效率。

激光抛光作为一种新兴的抛光技术，由于具有非接触式、可微区、可选区、可实现精密或超精密、可细晶强化、可增加不同材料的抗腐蚀性能和抗疲劳性能、环保高效等优势，已经逐渐被众多科研院所和企业所重视。该方法无需机械研磨剂和抛光工具，属于非接触式抛光，可以抛光传统方法不能打磨的复杂表面，抛光效率高，并具有大规模自动化加工的可能性，可解决抛光工序对手工打磨的依赖性。

德国弗劳霍恩激光研究所、北京航空航天大学、英国考文垂制造技术中心、香港理工大学等国内外著名研究机构针对激光抛光技术做了大量的研究工作，如何选取恰当的激光参数与平台条件，需要根据影响激光抛光的各种因素，如：波长、脉宽、频率、氧含量、功率、试件原始表面粗糙度、试件原始形貌尺寸来确定。虽然已有学者通过调节激光的波长、脉宽、频率、氧含量和功率等参数来进行激光抛光半导体材料，但是抛光效率低，不能实现工业化应用。

因此开发一种可以抛光半导体材料，且抛光效率高，精度高，自动化程度高，无化学残渣，无磨损失效的抛光方法，成为目前科研工作者亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于半导体材料抛光的激光加工技术。

该方法抛光效率高、精度高、自动化程度高、无化学残渣和磨损失效，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将目标试样放入无水乙醇中经预设频率的超声波清洗第一预设时间，并在预设温度的烘干箱中进行第二预设时间的烘干处理，得到表面洁净的目标试样样品；

S2、将所述步骤S1中得到的目标试样样品放置于气氛控制系统中的运动载台上，采用惰性气体进行保护。

S3、设定分相位式激光扫描工艺路径和激光器加工参数，采用激光加工系统对经所述惰性气体保护的目标试样表面进行多次分相位式激光扫描。

所述步骤S3中，所述分相位式激光扫描工艺路径采用分相位叠加方式，所述分相位叠加方式为激光扫描间距大于光斑直径的二分之一，再次扫描的相位差小于光斑直径；扫描时间间隔大于第三预设时间，扫描次数为激光扫描间距除以相位差的整倍数，将此整数倍数值定义为扫描周期，当扫描周期大于1时，在后续扫描过程中，减小激光功率预设值。

所述步骤S3后还包括：

S4、将所述步骤S3处理后得到的目标试样进行清洗烘干，并测量表面粗糙度、检测表面质量。

所述步骤S3中，所述激光器加工参数包括：激光波长、激光功率、光斑直径、脉宽、频率以及扫描速度。

所述激光波长为193nm-1070nm，激光功率为0.1W-10000W，光斑直径0.1μm-2000μm，脉宽10fs-1000ns，频率为1kHz-1000kHz，扫描速度为0.1mm/s-4000mm/s。

所述步骤S1中，所述第一预设时间为10s-600s，所述第二预设时间为10s-6000s。

所述步骤S3中，所述激光扫描间距为0.1μm-3000μm，所述相位差为0.1μm-3000μm，所述第三预设时间为0.5s-600s。

所述步骤S1、S2、S3、S4中，所述目标试样材质为单晶硅、多晶硅、碳化硅、熔融硅。

该装置冷却效果好,控制精度高,在控制气氛的同时可以有效去除加工飞沫,其特征在于, 包括气氛控制系统、与所述气氛控制系统相连的保护罩、位于所述保护罩内部的运动载台、位于所述载物台上方的抛光激光器，所述气氛控制系统用于控制加工时环境温度、湿度、风压、氧含量，所述运动载台用于承载并固定目标试样，所述抛光激光器用于抛光目标试样。

气氛控制系统通过进风口与出风口控制环境温度为1℃-50℃、湿度为1％rh-95％rh、风压为0.1bar-1000bar、氧含量为0.1％-20％。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明将激光抛光技术应用到半导体材料的表面抛光，可以采用非接触方式抛光具有硬脆性的材料表面，并实现复杂曲面半导体材料的大面积和重复性加工；

(2)本发明方法简单，抛光效率高，可达100cm²/h以上，精度高，表面粗糙度可提升50％以上，无化学残渣和磨损失效；

(3)本发明不同于机械、化学抛光等传统的抛光方式，它创新融合高端制造装备技术，包括光束柔性传输与精准指向、精确检测与识别、光机电协同控制等多项先进装备控制技术，易于实现工业化应用。

附图说明

图1为本发明一种用于半导体材料抛光的激光加工技术装置图；

图2为本发明工艺流程图；

图3为本发明抛光前后单晶硅片的SEM形貌与共聚焦三维相貌。

图中各部分名称如下：

1、激光发生器；2、保护罩；3、气氛控制系统；4、激光控制器；5、目标试样；6、运动载台；7、半导体材料抛光前的SEM形貌与共聚焦三维相貌；8、半导体材料抛光后的SEM 形貌与共聚焦三维相貌。

具体实施方式

为更好地理解本发明内容，以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细介绍，所举实例只用于解释本发明，并不用于限定本发明的范围。

本实施实例以实现单晶硅片的激光抛光为例，其具体抛光装置示意图如图1所示，主要包括：激光发生器、气氛控制系统、激光控制器、运动载台。主要方法如图2所示，包括如下步骤：

S1、将单晶硅片放入无水乙醇中经预设频率的超声波清洗第一预设时间，并在预设温度的烘干箱中进行第二预设时间的烘干处理，得到表面洁净的单晶硅片样品；

S2、将所述步骤S1中得到的单晶硅片样品放置于保护罩中的运动载台上，采用惰性气体进行保护。

S3、设定分相位式激光扫描工艺路径和激光器加工参数，采用激光加工系统对经所述惰性气体保护的单晶硅片表面进行多次分相位式激光扫描。

其中，步骤S1所述第一预设时间为120s，所述第二预设时间为120s。

其中，步骤S2所述气氛控制系统控制环境温度为20℃、湿度为10％rh、风压为2bar、氧含量为5％。

其中，步骤S3所述分相位式激光扫描工艺路径采用分相位叠加方式，所述分相位叠加方式为激光扫描间距大于光斑直径的二分之一，光斑直径为0。035mm，设置激光扫描间距为0.04mm，第二次扫描与第一次扫描的相位差小于光斑直径，设置相位差为0.01mm；扫描时间间隔大于第三预设时间，设置扫描时间间隔为30s；扫描次数为激光扫描间距除以相位差的整倍数，设置扫描次数为4次。

其中，步骤S3所述的激光器加工参数包括：激光波长1064nm，激光功率为50W，光斑直径50μm，脉宽100ns，频率为100kHz，扫描速度为200mm/s。经测量，抛光前单晶硅片的 SEM形貌与共聚焦三维相貌如图3中7所示，其表面粗糙度为Ra 400nm以上，抛光后的表面光学显微形貌与共聚焦三维相貌如图3中8所示，经测量表面粗糙度降至Ra 100nm以下, 粗糙度下降75％以上，抛光效率可达100cm²/h以上。

本发明的上述实施例是为了说明本发明所做的举例，并不用于限定本发明的实施方式，凡是在本发明精神和原则内，对本发明方法、步骤或条件所作的任何修改、改进等，均属于本发明的范围。

Claims

1.一种用于半导体材料抛光的激光加工技术，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将目标试样放入无水乙醇中经预设频率的超声波清洗第一预设时间，并在预设温度的烘干箱中进行第二预设时间的烘干处理，得到表面洁净的样品；

S2、将所述步骤S1中得到的目标试样样品放置于保护罩中的运动载台上，采用惰性气体进行保护。

2.根据权利要求1所述的一种用于半导体材料抛光的激光加工技术，其特征在于，所述步骤S3中，所述分相位式激光扫描工艺路径采用分相位叠加方式，所述分相位叠加方式为激光扫描间距大于光斑直径的二分之一，再次扫描的相位差小于光斑直径；扫描时间间隔大于第三预设时间，扫描次数为激光扫描间距除以相位差的整倍数，将此整数倍数值定义为扫描周期，当扫描周期大于1时，在后续扫描过程中，减小激光功率预设值。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的一种用于半导体材料抛光的激光加工技术，其特征在于，所述步骤S3后还包括：

4.根据权利要求1-2任意一项所述的一种用于半导体材料抛光的激光加工技术，其特征在于，所述步骤S3中，所述激光器加工参数包括：激光波长、激光功率、光斑直径、脉宽、频率以及扫描速度。

5.根据权利要求4所述的一种用于半导体材料抛光的激光加工技术，其特征在于，所述激光波长为193nm-1070nm，激光功率为0.1W-10000W，光斑直径0.1μm-2000μm，脉宽10fs-1000ns，频率为1kHz-1000kHz，扫描速度为0.1mm/s-4000mm/s。

6.根据权利要求1-2任意一所述的一种用于半导体材料抛光的激光加工技术，其特征在于，所述步骤S1中，所述第一预设时间为10s-600s，所述第二预设时间为10s-6000s。

7.根据权利要求1-2任意一所述的一种用于半导体材料抛光的激光加工技术，其特征在于，所述步骤S3中，所述激光扫描间距为0.1μm-3000μm，所述相位差为0.1μm-3000μm，所述第三预设时间为0.5s-600s。

8.根据权利要求1-2任意一所述的一种用于半导体材料抛光的激光加工技术，其特征在于，所述步骤S1、S2、S3中，所述目标试样材质为单晶硅、多晶硅、碳化硅、熔融硅。

9.一种用于半导体材料抛光的激光加工技术，其特征在于，包括气氛控制系统、与所述气氛控制系统相连的保护罩、位于所述保护罩内部的运动载台、位于所述载物台上方的抛光激光器，所述气氛控制系统用于控制加工时环境温度、湿度、风压、氧含量，所述运动载台用于承载并固定目标试样，所述抛光激光器用于抛光目标试样。

10.根据权利要求9所述的一种用于半导体材料抛光的激光加工技术，其特征在于，气氛控制系统通过进风口与出风口控制环境温度为1℃-50℃、湿度为1％rh-95％rh、风压为0.1bar-1000bar、氧含量为0.1％-20％。