CN111975211B - 一种晶圆异形结构的激光加工方法 - Google Patents

一种晶圆异形结构的激光加工方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种晶圆异形结构的激光加工方法，涉及激光加工技术领域。激光加工方法包括：采用第一激光束加工晶圆本体，形成自晶圆本体的表面向晶圆本体的内部延伸的光透通道。采用对晶圆本体具有穿透性波长的第二激光束隐形加工晶圆本体，形成位于晶圆本体的内部并限定待加工部的连续成面状的改质层。待加工部位于光透通道区的周向并与光透通道连接；采用对晶圆本体具有穿透性波长的第三激光束去除待加工部，形成异形结构。与现有的激光直接加工去除该激光无法直接到达的待加工部对应的区域，本申请有效降低去除待加工部时因热效应导致的加工缺陷，大幅提高了异形结构的精度。

Description

一种晶圆异形结构的激光加工方法
技术领域
本申请涉及激光加工技术领域，具体而言，涉及一种晶圆异形结构的激光加工方法。
背景技术
晶圆材料是芯片制造的基础，其加工更是半导体领域的关键技术。随着MEMS的迅速发展，对晶圆材料异形结构的加工需求日益迫切，尤其是含有衬底及功能层的复合晶圆材料异形结构加工。传统的机械加工方法已无法满足要求，激光是当今最适合加工晶圆的技术，但对于晶圆材料的内部加工仍然存在众多难题，例如同质或异质晶圆材料内部结构的精细加工。
目前公开的文献资料多集中于材料表面的异形结构加工。例如，专利CN201910489824.2公开了一种激光加工陶瓷异形槽的装置及方法，通过使用旋转夹具与三维平台加工陶瓷异形槽，虽可在一定程度上解决加工锥度过大的问题，但无法实现材料内部结构的加工。对于透明材料的异形结构加工则是通过焊接的方式实现。专利CN201911081694.5公开了一种针对脆性透明材料异形3D结构的系统精密加工方法，通过夹具将样品夹合，再通过焊接轮廓得到异形3D结构，并不适用于晶圆材料的异形结构，尤其是涉及晶圆内部异形结构的加工。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种晶圆异形结构的激光加工方法，其能够改善上述至少一个的技术问题。
本申请实施例提供一种晶圆异形结构的激光加工方法，其包括：
采用第一激光束加工晶圆本体，形成自晶圆本体的表面向晶圆本体的内部延伸的光透通道。
采用对晶圆本体具有穿透性波长的第二激光束隐形加工晶圆本体，形成位于晶圆本体的内部并限定待加工部的连续成面状的改质层。
待加工部位于光透通道区的周向并与光透通道连接，采用对晶圆本体具有穿透性波长的第三激光束去除待加工部，形成异形结构。
在上述实现过程中，由于待加工部位于光透通道区的周向，也即是待加工部被部分位于其上侧的晶圆本体遮蔽，因此去除待加工部所在的晶圆本体时需要激光穿过晶圆本体聚焦于对应的加工位置，若此时直接去除待加工部(不预先形成改质层)，容易因热效应导致异形结构产生加工缺陷，因此，采用本申请的方式，预先形成限定待加工部的改质层，将待加工部与异形结构进行分隔后再进行待加工部的去除，此时有效降低去除待加工部时因热效应导致的晶圆异形结构的加工缺陷，大幅提高了异形结构的精度。
并且需要说明的是，加工光透通道以及激光隐形加工改质层的步骤的先后顺序不做限定，可根据实际的需求进行选择。
可选地，先进行激光隐形加工改质层，后加工光透通道。
在一种可能的实施方案中，第一激光束与晶圆本体能够沿互相垂直的X轴、Y轴及Z轴相对移动，第二激光束与晶圆本体能够沿互相垂直的X轴、Y轴及Z轴相对移动，第三激光束与晶圆本体能够沿互相垂直的X轴、Y轴及Z轴相对移动。
在上述实现过程中，通过上述三个激光束与晶圆本体能够沿互相垂直的X轴、Y轴及Z轴相对移动，实现异形结构的连续加工，提高加工效率。
在一种可能的实施方案中，异形结构的深度方向与Z轴平行，改质层的形成过程中，第二激光束在Z轴的加工方向自晶圆本体的内部向晶圆本体的表面移动。
在上述实现过程中，由于改质层形成后对于第二激光束的光透性造成影响，因此采用上述方式进行Z轴改质层的加工，可有效避免上述影响，保证加工的连续性以及精准性。
在一种可能的实施方案中，晶圆本体包括晶圆衬底以及设置于晶圆衬底上的薄膜，光透通道自薄膜的表面向晶圆衬底的内部延伸，待加工部位于晶圆衬底。
在上述实现过程中，异形结构设置于复合晶圆上。
在一种可能的实施方案中，隐形加工晶圆本体的步骤包括：将第二激光束透过薄膜并聚焦于晶圆衬底的内部，形成自晶圆衬底的内部向晶圆衬底靠近薄膜的一侧延伸并终止于晶圆衬底的表面的改质层。
也即是说，当待加工部的顶壁由薄膜与晶圆衬底的连接处构成时，不需要对待加工部的顶壁进行改质层的加工。
可选地，晶圆衬底的材质包括硅、碳化硅、蓝宝石、氮化镓和金刚石中的一种或多种。
薄膜的材质包括硅、碳化硅、蓝宝石、氮化镓和金刚石中的一种或多种。
在上述实现过程中，复合晶圆可以由同质材料制得，也可以由异质材料制得，可根据实际的需求进行选择。
在一种可能的实施方案中，激光加工方法还包括：利用成像模块实时获得改质层、光透通道及去除待加工部的完成情况，以判断是否进行后续加工步骤。
在上述实现过程中，利用成像模块的设定，有效保证异形结构的加工的完整度。
在一种可能的实施方案中，第一激光束的脉宽范围为200fs～10ns，波长范围为355nm～1064nm，功率范围为1W～10W，重复频率范围为50kHz～200kHz，扫描速度范围为50mm/s～200mm/s。第二激光束的脉宽范围为200fs～10ps，波长范围为355nm～1064nm，功率范围为1W～5W，重复频率范围为50kHz～200kHz，扫描速度范围为100mm/s～200mm/s。
可选地，第二激光束的脉宽小于第一激光束的脉宽，第二激光束的功率小于第一激光束的功率。
在一种可能的实施方案中，第二激光束的脉宽小于或等于第三激光束的脉宽，第二激光束的功率小于或等于第三激光束的功率。
在上述实现过程中，通过合理的参数选择，不仅保证光透通道、改质层以及去除待加工部的顺利进行，同时有效提高加工效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1中形成改制层的结构示意图；
图2为实施例1形成第一结构及第二结构的结构示意图；
图3为实施例1形成第三结构的结构示意图；
图4为实施例1形成第四结构的结构示意图；
图5为实施例1制得的异形结构的结构示意图；
图6为现有技术制得的异形结构的结构示意图；
图7为实施例2制得的异形结构的结构示意图。
图标：1-晶圆衬底；2-薄膜；3-超精密运动平台；4-第一激光束；5-第二激光束；6-第三激光束；7-改质层；8-第一结构；9-第二结构；10-第三结构；11-第四结构；12-加工缺陷。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，晶圆异形结构的激光加工方法中，光透通道与改质层加工的先后顺序可互相调整，例如先加工光透通道，再加工改质层，或者先加工改质层，再加工光透通道。
以下，以先加工光透通道，再加工改质层为例进行具体说明。
一种晶圆异形结构的激光加工方法，其包括：
S1.采用第一激光束加工晶圆本体，形成自晶圆本体的表面向晶圆本体的内部延伸的光透通道。
具体地，采用垂直于晶圆本体表面的第一激光束加工晶圆本体，形成光透通道，本申请中的光透通道是指激光自垂直于晶圆本体的表面可直接照射的区域，不需要激光透过晶圆本体。
因此，光透区域的加工方式是自晶圆本体的表面向晶圆本体的内部方向移动。
其中，第一激光束与晶圆本体能够沿互相垂直的X轴、Y轴及Z轴相对移动，其中，可采用第一激光束移动和/或晶圆本体移动的方式实现二者之间的相对位置变化，其中，晶圆本体的移动可通过将晶圆放置于可沿互相垂直的X轴、Y轴及Z轴移动的精密移动平台实现。
可选地，第一激光束的脉宽范围为200fs～10ns，波长范围为355nm～1064nm，功率范围为1W～10W，重复频率范围为50kHz～200kHz，扫描速度范围为50mm/s～200mm/s。其中，实际的使用过程中，第一激光束的具体参数可根据实际的晶圆本体的材质进行选择。
S2.采用对晶圆本体具有穿透性波长的第二激光束隐形加工晶圆本体，形成位于晶圆本体的内部并限定待加工部的连续成面状的改质层，其中，待加工部位于光透通道区的周向并与光透通道连接。
也即是说，形成的异形结构包括位于晶圆本体内部且被位于其上方的晶圆本体遮挡的结构，因此无论是采用第二激光束加工改质层还是后续采用第三激光束去除由改质层限定的待加工部，均需要透过部分晶圆本体才能聚焦至待加工区域，因此，第二激光束及第三激光束均需要对晶圆本体具有穿透性波长。
可选地，第二激光束的脉宽范围为200fs～10ps，波长范围为355nm～1064nm，功率范围为1W～5W，重复频率范围为50kHz～200kHz，扫描速度范围为100mm/s～200mm/s，其中，实际的使用过程中，第二激光束的具体参数可根据实际的晶圆本体的材质进行选择。
可选地，第二激光束的脉宽小于第一激光束的脉宽，第二激光束的功率小于第一激光束的功率。
可选地，第二激光束与晶圆本体能够沿互相垂直的X轴、Y轴及Z轴相对移动，具体相对移动的方式可参考第一激光束与晶圆本体的相对移动方式，在此不做赘述。
可选地，异形结构的深度方向与Z轴平行，改质层的形成过程中，第二激光束在Z轴的加工方向自晶圆本体的内部向晶圆本体的表面移动。
需要说明的是，晶圆本体除了可以为单一的整块晶圆本体以外，还可以为复合晶圆，也即是晶圆本体可以由至少两部分连接形成，其中组成复合晶圆的各部分的材质可以相同，也可以不同。
在一些具体的实施例中，晶圆本体包括晶圆衬底以及设置于晶圆衬底上的薄膜，光透通道自薄膜的表面向晶圆衬底的内部延伸，待加工部位于晶圆衬底。
可选地，晶圆衬底的材质包括硅、碳化硅、蓝宝石、氮化镓和金刚石中的一种或多种；薄膜的材质包括硅、碳化硅、蓝宝石、氮化镓和金刚石中的一种或多种。
此时，在一种可选地异形结构的加工过程中，隐形加工晶圆本体的步骤包括：将第二激光束透过薄膜并聚焦于晶圆衬底的内部，形成自晶圆衬底的内部向晶圆衬底靠近薄膜的一侧延伸并终止于晶圆衬底的表面的改质层。
S3.采用对晶圆本体具有穿透性波长的第三激光束去除待加工部，形成异形结构。
其中，第二激光束的脉宽小于或等于第三激光束的脉宽，第二激光束的功率小于或等于第三激光束的功率。
可选地，第三激光束与晶圆本体能够沿互相垂直的X轴、Y轴及Z轴相对移动，具体相对移动的方式可参考第一激光束与晶圆本体的相对移动方式，在此不做赘述。
可选地，激光加工方法还包括：利用成像模块实时获得改质层、光透通道及去除待加工部的完成情况，以判断是否进行后续加工步骤。
进一步可选地，成像模块包括CCD，通过CCD实时拍摄并获得改质层、光透通道及去除待加工部的完成情况。
需要说明的是，可以按照上述方法将异形结构作为整体进行加工，也可以根据实际的需求将异形结构自深度方向分解为多级，按照上述步骤自晶圆本体的表面向晶圆本体的内部的方向依次进行每一级加工。
以下结合实施例对本申请的晶圆异形结构的激光加工方法作进一步的详细描述。
实施例1
请参阅图1，取待加工的碳化硅薄膜2/碳化硅晶圆衬底1构成的复合晶圆材料放置于超精密运动平台3上，将垂直于薄膜2的表面的脉宽300fs、波长1030nm、功率2W的激光束作为第二激光束5透过薄膜2并聚焦于晶圆衬底1的内部，同时以重复频率100kHz、扫描速度100mm/s沿预设加工轨迹运动，以在晶圆衬底1的内部加工出呈面状的改质层7，改质层7限定加工区域的侧壁以及底壁，且改质层7向晶圆衬底1靠近薄膜2的一侧延伸并终止于晶圆衬底1的表面。
请参阅图2，调整焦距，将垂直于薄膜2的表面的脉宽10ps、波长532nm、功率6W的激光束作为第一激光束4竖向聚焦于薄膜2的表面，并以重复频率100kHz、扫描速度80mm/s在加工出的贯穿薄膜2的作为光透通道的第一结构8，继续向下，加工出自晶圆衬底1的表面向晶圆衬底1的内部延伸的作为光透通道的第二结构9。
请参阅图3，调整激光加工参数为脉宽300fs、波长1030nm、功率3W、重复频率100kHz、扫描速度100mm/s作为第三激光束6，去除位于第二结构9周向且被改质层7限定的部分晶圆衬底1，去除的部分晶圆衬底1通过光透通道而被去除至晶圆外，获得第三结构10。
请参阅图4以及图5，重新调整焦距，将脉宽10ps、波长532nm、功率6W激光束作为第一激光束4聚焦于碳化硅晶圆衬底的第三结构10的底壁，并以重复频率100kHz、扫描速度80mm/s加工出作为光透通道的第四结构11。
整个加工过程均由在线监测模块对各步骤的加工尺寸进行实时监测，当达到加工要求时，即可开始下一步骤，否则继续当前步骤。当所有加工步骤完成，即得到碳化硅/碳化硅复合晶圆材料的异形结构。
请参阅图6，图6为采用现有的方式进行上述异形结构的加工，其与本实施例的方式不同之处仅在于：不预先形成改质层7，而是直接采用第三激光束6聚焦于晶圆本体内去除需要被去除的待加工部区域，形成的异形结构对应待加工部的轮廓容易产生加工缺陷12，相比于图6，本申请采用的加工方法获得的异形结构对应待加工部的轮廓近乎没有加工缺陷12。
实施例2
请参阅图7，取待加工的硅薄膜2/碳化硅晶圆衬底1构成的复合晶圆材料放置于超精密运动平台3上，将垂直于硅薄膜2的表面的4ns、波长532nm、功率7W的激光束作为第一激光束竖向聚焦于硅薄膜2的表面，并以重复频率100kHz、扫描速度100mm/s在加工出的贯穿硅薄膜2的作为光透通道的第一结构8，继续向下，加工出自碳化硅晶圆衬底1的表面向碳化硅晶圆衬底1的内部延伸的作为光透通道的第二结构9。
调整焦距，将垂直于硅薄膜2的表面的800fs、波长1064nm、功率1.8W的激光束作为第二激光束透过硅薄膜2并聚焦于碳化硅晶圆衬底1的内部，同时以重复频率120kHz、扫描速度90mm/s沿预设加工轨迹运动，以在碳化硅晶圆衬底1的内部加工出呈面状的改质层7，改质层7限定加工区域的顶壁、侧壁以及底壁。
调整激光加工参数为脉宽800fs、波长1064nm、功率1.8W、重复频率120kHz、扫描速度90mm/s作为第三激光束，去除位于第二结构9周向且被改质层7限定的部分碳化硅晶圆衬底1，去除的部分碳化硅晶圆衬底1通过光透通道而被去除至碳化硅晶圆外，获得第三结构10。
重新调整焦距，将4ns、波长532nm、功率7W的激光束作为第一激光束聚焦于碳化硅晶圆衬底的第三结构10的底壁，并以重复频率100kHz、扫描速度100mm/s加工出作为光透通道的第四结构11。
整个加工过程均由在线监测模块对各步骤的加工尺寸进行实时监测，当达到加工要求时，即可开始下一步骤，否则继续当前步骤。当所有加工步骤完成，即得到硅/碳化硅复合晶圆材料的异形结构，其中，实施例2的异形结构与实施例1中的相同，且本申请采用的加工方法获得的异形结构对应待加工部的轮廓近乎没有加工缺陷。
实施例3
取待加工的氮化镓薄膜/碳化硅晶圆衬底构成的复合晶圆材料放置于超精密运动平台上，将垂直于氮化镓薄膜的表面的10ps、波长1030nm、功率2W的激光束作为第二激光束透过氮化镓薄膜并聚焦于氮化镓晶圆衬底的内部，同时以重复频率150kHz、扫描速度120mm/s沿预设加工轨迹运动，以在氮化镓晶圆衬底的内部加工出呈面状的改质层，改质层限定加工区域的侧壁以及底壁，且改质层朝向氮化镓晶圆衬底靠近氮化镓薄膜的一侧延伸并终止于氮化镓晶圆衬底的表面。
调整焦距，将垂直于氮化镓薄膜的表面的脉宽6ns、波长355nm、功率5W的激光束作为第一激光束竖向聚焦于氮化镓薄膜的表面，并以重复频率130kHz、扫描速度120mm/s在加工出的贯穿氮化镓薄膜的作为光透通道的第一结构，继续向下，加工出自碳化硅晶圆衬底的表面向碳化硅晶圆衬底的内部延伸的作为光透通道的第二结构。
调整激光加工参数为10ps、波长1030nm、功率2W、重复频率150kHz、扫描速度120mm/s作为第三激光束，去除位于第二结构周向且被改质层限定的部分碳化硅晶圆衬底，去除的部分碳化硅晶圆衬底通过光透通道而被去除至晶圆外，获得第三结构。
重新调整焦距，将6ns、波长355nm、功率5W的激光束作为第一激光束聚焦于碳化硅晶圆衬底的第三结构的底壁，并以重复频率130kHz、扫描速度120mm/s加工出作为光透通道的第四结构。
整个加工过程均由在线监测模块对各步骤的加工尺寸进行实时监测，当达到加工要求时，即可开始下一步骤，否则继续当前步骤。当所有加工步骤完成，即得到氮化镓/碳化硅复合晶圆材料的异形结构，且本申请采用的加工方法获得的异形结构对应待加工部的轮廓近乎没有加工缺陷。
实施例4
实施例4与实施例3的异形结构相同，不同之处仅在于：
取待加工的氮化镓薄膜/碳化硅晶圆衬底构成的复合晶圆材料放置于超精密运动平台上，将垂直于氮化镓薄膜的表面的10ps、波长1030nm、功率2W的激光束作为第二激光束透过氮化镓薄膜并聚焦于碳化硅晶圆衬底的内部，同时以重复频率150kHz、扫描速度120mm/s沿预设加工轨迹运动，以在碳化硅晶圆衬底的内部加工出呈面状的改质层，改质层限定加工区域，且改质层贯穿晶圆衬底靠近氮化镓薄膜的一侧。
调整焦距，将垂直于氮化镓薄膜的表面的脉宽6ns、波长355nm、功率5W的激光束作为第一激光束竖向聚焦于氮化镓薄膜的表面，并以重复频率130kHz、扫描速度120mm/s在加工出的贯穿氮化镓薄膜的作为光透通道的第一结构，继续向下，加工出自碳化硅晶圆衬底的表面向碳化硅晶圆衬底的内部延伸的作为光透通道的第二结构和第四结构。
调整激光加工参数为10ps、波长1030nm、功率2W、重复频率150kHz、扫描速度120mm/s作为第三激光束，去除位于第二结构周向且被改质层限定的部分碳化硅晶圆衬底，去除的部分碳化硅晶圆衬底通过光透通道而被去除至晶圆外，获得第三结构。
综上，本申请提供的晶圆异形结构的激光加工方法，其中异形结构具有被部分位于其上侧的晶圆本体遮蔽的部分，通过预先形成限定被遮蔽的待加工部的改质层，将待加工部与异形结构进行分隔后再进行待加工部的去除，此时有效降低去除待加工部时因热效应导致的异形结构的加工缺陷，大幅提高了异形结构的精度。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种晶圆异形结构的激光加工方法，其特征在于，所述激光加工方法包括：
采用第一激光束加工晶圆本体，形成自所述晶圆本体的表面向所述晶圆本体的内部延伸的光透通道；
采用对晶圆本体具有穿透性波长的第二激光束隐形加工晶圆本体，形成位于所述晶圆本体的内部并限定待加工部的连续成面状的改质层；
所述待加工部位于所述光透通道区的周向并与所述光透通道连接，采用对晶圆本体具有穿透性波长的第三激光束去除所述待加工部，形成所述异形结构；
所述异形结构的深度方向与Z轴平行，在所述改质层的形成过程中，所述第二激光束在Z轴的加工方向自所述晶圆本体的内部向所述晶圆本体的表面移动；
所述第二激光束的脉宽小于所述第一激光束的脉宽，所述第二激光束的功率小于所述第一激光束的功率；
所述第二激光束的脉宽小于或等于所述第三激光束的脉宽，所述第二激光束的功率小于或等于所述第三激光束的功率。
2.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，所述第一激光束与所述晶圆本体能够沿互相垂直的X轴、Y轴及Z轴相对移动，所述第二激光束与所述晶圆本体能够沿互相垂直的X轴、Y轴及Z轴相对移动，所述第三激光束与所述晶圆本体能够沿互相垂直的X轴、Y轴及Z轴相对移动。
3.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，所述晶圆本体包括晶圆衬底以及设置于所述晶圆衬底上的薄膜，所述光透通道自所述薄膜的表面向所述晶圆衬底的内部延伸，所述待加工部位于所述晶圆衬底。
4.根据权利要求3所述的激光加工方法，其特征在于，隐形加工所述晶圆本体的步骤包括：将所述第二激光束透过薄膜并聚焦于晶圆衬底的内部，形成自所述晶圆衬底的内部向所述晶圆衬底靠近所述薄膜的一侧延伸并终止于所述晶圆衬底的表面的所述改质层。
5.根据权利要求4所述的激光加工方法，其特征在于，所述晶圆衬底的材质包括硅、碳化硅、蓝宝石、氮化镓和金刚石中的一种或多种；
所述薄膜的材质包括硅、碳化硅、蓝宝石、氮化镓和金刚石中的一种或多种。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的激光加工方法，其特征在于，所述激光加工方法还包括：利用成像模块实时获得所述改质层、光透通道及去除所述待加工部的完成情况，以判断是否进行后续加工步骤。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的激光加工方法，其特征在于，所述第一激光束的脉宽范围为200fs～10ns，波长范围为355nm～1064nm，功率范围为1W～10W，重复频率范围为50kHz～200kHz，扫描速度范围为50mm/s～200mm/s；
所述第二激光束的脉宽范围为200fs～10ps，波长范围为355nm～1064nm，功率范围为1W～5W，重复频率范围为50kHz～200kHz，扫描速度范围为100mm/s～200mm/s。
CN202010860509.9A 2020-08-24 2020-08-24 一种晶圆异形结构的激光加工方法 Active CN111975211B (zh)

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