CN112837998B - 一种衬底加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种衬底加工方法及其加工装置，通过测量装置确定衬底的厚度和不对称面型，利用激光器对所述衬底进行激光扫描，激光器根据测量出的衬底参数自动设置匹配的激光参数，在所述衬底中形成改质点以使所述衬底收敛为对称面型，均匀衬底的应力，提高衬底的应力收敛性，使衬底对称面型的比例提高至100%，对称面型的衬底有利于提高后续外延层波长的收敛性，进而使得器件良率大大提升。

Description

一种衬底加工装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种衬底加工装置。

背景技术

在半导体器件的制造过程中，通常需要借助生长衬底进行外延层的生长，对于生长衬底而言，衬底扭曲/弯曲是影响外延均匀性的最重要的因素。例如通常作为GaN外延层的生长衬底的蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底的机械加工过程中，会使衬底产生不均匀的应力，从而使衬底发生扭曲；例如：在多线切割过程中，由于蓝宝石较硬，钻石线受到较大的切割阻力，将出现抖动以及变形，衬底两侧线的位置不对称，导致衬底受力不均匀，发生扭曲；在研磨过程中，随着时间的推移，研磨颗粒会逐渐的减小，而不同大小的颗粒对衬底的压力是不同的，从而导致衬底的残留应力不同；在单面抛光后，最终衬底两面的粗糙度不同，会导致衬底两侧表面的应力状况不同，扭曲会进一步恶化。衬底的弯曲/扭曲使得衬底呈现出不对称的面型，不对称面型的衬底会导致后续形成的外延层的波长的收敛性降低，外延层波长的均匀性直接影响着后期器件的良率。

现有技术中，一般通过控制衬底的平片加工制程，例如长晶、切割、研磨、退火、铜抛和抛光等过程，来控制衬底的翘曲形状或者翘曲量。然而，这样的方法并不能使衬底完全收敛为对称面型。因此，有必要提供一种能够使衬底有效收敛为对称面型的加工方法。

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衬底加工方法及其加工装置。首先测量衬底，确定衬底的厚度和不对称面型，对所述衬底进行激光扫描，激光器根据测量出的衬底翘曲参数自动设置匹配的激光参数，在所述衬底中形成改质点以使所述衬底收敛为对称面型。对称面型，是指衬底在每个径向方向上的弯曲幅度和弯曲方向趋于一致，例如碗型的衬底，有利于后续形成的外延层的波长均匀性。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明的一实施例提供了一种衬底加工方法：该方法包括以下步骤：

提供待测量的衬底；

确定所述衬底的厚度和不对称面型，所述不对称面型是指衬底在径向方向上的弯曲幅度和弯曲方向不一致；

可选地，所述衬底的不对称面型包括以下面型中的任意一种：

同心椭圆型，所述衬底在不对称方向上弯曲方向相同但弯曲度不同；

穿透型，所述衬底在一个方向上弯曲，在与该方向不对称的另一方向上不弯曲；

马鞍型，所述衬底在不对称的方向上弯曲方向相反。

对所述衬底进行激光扫描，在所述衬底中形成改质点以使所述衬底收敛为对称面型。

可选地，对所述衬底进行激光扫描，还包括以下步骤：

确定所述衬底不对称面型的不对称的取向；

根据所述衬底在所述不对称的取向上的弯曲度，确定所述衬底的目标弯曲度bow0；

计算所述衬底在所述不对称的取向上的弯曲度值与所述目标弯曲度的弯曲度差值Δbow；

根据所述弯曲度差值Δbow确定对所述衬底进行激光扫描的扫描深度；

根据所述弯曲度差值Δbow调整不同取向上的扫描线之间的间距。

可选地，确定所述衬底不对称面型的不对称的取向，对所述衬底进行激光扫描，还包括如下步骤：

确定所述衬底的第一表面和第二表面；

确定所述不对称面型的第一取向和第二取向，所述第一取向与所述第二取向为相交的不对称的取向；

沿所述第一表面，测量所述衬底在所述第一取向上的第一弯曲度bow1；

沿所述第一表面，测量所述衬底在所述第二取向上的第二弯曲度bow2；

计算所述衬底在所述第一取向上的所述第一弯曲度与所述目标弯曲度的第一弯曲度差值Δbow1，以及所述衬底在所述第二取向上的第二弯曲度差值Δbow2。

可选地，在所述不对称的取向上，对所述衬底进行激光扫描，还包括以下步骤：

根据所述第一弯曲度差值Δbow1及所述第二弯曲度差值Δbow2确定对衬底进行激光扫描的扫描深度；

根据所述第一取向上的第一弯曲度差值Δbow1调整所述第一取向上的扫描线之间的第一间距；

根据所述第二取向上的第二弯曲度差值Δbow2调整所述第二取向上的扫描线之间的第二间距。

本发明的另一实施例提供了一种衬底加工装置，包括上料区域、测量区域和隐镭区域；所述上料区域用于承载待测量的衬底；所述测量区域位于上料区域的一侧，用于测量衬底的翘曲参数和厚度参数；所述隐镭区域位于上料区域的另一侧，用于对所述衬底进行激光扫描，在所述衬底中形成改质点以使所述衬底收敛为对称面型。

所述上料区域包括承载底座、位于承载底座上的机械臂和机械臂顶部的第一样品载台，所述机械臂包括竖直方向的滑动装置，用于调节高度，具体的，滑动装置包括滑轨、滑块等。

所述上料区域的第一样品载台设置为至少两个，所述第一样品载台与机械臂的顶端活动连接，使第一样品载台能够在水平方向上转动，第一样品载台设置为至少两个，可以大幅度提高效率，一次取两片或多片衬底，当前衬底加工时，下一片衬底提前取出准备，避免机械传输过程中的等待。

所述机械臂的底部与承载底座固定连接，以保证加工过程中衬底平稳地运行。

所述测量区域包括两个测距激光器和第二样品载台，所述测距激光器分别位于所述第二样品载台的上下端，且与所述第二样品载台的距离相同，所述测距激光器用于测量衬底的翘曲参数和厚度参数，所述翘曲参数包括衬底的面型和弯曲度。

所述第二样品载台为多点支撑式的载台，除支撑点外，衬底表面不与其它部件接触，以保证所述测距激光器测量结果的准确性。

所述隐镭区域包括激光器和第三样品载台，所述激光器用于对所述衬底进行激光扫描，所述激光扫描的参数根据测量的衬底翘曲参数自动设置，在所述衬底中形成改质点以使所述衬底收敛为对称面型。

所述第三样品载台为真空吸附载台，避免第三样品载台影响激光扫描的精确度。

如上所述，本发明提供的衬底加工方法及其加工装置，至少具备如下有益技术效果：

本发明的方法中，首先通过测量区域的激光器确定衬底所呈现的不对称面型，根据激光器的测量结果，隐镭区域的激光器自动设置匹配的激光参数，对所述衬底进行激光扫描，在所述衬底中形成改质点以使所述衬底收敛为对称面型，例如碗型。在收敛为对称面型的衬底上生长外延层，有利于降低外延层波长的离散性，即，使得外延层的波长更加收敛，外延层波长的收敛性提高直接影响后续器件的良率，使得器件良率大大提升。

另外，本发明采用激光对衬底进行辐照，根据衬底的类型、尺寸、翘曲参数等，调整激光脉冲的光斑尺寸、脉冲波长、功率、脉冲时间、辐照(或扫描)时间等参数，确定改质点(空洞或气泡)在衬底中的深度，以及改质点的大小，控制过程易于操作，控制精度高。另外，激光辐照的成本相对较低，由此可以降低衬底加工的成本。

附图说明

图1是本发明衬底加工方法的工艺流程图。

图2是本发明衬底加工装置的示意图。

图3a～图3c显示为通过包含测距激光器的测量装置测试的因应力分布不均匀发生扭曲的不同面型的衬底的弯曲分布示意图。

图3d显示为通过包含测距激光器的测量装置测试的应力分布均匀的面型的衬底的弯曲分布示意图。

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它优点与功效。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。

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，虽图示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形态、数量、位置关系及比例可在实现本发明技术方案的前提下随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

衬底的制备是半导体器件制造过程中非常重要的一个环节，衬底的良率直接影响着器件的性能。由于衬底通常为非常薄的片材，在衬底的机械加工过程中，由于应力分布不均匀，衬底不可避免地存在弯曲、扭曲、翘曲等缺陷，衬底的弯曲、翘曲或者扭曲直接影响着后续的外延成膜质量。

衬底应力分布不均使衬底在不同方向上出现弯曲、翘曲或者扭曲，并且不同方向上的弯曲程度和/或弯曲方向不同，这就使衬底呈现为不对称的面型。如果衬底应力分布相对均匀，衬底在各径向方向上的弯曲方向和弯曲程度趋于相同，衬底呈现对称面型。对称面型的衬底弯曲的收敛性较好，此类衬底用于外延成膜时，有利于外延成膜层的波长收敛。

如图3a～图3d所示，以蓝宝石衬底为例，衬底具有第一表面及与其相对的第二表面，定义横向和纵向为衬底的径向延伸的两个垂直方向，从衬底的一表面采用包含测距激光器的测量装置，例如平坦度测量仪测试衬底的弯曲度分布情况，蓝宝石衬底通常具有四种不同的面型。如图3a所示，如果在横向方向上，衬底的外围区域向第一表面弯曲分布，在纵向方向上，衬底的外围区域向第二表面弯曲分布，则衬底呈现类似马鞍的形状，因此这样的衬底面型通常被称为马鞍型；如图3b所示，如果在横向方向上衬底的部分外围区域均向同一个表面(即第一表面或第二表面)弯曲，在纵向方向上，衬底的部分外围区域是平坦、无翘曲的，则呈现这种弯曲类型的衬底面型通常被称为穿透型；如图3c所示，如果在纵向方向和横向方向上，衬底的外围区域均朝向同一个表面(即第一表面或者第二表面)弯曲，并且在距离衬底中心相同距离的位置上，横向方向上的弯曲程度相较于纵向方向上的弯曲程度更大，则衬底面型呈现同心椭圆型。

图3a～3c所示的衬底面型，衬底因应力分布不均匀而导致衬底在不同的径向方向上呈现的弯曲方向和/或弯曲程度不同，因此使得本应该在衬底的各个径向方向上完全对称的衬底在某些径向方向上呈现不对称特征，因此图3a～图3c所示的衬底面型统称为不对称面型。

图3d所示的衬底，应力分布相对均匀，衬底在外围区域的距离衬底中心相同距离的各个径向的位置上，弯曲程度几乎相同，且都朝向同一个表面(即第一表面或第二表面)弯曲，这样的衬底弯曲呈现的面型为同心圆型或碗型。碗型的衬底由于其应力分布相对均匀，外围区域在各径向方向上的弯曲方向相同且弯曲程度趋于相同，此时衬底在各个径向方向上基本上仍然是对称的，因此该面型可以称为对称面型。碗型面型的衬底弯曲的收敛性较好，此类衬底用于外延成膜时，有利于外延成膜层的波长收敛。

针对衬底弯曲的上述特性，本实施例旨在提供一种衬底加工方法及其加工装置，以提高衬底面型收敛性。

如图1所示，在本发明的一实施例中，本发明所述的衬底加工方法包括如下步骤：

提供待测量的衬底；

确定所述衬底的不对称面型；

对所述衬底进行激光扫描，在所述衬底中形成改质点以使所述衬底收敛为对称面型。

本实施例中，上述衬底可以是用于半导体制造的任意衬底，例如可以是适用于外延层生长的衬底。在可选实施例中，该衬底是能够吸收激光并在内部形成改质点以改善应力分布的衬底，例如蓝宝石衬底。该蓝宝石衬底的厚度大约在50μm～20mm，其直径可以是4英寸～18英寸。

以蓝宝石衬底为例，衬底具有第一表面和第二表面，从衬底的其中一个表面采用包含测距激光器的测量装置，例如平坦度测量仪测试衬底的弯曲度分布情况，由此确定衬底所呈现的面型。

在本实施例的一可选实施例中，如图3a所示，在衬底表面的两个不同的径向方向上，衬底的外围区域均朝向同一个表面(即第一表面或者第二表面)弯曲，但是，在距离衬底中心相同距离的位置上，在上述两个不同的径向方向上，衬底的弯曲程度不同，此时，衬底呈现的面型为同心椭圆型，为不对称面型。

确定了衬底的面型之后，确定所述衬底呈现不对称弯曲的两个不对称取向。对于图3a所示的同心椭圆型面型的衬底，确定椭圆型面型衬底的第一取向及第二取向，衬底在第一取向和第二取向上均朝向同一个表面(即第一表面或者第二表面)弯曲，但是在距离衬底的中心相同距离的位置上，衬底的弯曲程度不同。

确定了衬底的上述不对称取向之后，分别计算衬底在不对称取向上的弯曲度值。仍然参照图3a，测量衬底在第一取向上的弯曲度bow1，以及衬底在第二取向上的弯曲度bow2。

确定了衬底在不对称取向上的弯曲度之后，对衬底进行激光扫描，在本实施例中，选择脉冲激光对衬底进行扫描。具有一定光斑尺寸的单脉冲在具体的材料上可以打出具有一定尺寸和深度的改质点，该改质点可以是空洞的或者重铸点，相互重叠的空洞或者重铸点在衬底中形成槽线或者重铸线。上述改质点的尺寸以及在衬底中的深度与材料的硬度和熔点以及单脉冲的光斑尺寸、能量和波长有关。通过调整脉冲频率和扫描速度，可以调控改质点(或者有改质点形成的槽线或者重铸线)的宽度和深度。

根据衬底的翘曲和厚度参数，激光器可自动设置相应的参数对衬底进行扫描，在所述衬底中形成改质点以使所述衬底由不对称面型收敛为对称面型。

本发明的另一实施例公开了一种衬底加工装置，如图2所示为该装置的简要示意图。如图2，该加工装置包括上料区域,1、测量区域2和隐镭区域3；上料区域1用于承载待测量的衬底；测量区域2位于上料区域1的一侧，用于测量衬底的翘曲参数和厚度参数；隐镭区域3位于上料区域的另一侧，用于对衬底进行激光扫描，在衬底中形成改质点以使衬底收敛为对称面型。

上料区域1包括承载底座11、位于承载底座上的机械臂12和机械臂顶部的第一样品载台13，机械臂12包括竖直方向的滑动装置(图中未示出)，滑动装置用于调节高度，其包括滑轨、滑块等。

第一样品载台设置为两个或多个，在本实施例中第一样品载台设置为两个，如图中13为一个第一样品载台，另一个第一样品载台设置于与13相对的另一侧，第一样品载台一端与机械臂的顶端活动连接，使第一样品载台能够在水平方向转动，两个或多个第一样品载台可以大幅度提高效率，一次取两片或多片衬底，当前衬底加工时，下一片衬底提前取出准备，避免机械传输过程中的等待。

机械臂12的底部与承载底座11固定连接，以保证装置工作时衬底平稳地运行。

测量区域2包括上下两个测距激光器(图中21和22)和位于测距激光器中间的第二样品载台23，两个测距激光器与第二样片载台23之间的距离相同，测距激光器用于测量衬底的翘曲和厚度参数，翘曲参数包括衬底的面型和弯曲度。

第二样品载台23为多点支撑式的载台，除支撑点外，衬底表面不与其它部件接触，以保证测距激光器测量结果的准确。

隐镭区域3包括激光器32和第三样品载台31，激光器32用于对衬底进行激光扫描，激光扫描的参数根据测量的衬底翘曲参数自动匹配，在衬底中形成改质点以使衬底收敛为对称面型。

第三样品载台31为真空吸附载台，避免样品载台影响激光扫描的精确度。

如上所述，本发明提供的衬底加工方法及其加工装置，至少具备如下有益技术效果：

本发明的方法中，首先通过测量区域的激光器确定衬底的不对称面型，根据激光器的测量结果，隐镭区域的超快激光器自动设置匹配的激光参数，对衬底进行激光扫描，在所述衬底中形成改质点以使所述衬底收敛为对称面型，例如碗型。在收敛为对称面型的衬底上生长外延层，有利于降低外延层波长的离散性，即，使得外延层的波长更加收敛，外延层波长的收敛性提高直接影响后续器件的良率，使得器件良率大大提升。

另外，本发明采用激光对衬底进行辐照，根据衬底的类型、尺寸、翘曲参数等，调整激光脉冲的光斑尺寸、脉冲波长、功率、脉冲时间、辐照(或扫描)时间等参数，确定改质点(空洞或气泡)在衬底中的深度，以及改质点的大小。控制过程易于操作，控制精度高。另外，激光辐照的成本相对较低，由此可以降低衬底加工的成本。

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 (7)

1.一种衬底加工装置，其特征在于，

包括上料区域、测量区域和隐镭区域，所述上料区域用于承载待测量的衬底；

所述测量区域位于上料区域的一侧，用于测量衬底的厚度和不对称面型，所述不对称面型是指衬底在径向方向上的弯曲幅度和弯曲方向不一致；所述测量区域包括两个测距激光器和第二样品载台，所述测距激光器分别位于所述第二样品载台的上下端，且与所述第二样品载台的距离相同，所述第二样品载台为多点支撑式的载台；

所述隐镭区域位于上料区域的另一侧，用于根据测量区域所得到的衬底翘曲和厚度参数自动设置相应的隐镭参数，对所述衬底进行激光扫描，在所述衬底中形成改质点以使所述衬底收敛为对称面型；

所述隐镭区域包括激光器和第三样品载台，所述激光器用于对所述衬底进行激光扫描，所述第三样品载台为真空吸附载台；

其中，对所述衬底进行激光扫描，还包括以下步骤：

确定所述衬底不对称面型的不对称的取向；

根据所述衬底在所述不对称的取向上的弯曲度，确定所述衬底的目标弯曲度bow0；

计算所述衬底在所述不对称的取向上的弯曲度值与所述目标弯曲度的弯曲度差值Δbow；

根据所述弯曲度差值Δbow确定对所述衬底进行激光扫描的扫描深度；

根据所述弯曲度差值Δbow调整不同取向上的扫描线之间的间距。

2.根据权利要求1所述的一种衬底加工装置，其特征在于，确定所述衬底不对称面型的不对称的取向，对所述衬底进行激光扫描，还包括如下步骤：

确定所述衬底的第一表面和第二表面；

确定所述不对称面型的第一取向和第二取向，所述第一取向与所述第二取向为相交的不对称的取向；

沿所述第一表面，测量所述衬底在所述第一取向上的第一弯曲度bow1；

沿所述第一表面，测量所述衬底在所述第二取向上的第二弯曲度bow2；

计算所述衬底在所述第一取向上的所述第一弯曲度与所述目标弯曲度的第一弯曲度差值Δbow1，以及所述衬底在所述第二取向上的第二弯曲度差值Δbow2。

3.根据权利要求2所述的一种衬底加工装置，其特征在于，在所述不对称的取向上，对所述衬底进行激光扫描，还包括以下步骤：

根据所述第一弯曲度差值Δbow1及所述第二弯曲度差值Δbow2确定对衬底进行激光扫描的扫描深度；

根据所述第一取向上的第一弯曲度差值Δbow1调整所述第一取向上的扫描线之间的第一间距；

根据所述第二取向上的第二弯曲度差值Δbow2调整所述第二取向上的扫描线之间的第二间距。

4.根据权利要求1所述的一种衬底加工装置，其特征在于，所述衬底的不对称面型包括以下面型中的任意一种：

同心椭圆型，所述衬底在不对称方向上弯曲方向相同但弯曲度不同；

穿透型，所述衬底在一个方向上弯曲，在与该方向不对称的另一方向上不弯曲；

马鞍型，所述衬底在不对称的方向上弯曲方向相反。

5.根据权利要求1所述的一种衬底加工装置，其特征在于，所述上料区域包括承载底座、位于承载底座上的机械臂和机械臂顶部的第一样品载台，所述机械臂包括竖直方向的滑动装置，用于调节高度。

6.根据权利要求5所述的一种衬底加工装置，其特征在于，所述第一样品载台设置为至少2个，所述第一样品载台与机械臂的顶端活动连接，使其能够绕机械臂顶端在水平面上转动。

7.根据权利要求6所述的一种衬底加工装置，其特征在于，所述机械臂的底部与承载底座连接。