CN115841973B - 一种用于晶圆激光退火的挡光环及其制备方法 - Google Patents

一种用于晶圆激光退火的挡光环及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种用于晶圆激光退火的挡光环及其制备方法,属于半导体晶圆技术领域,该制备方法包括:对石英玻璃的上表面进行抛光处理后,采用激光隐形切割方式对石英玻璃进行切割,得到挡光环粗品;对挡光环粗品的下表面进行表面磨制,再对挡光环粗品的内环断面进行磨制,以及对挡光环粗品进行超声波清洗以及激光预处理,得到挡光环。这种挡光环的上表面为抛光面,对0.2~0.9μm波长的激光能量几乎无能量吸收,因此具有极强的抗激光损伤能力,也不易产生颗粒。同时,这种挡光环的下表面经磨砂处理后,聚焦的锥形光束在磨砂面上从内向外散射,形成较大的散射斑,大幅降低辐射至晶圆边缘上的激光能量密度,从而达到很好的挡光效果。

Description

一种用于晶圆激光退火的挡光环及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体晶圆技术领域,具体而言,涉及一种用于晶圆激光退火的挡光环及其制备方法。
背景技术
目前,在半导体晶圆制造过程中,采用激光退火方式实现结晶、离子激活、欧姆接触等目的,已逐步成为一种新型的晶圆热处理工艺。激光退火以其非接触、作用时间短、空间灵活可控等优势,在IGBT、SiC、3D NAND以及DRAM晶圆制造工艺中得到重视和大量应用。
激光退火过程中,需要将激光光束进行各种变换处理,然后将激光能量会聚到晶圆表面,通过扫描方式完成对整片晶圆的热处理。为保证整个晶圆所有区域得到均匀一致的效果,一般采用载片台吸附晶圆做逐行的S形扫描方式完成整片处理。但因为前后道工艺原因,晶圆边缘1~5mm的范围不允许激光扫描,避免出现晶圆表面产生脱落的现象、激光烧蚀或激光扫描不均匀等问题,因此需要采用晶圆挡光环对出现在这一区域内的激光进行遮挡。
一般挡光环采用钨钼合金、碳化硅、氧化铝、氮化铝等材料,利用其耐高温、抗辐射或导热快等特点对激光进行吸收式遮挡。随着半导体晶圆制造制程的发展,对晶圆制造环境中颗粒、金属离子污染等都非常敏感,常用的挡光环材料在激光热处理过程中会出现以下问题:
1)挡光环位于激光焦点附近,如图1所示,能量密度较高容易导致挡光材料的损伤,不利于长期使用;
2)长期受激光照射的受损挡光环材料表面产生不同直径的颗粒,如图2~4所示,导致晶圆和加工环境的污染,严重影响晶圆制程的性能;
3)常用挡光环材料多为硬脆材料,加工难度大,表面状态不易保证一致,难以保证尺寸、边缘状态的稳定。
鉴于此,本申请提供一种用于晶圆激光退火的挡光环及其制备方法。
发明内容
本发明公开了一种用于晶圆激光退火的挡光环及其制备方法,以改善上述的问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:
基于上述的目的,本发明公开了一种设备,包括:
第一方面,本发明提供一种用于晶圆激光退火的挡光环的制备方法,其包括:
对石英玻璃的上表面进行抛光处理后,采用激光隐形切割方式对石英玻璃进行切割,得到挡光环粗品;
对挡光环粗品的下表面进行表面磨制,使得下表面的表面粗糙度Ra为0.025~0.2;
再对挡光环粗品的内环断面进行磨制,使得内环断面与竖直方向的夹角呈20~45°、且表面粗糙度为Ra为0.025~0.2;以及
对挡光环粗品进行超声波清洗以及激光预处理。
进一步地,在本发明较佳的实施例中,还包括在经激光预处理后的挡光环粗品的上表面增设激光增透介质膜的步骤,该膜是一种难熔氧化硬膜,镀在挡光环表面时,能够最大程度地增加0.2~0.9μm波长范围内的透过率,可达99.5%以上,所述激光增透介质膜的激光损伤阈值大于500MW/cm2,以适用于高功率激光加工。
进一步地,在本发明较佳的实施例中,在对挡光环粗品的内环断面进行磨制的过程中,内环断面呈阶梯式的多层断面,每层断面与竖直方向的夹角均保持一致。
进一步地,在本发明较佳的实施例中,采用激光隐形切割方式对石英玻璃进行切割过程中,切割精度为±0.05mm,崩边小于0.1mm。
进一步地,在本发明较佳的实施例中,对下表面以及内环断面进行磨制过程中,采用W20~W40的抛光粉进行研磨;
进一步地,在本发明较佳的实施例中,激光预处理的步骤包括:采用能量密度为0.5~2 J/cm2的聚焦激光在距离焦点250~350mm位置对挡光环粗品进行100~500次激光扫描。
进一步地,在本发明较佳的实施例中,对石英玻璃的上表面进行抛光处理,使得石英玻璃的上表面呈40~20级光学表面。
第二方面,本发明提供一种用于晶圆激光退火的挡光环,其通过如上的用于晶圆激光退火的挡光环的制备方法制得,挡光环外径比晶圆外径大25~35mm,挡光环内径比晶圆内径小1~5mm。
进一步地,在本发明较佳的实施例中,挡光环的厚度为1.0~1.3mm。
与现有技术相比,本发明实现的有益效果是:
1.本发明采用石英玻璃作为挡光环材料,这种材料的优势在于石英玻璃容易透过激光,对激光的吸收小,所以发热少,在激光的作用下不易变形,容易镀膜;且石英玻璃本身材质是硅,与晶圆材料一致,可防止晶圆金属污染。
2.这种挡光环的下表面经磨砂处理后呈粗糙度为Ra为0.025~0.2的磨砂面,聚焦的锥形光束在磨砂面上从内向外散射,形成较大的散射斑,从而大幅降低辐射至晶圆边缘上的激光能量密度。例如当挡光环放置在晶圆上方30mm处时,激光能量密度将大幅下降至入射值的0.1%。这种经挡光环后极弱的散射光照射到晶圆表面,远低于晶圆热处理所需的能量密度阈值,从而使需要进行遮挡部分的晶圆无法产生相应的工艺效果,从而达到挡光效果。
3. 这种挡光环的上表面为抛光面,使得该挡光环呈透射模式,其对0.2~0.9μm波长的激光能量几乎无能量吸收,因此具有极强的抗激光损伤能力,也不易产生颗粒,使用寿命长。
4.这种挡光环采用激光隐形切割方式对石英玻璃进行切割,获得极高的切割精度和崩边效果。对于激光隐形切割后的内环断面,为了进一步保证良好的散射效果,避免激光反射,对该内环断面进行磨制,使得内环断面与竖直方向的夹角呈20~45°、且表面粗糙度为Ra为0.025~0.2。
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为现有技术中挡光环在使用过程中位于激光焦点附近的示意图;
图2示出了现有技术中被污染的晶圆表面颗粒分布及颗粒照片;
图3示出了现有技术中激光照射损伤的SiC陶瓷挡光环表面;
图4示出了现有技术中激光照射损伤的A1N陶瓷挡光环表面;
图5为本发明实施例4中的挡光环在使用过程中的示意图;
图6为本发明实施例4中挡光环的内环断面的结构示意图;
图7为本发明实施例5中挡光环的内环断面的结构示意图;
图8为本发明实验例1中透过不同粗糙度的挡光片的激光光斑分布图;
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述,但是本领域技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本发明,而不应视为限制本发明的范围,实施例中未注明的具体条件,按照常规条件或者制造商建议的条件进行,所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本实施方式的技术方案为:
本实施方式提供一种用于晶圆激光退火的挡光环,该挡光环外径比晶圆外径大25~35mm(优选地,比晶圆外径大28~32mm),挡光环内径比晶圆内径小1~5mm(优选地,比晶圆内径小2~4mm)。选择该尺寸的挡光环的原因在于,在激光关断时间和平台速度的综合作用下激光会在晶圆外25~ 32 mm的距离范围内关断,内圈比晶圆小2-4mm是根据客户工艺决定的。
进一步地,该挡光环的厚度为1.0~1.3mm,优选为1.1~1.2mm。这种厚度的挡光环,有助于加工,材料宜获得,因为普通手机显示屏厚度就是1.1-1.2mm。
这种用于晶圆激光退火的挡光环的制备方法,其包括:
步骤S1:对石英玻璃的上表面进行抛光处理后,采用激光隐形切割方式对石英玻璃进行切割,得到挡光环粗品;
进一步地,采用激光隐形切割方式对石英玻璃进行切割过程中,切割精度为±0.05mm,崩边小于0.1mm。将切割精度和崩边控制在该范围内,有助于后面的倒角加工,能够更好的控制成品的精度,满足使用要求。
进一步地,激光隐形切割方式包括:切深0.03~0.130mm,速度450~550mm/s,频率80~120KHz,脉冲数2~4,功率3000~8500W。
进一步地,对石英玻璃的上表面进行抛光处理,使得石英玻璃的上表面呈40~20级光学表面,以减少剥离界面的光吸收,从而减少激光损伤和产生颗粒的风险。
步骤S2:对挡光环粗品的下表面进行表面磨制,使得下表面的表面粗糙度Ra为0.025~0.2;再对挡光环粗品的内环断面进行磨制,使得内环断面与竖直方向的夹角呈20~45°、且表面粗糙度为Ra为0.025~0.2。
进一步地,对下表面以及内环断面进行磨制过程中,采用W20~W40的抛光粉进行研磨,抛光粉的成分没有特殊限制,能够满足功用即可。
优选地,采用光学冷加工方式,使用专门的球形磨具和W20~W40磨料对下表面以及内环断面进行磨制,使得下表面以及内环断面的表面粗糙度Ra均为0.025~0.2,且使内环断面呈角度为20~45°的斜面。
更为优选地,使用单轴机手工磨削,转速5-8转/分,使用碳化硅或者碳化硼。后期批量使用机磨,每磨削5-10分钟看一次磨削效果,磨料使用W20或者W40。
为进一步地提高挡光效果,可采用多层挡光环叠加的方式。在对这种多层挡光环的内环断面进行磨制的过程中,内环断面呈阶梯式的多层断面,每层断面与竖直方向的夹角均保持一致。这种具有多层断面的挡光环,具有更高的能量衰减效果,有助于提升挡光环的散射效果,以进一步减少照射到晶圆表面的散射光强度,进而提高挡光效果。同时,利用激光加工的优势,这种具有多层断面切割形状和尺寸的挡光环可以快速、灵活的获得,加工难度低。
步骤S3:对挡光环粗品进行超声波清洗以及激光预处理,得到挡光环。
对最后所得到的挡光环粗品进行超声波清洗,并检验表面瑕疵;在对其进行激光预处理,能够清除在磨制过程中粗糙表面的残余颗粒以及抛光液残渣,提升挡光环的挡光效果。优选地,激光预处理的步骤包括:采用能量密度为0.5~2 J/cm2的聚焦激光在距离焦点250~350mm位置对挡光环粗品进行100~500次激光扫描。
进一步地,在本发明较佳的实施例中,在上述挡光环粗品的上表面增设对应波长的激光增透介质膜,以进一步减少玻璃界面的光吸收,无机关损伤和产生颗粒的风险。优选地,在挡光环的上表面镀制所需波长的激光增透介质膜,该膜是一种难熔氧化硬膜,镀在挡光环表面时,能够最大程度地增加0.2~0.9μm波长范围内的透过率,可达99.5%以上,所述激光增透介质膜的激光损伤阈值大于500MW/cm2
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
实施例1
本实施例提供一种用于12英寸晶圆激光退火的挡光环,其制备方法包括:
1.采用厚度为1.0mm的熔融石英玻璃平板,尺寸为400*400mm,表面抛光至20级光学表面。
2.采用皮秒激光切割机,将上述玻璃平板切割为内径296mm、外径为350mm的圆环(即为挡光环粗品),切割精度为±0.05mm,崩边小于0.1mm。
3.采用W20的抛光粉对挡光环粗品的下表面进行研磨,得到表面粗糙度Ra为0.04的下表面。
4.采用球形磨具,用W40的抛光粉对挡光环粗品的内环断面进行磨制,使得内环断面呈20°(与竖直方向的夹角)的楔形斜面,且该楔形斜面的表面粗糙度Ra为0.04。
5.对所得到的挡光环采用超声波进行清洗,并检验表面瑕疵。
6.对表面检验合格的挡光环进行激光预处理,采用能量密度为2 J/cm2的聚焦激光在距离焦点250mm位置对挡光环粗品进行100次激光扫描,得到挡光环。
实施例2
本实施例提供一种用于12英寸晶圆激光退火的挡光环,其制备方法包括:
1.采用厚度为1.3mm的熔融石英玻璃平板,尺寸为400*400mm,表面抛光至40级光学表面。
2.采用皮秒激光切割机,将上述玻璃平板切割为内径295mm、外径为380mm的圆环(即为挡光环粗品),切割精度为±0.03mm,崩边小于0.1mm。
3.采用W40的抛光粉对挡光环粗品的下表面进行研磨,得到表面粗糙度Ra为0.1的下表面。
4.采用球形磨具,用W40的抛光粉对挡光环粗品的内环断面进行磨制,使得内环断面呈30°(与竖直方向的夹角)的楔形斜面,且该楔形斜面的表面粗糙度Ra为0.1。
5.对所得到的挡光环采用超声波进行清洗,并检验表面瑕疵。
6.对表面检验合格的挡光环进行激光预处理,采用能量密度为1 J/cm2的聚焦激光在距离焦点350mm位置对挡光环粗品进行500次激光扫描,得到挡光环。
实施例3
本实施例提供一种用于12英寸晶圆激光退火的挡光环,其制备方法包括:
1.采用厚度为1.1mm的熔融石英玻璃平板,尺寸为400*400mm,表面抛光至40级光学表面。
2.采用皮秒激光切割机,将上述玻璃平板切割为内径295.5mm,外径为360mm的圆环(即为挡光环粗品),切割精度为±0.05mm,崩边小于0.1mm。
3.采用W40的抛光粉对挡光环粗品的下表面进行研磨,得到表面粗糙度Ra为0.15的下表面。
4.采用球形磨具,用W40的抛光粉对挡光环粗品的内环断面进行磨制,使得内环断面呈45°(与竖直方向的夹角)的楔形斜面,且该楔形斜面的表面粗糙度Ra为0.15。
5.对所得到的挡光环采用超声波进行清洗,并检验表面瑕疵。
6.对表面检验合格的挡光环进行激光预处理,采用能量密度为1 J/cm2的聚焦激光在距离焦点300mm位置对挡光环粗品进行200次激光扫描,得到挡光环。
实施例4
本实施例提供一种用于12英寸晶圆激光退火的挡光环,如图5所示,其制备方法包括:
1. 采用厚度为1.1mm的熔融石英玻璃平板,尺寸为400*400mm,表面抛光至40级光学表面。
2.采用皮秒激光切割机,将上述玻璃平板切割为内径296mm、295.5mm以及295mm,外径为360mm的圆环(即为3层挡光环粗品),切割精度为±0.05mm,崩边小于0.1mm。
3.采用W40的抛光粉对挡光环粗品的下表面进行研磨,得到表面粗糙度Ra为0.1~0.2的下表面。
4.采用球形磨具,用W40的抛光粉对上述三层挡光环粗品的内环断面进行磨制,使得内环断面均呈45°(与竖直方向的夹角)的楔形斜面,且该三层楔形斜面的表面粗糙度Ra均为0.1~0.2,如图6所示。
5.对所得到的挡光环采用超声波进行清洗,并检验表面瑕疵。
6.对表面检验合格的挡光环进行激光预处理,采用能量密度为1 J/cm2的聚焦激光在距离焦点300mm位置对挡光环粗品进行200次激光扫描,得到挡光环。
实施例5
本实施例提供一种用于12英寸晶圆激光退火的挡光环,其制备方法包括:
1. 采用厚度为1.1mm的熔融石英玻璃平板,尺寸为400*400mm,表面抛光至40级光学表面。
2.采用皮秒激光切割机,将上述玻璃平板切割为内径296mm、295.5mm以及295mm,外径为360mm的圆环(即为3层挡光环粗品),切割精度为±0.05mm,崩边小于0.1mm。
3.采用W40的抛光粉对挡光环粗品的下表面进行研磨,得到表面粗糙度Ra为0.1~0.2的下表面。
4.采用球形磨具,用W40的抛光粉对上述三层挡光环粗品的内环断面进行磨制,使得内环断面均呈45°(与竖直方向的夹角)的楔形斜面,且该三层楔形斜面的表面粗糙度Ra均为0.1~0.2,如图7所示。
5.对所得到的挡光环采用超声波进行清洗,并检验表面瑕疵。
6.对表面检验合格的挡光环进行激光预处理,采用能量密度为1 J/cm2的聚焦激光在距离焦点300mm位置对挡光环粗品进行200次激光扫描,得到挡光环。
实施例6
本实施例提供一种用于12英寸晶圆激光退火的挡光环,其制备方法包括:
1. 采用厚度为1.1mm的熔融石英玻璃平板,尺寸为400*400mm,表面抛光至40级光学表面。
2.采用皮秒激光切割机,将上述玻璃平板切割为内径295mm外径为360mm的圆环(即为挡光环粗品),切割精度为±0.05mm,崩边小于0.1mm。
3.采用W40的抛光粉对挡光环粗品的下表面进行研磨,得到表面粗糙度Ra为0.1~0.2的下表面。
4.采用球形磨具,用W40的抛光粉对上述挡光环粗品的内环断面进行磨制,使得内环断面均呈45°(与竖直方向的夹角)的楔形斜面,且该楔形斜面的表面粗糙度Ra均为0.1~0.2。
5.对所得到的挡光环采用超声波进行清洗,并检验表面瑕疵。
6.对表面检验合格的挡光环进行激光预处理,采用能量密度为1 J/cm2的聚焦激光在距离焦点300mm位置对挡光环粗品进行200次激光扫描,得到挡光环。
7. 在经激光预处理后的挡光环的上表面,镀制0.2~0.9μm波长范围内的激光增透介质膜,膜的厚度为设计波长的1/4奇数倍。
为了进一步说明本发明实施例提供的挡光环具有优异的性能,特进行以下实验:
实验例1
考察挡光环的表面粗糙度对散射效果的影响
1.实验方法
以实施例3的方法制备挡光环,其中石英玻璃用不同的抛光粉对挡光环的下表面进行磨制,牌号为W10、W20、W40,对应关系如表1所示,得到三种表面粗糙度不同的挡光环。
表1. 采用不同规格的抛光粉处理结果
牌号 颗粒直径 目数 表面粗糙Ra
W10 10um 1600 0.012~0.02
W20 20um 800 0.025~0.05
W40 40um 400 0.1~0.2
采用上述制备的挡光环进行光斑与能量密度测试:以无挡光环为对照,将3种表面粗糙度的挡光环放置在晶圆上方30mm处,分别进行功率和光斑分布测试。
采用光斑纸测量挡光片处光斑直径,计算挡光片承受的能量密度:
首先用光束质量分析仪测量光斑面积,并使用功率计测量无挡光环时的功率,挡光环放置在晶圆上方30mm处后,再次使用功率计,测量透过挡光环后的激光功率,得到的差值即为挡光环吸收和反射的功率,然后除以光斑面积即为能量密度。
2.实验结果:
结果如表2和图8所示。
表2. 三种表面粗糙度不同的挡光环对激光的衰减效果
如图2所示,能量密度值与散射斑的分布有关,当光学表面粗糙度Ra大于0.02后,即采用W20、W40的抛光粉,散射光斑分布足以使激光能量密度远低于晶圆结晶所需值(0.1J/cm2),因此,W20和W40抛光粉研磨的毛面石英玻璃作为挡光片均可满足要求。采用这种两种挡光片在距离晶圆上方30mm处的能量密度最大衰减率可达到99.5%。
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 (9)

1.一种用于晶圆激光退火的挡光环的制备方法,其特征在于,其包括:
对石英玻璃的上表面进行抛光处理后,采用激光隐形切割方式对所述石英玻璃进行切割,得到挡光环粗品;
对所述挡光环粗品的下表面进行表面磨制,使得所述下表面的表面粗糙度Ra为0.025~0.2;
再对所述挡光环粗品的内环断面进行磨制,使得所述内环断面与竖直方向的夹角呈20~45°、且表面粗糙度为Ra为0.025~0.2;以及
对所述挡光环粗品进行超声波清洗以及激光预处理,得到所述挡光环。
2.根据权利要求1所述的用于晶圆激光退火的挡光环的制备方法,其特征在于,对所述挡光环粗品进行激光预处理后,还包括:在所述挡光环粗品的上表面增设激光增透介质膜,所述激光增透介质膜的激光损伤阈值大于500MW/cm2
3.根据权利要求1所述的用于晶圆激光退火的挡光环的制备方法,其特征在于,在对所述挡光环粗品的内环断面进行磨制的过程中,所述内环断面呈阶梯式的多层断面,每层断面与竖直方向的夹角均保持一致。
4.根据权利要求1所述的用于晶圆激光退火的挡光环的制备方法,其特征在于,采用激光隐形切割方式对石英玻璃进行切割过程中,切割精度为±0.05mm,崩边小于0.1mm。
5.根据权利要求1所述的用于晶圆激光退火的挡光环的制备方法,其特征在于,对所述下表面以及内环断面进行磨制过程中,采用W20~W40的抛光粉进行研磨。
6.根据权利要求1所述的用于晶圆激光退火的挡光环的制备方法,其特征在于,所述激光预处理的步骤包括:采用能量密度为0.5~2 J/cm2的聚焦激光在距离焦点250~350mm位置对所述挡光环粗品进行100~500次激光扫描。
7.根据权利要求1所述的用于晶圆激光退火的挡光环的制备方法,其特征在于,对所述石英玻璃的上表面进行抛光处理,使得石英玻璃的上表面呈40~20级光学表面。
8.一种用于晶圆激光退火的挡光环,其特征在于,其通过如权利要求1~7任一项所述的用于晶圆激光退火的挡光环的制备方法制得,所述挡光环外径比所述晶圆外径大25~35mm,所述挡光环内径比所述晶圆内径小1~5mm。
9.根据权利要求8所述的用于晶圆激光退火的挡光环,其特征在于,所述挡光环的厚度为1.0~1.3mm。
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