CN1163951A - 半导体材料的制造方法及所用设备 - Google Patents

Abstract

诸如晶锭或晶片的半导体材料的制造方法及所用设备。在半导体材料表面加腐蚀气体，同时对半导体材料表面的预定部分进行激光或光量子辐射，使腐蚀气体的气体组分激活，半导体材料组分与激活的气体组分化学反应，使其挥发并除去。因此能卫生地、容易而高精度地制造半导体材料。

Description

半导体材料的制造方法及所用设备

本发明涉及诸如晶锭或晶片的半导体材料的制造方法及所用设备。

通常，用切割金属的金刚石锯片或锯条，按指定的间隔切割诸如Si(硅)或GaAs(砷化镓)的晶锭，构成平板，并把其表面抛光成镜面，因而获得半导体器件用的各种晶片。也就是说，用高速旋转的金刚石刀片或高速振动的锯条压入晶锭而将晶锭切割。

此外，这样获得的晶片经过微细处理，如开槽处理(recessingprocess)，能制成诸如大规模集成电路(LSI)的半导体器件。关于这种微细处理的一种方法是，用二氧化碳气体激光、YAG激光等熔化晶片表面并使之蒸发，形成凹槽，另一种方法是，晶片表面上加光刻胶，曝光后用指定的方法腐蚀，构成凹槽。

但是，  由于用金刚石刀片或金刚石锯条切割晶锭时，不可能只切割一部分，而且相邻部分变形或损坏，浪费了厚度较大的额外的间隔，因而出现了经济效益差的问题。更具体地说，切割一片晶片要浪费500μm厚的晶锭，这就是说，要切出500μm厚的晶片就会浪费50％的晶锭。此外切割工具重复使用，会使其边缘缺口，锐度下降，因而，定期更换金刚石刀片或锯条的工作费工时。而且，还有一个问题是，为了冷却和润滑待加工的部分必须给它涂抹切割液，切割中产生的切屑会分散到加工环境中，造成环境污染。而且，很难重复使用或处置有切屑的加工液，这是由于将切屑和切割液分开是很麻烦的工艺。

同时，用激光等对晶片微细加工的方法中，由于晶片表面熔化，熔融液会膨胀或流动，熔化和蒸发的晶片组分可能粘到晶片表面的其它部分，当其冷却和变硬后，使表面平滑度变坏，因而加工精度不好。而且，该方法中，首先加光刻胶，例如，光致抗蚀剂(光敏有机高聚物)52加到图9中晶片51的表面，如图10所示，在其上印刷有预定电路图形(网状部分Rs)的光掩模53，并曝光，图11所示。此后，要进行腐蚀。显影后，光致抗蚀剂52的未曝光部分溶于显影液中因而流掉，如图12所示，因而，晶片51的表面上形成图形。随后，用光致抗蚀剂52作掩模进行等离子干腐蚀等，剥掉光致抗蚀剂52并清洁处理，构成凹槽54，图13所示。图14所示晶片51中构成的凹槽54作为构成的电路图形。这样完成的处理其合格率低。而且，晶片51整个表面上加的全部光致抗蚀剂52最后要除去，这就造成材料费高，加工液的处理和回收也造成费用高。

因此，本发明的目的是提供一种优越的半导体材料加工方法，例如，提供一种均匀、容易而精确地切割晶锭和微细处理晶片表面等的方法及所用设备。

为达到上述目的，本发明的第1宗旨是，提供半导体材料的制造方法，它包括以下工艺步骤：当用激光辐射或用光量子辐射半导体材料表面的要加处理以便将其除去的部分时，将腐蚀气体加到半导体材料的表面上，激活预定部分上的腐蚀气体的气体组分，半导体材料的组分与激活的气体组分化学反应，使其挥发并除去。

同时，本发明第2宗旨是提供制造半导体材料用的设备，包括：密闭室，它设置有安装半导体材料的安装部件，和移动安装在安装件上的半导体材料的输送装置；将腐蚀气体引入室内的供气装置；从室内排出气体的抽气装置；和腐蚀气体激活装置，它从室外用激光或光量子辐射到所安装的半导体材料上，使腐蚀气体激活。

以下将详细说明本发明。

首先，半导体材料是指用作晶片材料的各种晶锭和由此制成的晶片。这些材料例如是单晶或多晶Si，GaAs，SiO₂，Si₃N₄，Al₂O₃等。对晶锭和晶片的形状无特别限定。

处理半导体材料用的腐蚀气体有与半导体材料的组分反应最好生成可挥发物的实际特性，例如NF₃，CCl₂F₂，CF₄，C₂F₆，C₃F₈，CHF₃，CCl₄，SF₆，CCl₃F，ClF₃，HCl等。这些气体可单独使用或用两种以上的气体组合使用。

同时，为了激活腐蚀气体的气体组分，用激光或光量子进行辐射。激光辐射中，激光束的波长范围最好是0.1至10μm。例如，用YAG，Ar等。激光束的输出通常设定在1至100W范围内。同时，在用光量子辐射中，通常用Hg、Xe等能量范围为0.1至10kw的光源。进行这种辐射时，最好配置成使半导体材料表面加热到300至600℃。即，加热温度低于300℃时，会使腐蚀气体激活不充分，造成反应不充分。另一方面，加热温度高于600℃，会使处理的半导体材料的热性能改变。

而且，这种辐射最好穿过诸如凸透镜的光会聚装置，但激光或光量子辐射不会在半导体材料表面分散，而集中在预定的有限的窄部分中辐射。最好将要用激光或光量子辐射加热到不低于300℃的半导体材料的光点直径设定在1至100μm的范围内。

通过以下结合附图对发明的描述，将会更充分地理解本发明。

图1是按本发明第1实施例的设备示意图；

图2(a)是图1所示设备切割出晶片的第1步的说明图；

图2(b)是第2步的说明图；

图2(c)是第3步的说明图；

图3是按本发明另一实施例的设备示意图；

图4是按本发明另一实施例的设备示意图；

图5是按本发明又一实施例的设备示意图；

图6是按上述设备的凹进操作图；

图7是按上述设备的凹进操作图；

图8是按本发明又一实施例的设备示意图；

图9是凹进晶片表面的常规方法说明图；

图10是凹进晶片表面的常规方法说明图；

图11是凹进晶片表面的常规方法说明图；

图12是凹进晶片表面的常规方法说明图；

图13是凹进晶片表面的常规方法说明图；

图14是凹进晶片表面的常规方法说明图；

以下详细说明各实施例。

实施例1

图1是按本发明的设备的一个实施例的示意图，用该设备对圆柱形晶锭进行激光辐射，获得晶片。该设备中，密闭室1的中心装有由上悬伸出的轴2。圆柱形晶锭3(以下就叫做晶锭)与轴2的下端同轴相连。此外，可从密闭室1外使轴2转动或上下移动，从而驱动晶锭3按箭头A所示方向环行转动或按箭头B所示方向垂直移动。

而且密闭室1的侧壁上装有石英玻璃制成的视窗4。激光发送器6通过聚光凸透镜5与透明视窗4的面对准，使激光能对晶锭表面辐射。

供气管7与密闭室1的顶连接，通过它将切割晶锭3的腐蚀气体引入密闭室1，排气用的抽气管8与密闭室底连接。

9是晶片夹持台，它夹持从晶锭3上切下的晶片10，并按每张晶片的厚度而下降。累积了指定数量的晶片10时，与密闭室1下边连接的晶片提取装置(未画出)工作，将夹持台9上的晶片10取到外边。晶片10取出，夹持台变空时，夹持台9升回到原来的高度，再累积切割出的其它晶片。

用上述设备例如可按以下方式切割出晶片。也就是说，首先，使Si单晶圆柱形晶锭3与轴2接触并安装在密闭室1上。然后，由排气管8抽真空，使密闭室1内的真空度为10^-3乇。然后通过腐蚀气供气管7将NF₃气引入室内。

随后，激光发射器6工作，使激光束P会聚在晶锭3表面的预定光点上(阴影部分Q)，如图2(a)所示。这时，光聚集条件设置成晶锭3表面的受光点直径在1至100μm范围内，晶锭光点温度在300至600℃范围内。这种状态下，晶锭3邻近表面上的NF₃激活，晶锭3的组分Si与NF₃气体进行下式的反应，晶锭3被腐蚀：

而且，轴2使晶锭3慢转，被激光束P照射的部分一步接一步地环形移动，如图2(b)所示，因此成为凹槽。最后，如图2(c)所示，晶锭预定部分全被腐蚀，切割出晶片10。切出的晶片10落到夹持台9上，如图1所示。

随后，中止激光辐射，轴2下降晶片10的厚度(例如500μm)+额外间隔(例如100μm)，按此方式，晶锭3位于使下一预定部分接收激光束的位置。然后，重新开始激光辐射，以上述相同的方式切割出下一晶片1 0。重复该方法，按规定间隔连续切出晶片10。此外，用上述的晶片提取装置定期密闭室1取出放在夹持台9上的晶片10。

按本发明的上述设备，由于能使基本上平行的激光束会聚，使光点直径聚焦，例如焦点直径不大于100μm，可在该范围内使腐蚀气体NF₃激活，因而，能使晶锭3表面蒸发并去除，与现有方法相比，能大大减少额外的间隔，使切割浪费减至最小。而且，由于切割液和切屑不分散，因此，能使工作环境清洁而卫生，这是现有方法无法实现的。而且，由于不换工具，因此，本发明能实现好的工作效率。

实施例2

图3展示出另一实施例。实施例1中，只用激光辐射激励腐蚀气体，而在例2中，引入密闭室1中的腐蚀气体本身被加热，因此，能在较短的时间内激活。即，在该设备中，腐蚀气供气管7的下流端7a伸到邻近激光束的接收部分，下流端7a的周围绕有加热线圈11，用加热线圈11将通过的腐蚀气加热到高温，并以此状态喷到晶锭3的表面上。用该方法能达到与例1相同的效果。而且，能在较短时间内使腐蚀气体激活。与例1相比，处理时间更短。而且，象用激光束加热一样，最好使腐蚀气体加热温度达到约300至600℃。但是，腐蚀气体加热方法不限于图3所示方法。

实施例3

图4展示出又一实施例，例1和2中，晶锭3是圆柱形，安装在轴2上并转动，或降或升，待切割的预定部分的每个小面积逐渐移动。另一方面，该设备也适合处理棱形晶锭3。即，晶锭3放在X-Y夹持台12上，用激光束P辐射，如图4所示，并水平和垂直移过X-Y夹持台12。此外，图4中，13是支承X-Y夹持台12的基座。用该设备能达到与例1相同的效果。

实施例4

图5是按本发明另一实施例的设备示意图，该设备用激光辐射，对单晶硅晶片表面进行微细加工。该设备包括X-Y夹持台22，它带着安装在密闭室21中的晶片10按X-Y方向任意移动和支承夹持台的基座23。

而且，在密闭室21的顶上设置有石英玻璃透明视窗24。对准密闭室21外边的激光发生器25发射的激光通过聚光凸透镜26和直角反射通过的激光束的反射镜27，穿过视窗24，最后到达晶片10的表面。图5中，28是腐蚀气体供气管，29是废气排气管。

而且，晶片10安装在X-Y夹持台22上，微细处理后，用与密闭室21侧壁连接的晶片装载和提取装置(未画出)自动提取晶片。

用该设备，可按以下方式对晶片10表面进行开槽微细处理。首先，将单晶Si晶片放在X-Y夹持台22上，随后，用排气管29对密闭室21抽真空，使密闭室21的真空度达到10^-3乇。然后，通过腐蚀气体供气管28将NF₃气体引入密闭室中。

接着，激光发射器25工作，如图6所示，激光束P聚焦在晶片10的表面要进行凹进处理(阴影部分S)的预定光点上。这时，光会聚条件设置成接收光点的直径在1至100μm范围内，晶片10的光点上的表面温度范围在300至600℃。这种状态下，晶片10表面附近的NF₃激活，如图7所示，因而，能按例1相同的方式腐蚀晶片10表面的受光部分。

而且，晶片10随着X-Y夹持台22按箭头所示的左右方向缓慢移动时，被激光束P辐射的部分逐渐移动而成为凹槽。最后，腐蚀掉全部预定部分S，由此进行标定的微细处理。处理后的晶片10从密闭室21中取出。

按上述方法，由于能使基本平行的激光束会聚，并使光点聚焦(直径为例如1至100μm范围内)，腐蚀气体NF₃能在该范围内激活，使晶片10表面上各光点蒸发并除去。这就是说，若只按凹槽宽度确定合适的光点直径，并调节X-Y夹持台22的移动速度，则能精确地进行标定形状的凹进处理。而且，待蒸发的晶片10的表面不熔化，但，在该方法中，晶片10的组分经化学反应变成可挥发物而被除去。因而，不存在再粘附的问题，这与晶体表面熔化并蒸发的情况不同。而且，该方法不要求用光刻胶掩模进行干腐蚀所必须的多次处理，因而，生产效率高，成本降低，不需要关于材料、光致抗蚀剂处理和光掩模的附加费用。而且，用激光束P将晶片10表面加热到300至600℃，不会对器件生产造成任何问题，或对晶片10造成热损坏。

图8展示了本发明另一实施例。即，该设备中，腐蚀气体供气管28的下流端28a伸到邻近激光束的接收部分，加热线圈30绕在下流端28a周围。加热线圈30将流过的腐蚀气体加热到高温，并按此状态喷到晶片10的表面上。该方法能达到与例4相同的效果。而且，能用较短时间激活腐蚀气体。与例4相比，处理时间更短。此外，与用激光加热腐蚀气体一样，腐蚀气体加热温度最好设定在约300℃至600℃。但是，腐蚀气体的加热方法不限于图8所示方法。

当然，这些例中，可用发光设备如Hg灯代替激光发射器6和25，并用光量子辐射激活腐蚀气体。

此外，若用重复图形处理材料时，可在一个密闭室里诸如1或21中在不同位置安装多个诸如6或25的激光发射器，使多个激光束加到晶锭3或晶片10上，在相同图形上同时进行处理，提高工作能力。

如上所述，按本发明的方法中，用激光或光量子辐射激活腐蚀气体，使腐蚀气体的气体组分与半导体材料组分化学反应，由此挥发并除去半导体材料表面上的预定部分。而且，按本发明的方法，激光或光量子辐射能聚焦在要使材料表面挥发和除去的小面积上(光点直径约1至100μm)，因而能高精度地获得标定形状。具体地说，按上述方法从晶锭上切出晶片时，与现有技术相比，可大大减少额外间隔，使切割浪费减至最小。而且，因为切割液和切屑不分散，使工作环境清洁而卫生，这与现有技术不同。而且，按本发明方法不换工具，因而，加工能力强。而且，在对晶片表面进行微细凹进处理的本方法中，晶片组分是用化学反应法使其挥发并除去的，这与使晶片表面熔化并蒸发的方法不同，前者不会出现再粘附的缺陷。而且，本发明不要求用光刻胶掩模干腐蚀法所需的多次处理，生产效率高，不需要关于材料和对光刻胶、光掩模处理必需的费用，因而生产成本降低。而且，用本发明设备能更有效地实施上述方法。

Claims (10)

1.制造半导体材料的方法，包括以下步骤：

给半导体材料表面供给腐蚀气体；同时，对半导体材料表面要处理除去的预定部分用激光或光量子辐射；激活预定部分表面上的腐蚀气体的气体组分；半导体材料的组分与激活的气体组分化学反应，使其挥发并除去。

2.按权利要求1的半导体材料制造方法，其特征是，腐蚀气体包含选自NF₃，CCl₂F₂，CF₄，C₂F₆，C₃F₈，CHF₃，CCl₄，SF₆，CCl₃F，ClF₃和HCl中的至少一种。

3.按权利要求1或2的半导体材料制造方法，其特征是，把腐蚀气体加到和喷到半导体材料表面的预定部分上时，腐蚀气体被加热到高温。

4.按权利要求1至3中任一项的半导体材料制造方法，其特征是，半导体材料是圆柱形晶锭，包括步骤：腐蚀气体加到晶锭的待切割的预定部分；同时，用激光或光量子辐射腐蚀气体使其气体组分激活；晶锭组分与激活的腐蚀气体组分化学反应，使预定部分的每个小面积挥发并除去，重复该方法，按位置顺序除去小面积，最后挥发除去整个预定部分，切割出晶片。

5.按权利要求1至3中任一项的半导体材料的制造方法，其特征是，半导体材料是晶片，包括下列步骤：给待开槽处理的晶片表面加腐蚀气体；同时，用激光或光量子辐射待开槽处理的预定部分，使辐射部分上的腐蚀气体的气体组分激活；晶片组分与激活的气体组分化学反应；以使其挥发并除去，在晶片表面形成凹槽，沿着预定部分，相应的移动被辐射的部分，按其方法，在预定部分上形成凹槽。

6.制造半导体材料用的设备，包括：密闭室，其中设置有安装半导体材料的安装部件，和移用安装在安装件上的半导体材料的输送部件；将腐蚀气体引入密闭室内的腐蚀气体供气装置；从密闭室内排出废气的抽气装置；从密闭室外给安装的半导体材料上加激光或光量子辐射使腐蚀气体激活的装置。

7.按权利要求6的设备，其特征是，腐蚀气体供气装置的下流端伸到半导体材料的加激光或光量子辐射的那部分附近，在密闭室内有安装在下流端上的加热装置。

8.按权利要求6或7的设备，其特征是，材料是要由它切出晶片的圆柱状晶锭，输送装置使安装在安装部件上的晶锭环形转动或轴向移动，并移动夹持从密闭室内的晶锭切割出的晶片的夹持装置。

9.按权利要求6或7的设备，其特征是，材料是由它切割出晶片的棱形晶锭，输送装置使安装在安装部件上的晶锭在同一平面上X-Y方向移动，并移动夹持从密闭室内的晶锭切割出的晶片的夹持装置。

10.按权利要求6或7的设备，其特征是，材料是其表面要进行微细处理的晶片，输送装置使安装在安装部件上的晶片在同一平面按X-Y方向移动。

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