CN117410172A - 一种制备厚边薄片六方晶系碳化硅晶圆的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体技术领域，公开了一种制备厚边薄片六方晶系碳化硅晶圆的方法，其包括以下步骤：步骤S1，将晶圆划分为厚边区域和减薄区域，将激光从减薄区域的硅面(0001)或者碳面(000‑1)表面入射，精确聚焦到减薄区域需要减薄的深度，在需要减薄的深度位置形成一层缺陷裂纹聚集层；步骤S2，沿厚边区域和减薄区域交界处进行竖向切割，并切割到缺陷裂纹聚集层所在的深度，形成隔离沟槽；步骤S3，将晶圆分为保留部分和去除部分；步骤S4，对保留部分的凹形面进行侧面和平面抛光；步骤S5，对步骤S4的凹形面加工，形成多重台阶。本发明通过保留边缘厚边结构，大大提高了薄片碳化硅晶圆的机械强度，有助于降低晶圆后续工艺的碎片风险。

Description

一种制备厚边薄片六方晶系碳化硅晶圆的方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种制备厚边薄片六方晶系碳化硅晶圆的方法。
背景技术
电力电子器件也称为功率器件，主要运用在处理高电压和大电流的电能转换类应用场景中，对器件的能量转换效率要求颇高。而碳化硅(SiC)材料作为第三代半导体材料，具有宽禁带宽度、高电子迁移率、高饱和击穿电场强度、高热导率等特性，是制备电力电子器件的理想材料。
对于功率器件来说，器件的厚度越薄，导通电阻就越低，功耗也会随之越小。因此，在目前的碳化硅器件制备流程中，通常需要将碳化硅晶圆从350μm减薄到150μm，甚至到100μm。然而，减薄后碳化硅晶圆机械强度会急剧下降，很容易在后续的工艺中(比如欧姆金属和焊接金属沉积、激光退火以及晶圆级测试过程中)发生碎裂，造成不必要的损失。同时，由于薄片的翘曲较大，在减薄后的工艺中，自动传送装置无法精准抓取晶圆，必须手动作业，这使得人力成本过高，导致效率低下。
可见，目前碳化硅晶圆减薄后普遍存在机械强度低和薄片的翘曲大需要手动作业的问题，这两个问题的随着晶圆尺寸的增加也愈发显著。同样的问题也曾出现在硅材料器件的制程上，不过被Taiko工艺很好的解决了。Taiko工艺是Disco公司发明的一种局部减薄方法，只减薄晶圆面内靠里边的区域，保留边缘大约3mm的宽度不减薄，从而形成一个支持环，保证了整个晶圆的机械强度足够支持后续的工艺步骤，同时也将翘曲度控制在一个很小的范围。但Taiko工艺只适合硬度不高的材料，而碳化硅材料的莫氏硬度高达9.5，对磨轮的消耗较大，同时亦很脆，无法采用局部减薄的方式留出周边，只能整个面进行减薄。因此薄片碳化硅晶圆需要另寻方法来提高其的机械强度。
发明内容
本发明的目的是提出一种制备厚边薄片六方晶系碳化硅晶圆的方法，其方法简单，易于实现，通过保留边缘的厚材料形成厚边结构，大大提高了薄片碳化硅晶圆的机械强度，从而有助于降低晶圆后续工艺的碎片风险。
实现本发明目的所采用的技术方案是：
一种制备厚边薄片六方晶系碳化硅晶圆的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1，将晶圆划分为厚边区域和减薄区域，将激光从减薄区域的硅面(0001)或者碳面(000-1)表面入射，精确聚焦到减薄区域需要减薄的深度，在需要减薄的深度位置形成一层缺陷裂纹聚集层；
步骤S2，沿厚边区域和减薄区域交界处进行竖向切割，并切割到缺陷裂纹聚集层所在的深度，形成隔离沟槽；
步骤S3，将晶圆分为保留部分和去除部分；
步骤S4，对保留部分的凹形面进行侧面和平面抛光；
步骤S5，对步骤S4的凹形面加工，形成多重台阶。
进一步地，在步骤S1中，厚边区域的宽度为0.1～10mm。
进一步地，在步骤S2中，隔离沟槽垂直于晶圆表面或向晶圆外围倾斜；当隔离沟槽向晶圆外围倾斜时，隔离沟槽壁与晶圆水平面的夹角为α，且夹角α的范围为5°<α≤90°。
进一步地，在步骤S3中，将晶圆分为保留部分和去除部分的方法为裂纹扩展法。
进一步地，在步骤S1中，所使用的激光的波长大于380nm，脉宽为10fs～1000ps。
本发明的有益效果在于：
1、采用本发明的方法通过保留边缘的较厚材料形成厚边结构，大大提高了薄片晶圆的机械强度，从而有助于降低晶圆后续工艺的碎片风险。
2、本发明的方法简单，易于实现，实用性强，可实现大规模生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明步骤S1中碳化硅晶圆划分区域的一种示意图。
图2是步骤S1中在减薄深度形成缺陷的一种过程示意图。
图3是步骤S1中在减薄深度形成缺陷的一种俯视结构示意图。
图4是步骤S2中采用激光切割形成隔离沟槽的一种过程示意图。
图5是步骤S3中将晶圆固定在剥离设备上的一种结构示意图。
图6是本发明实施例中对晶圆进行超声波处理的一种示意图。
图7是本发明实施例中采用退火激光束形成温度梯度场的一种过程示意图。
图8是本发明步骤S4中碳化硅晶圆保留部分俯视结构示意图。
图9是本发明步骤S4中碳化硅晶圆保留部分的一种俯视结构示意图。
图10是本发明步骤S5中经过2轮步骤S1～S4后碳化硅晶圆的一种结构示意图。
1.碳化硅晶圆；2.缺陷裂纹聚集层；3.隔离沟槽；4.上固定盘；5.下固定盘；6.聚焦装置；7.聚焦光束；8.激光切割光束；9.退火光束；10.超声波容器；11.含超声波的液体；12.温度梯度场；
101.厚边区域；102.减薄区域。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图10所示，一种制备厚边薄片六方晶系碳化硅晶圆的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1，将碳化硅晶圆1划分为厚边区域101和减薄区域102，将激光从减薄区域102的硅面(000)1或者碳面(000-1)表面入射，精确聚焦到减薄区域102需要减薄的深度，在需要减薄的深度位置形成一层缺陷裂纹聚集层2，具体如图1至图3所示。在本步骤中，通过光学系统或者机械平台移动系统移动激光束减薄区域102的去除深度位置形成一层缺陷裂纹聚集层2。
在步骤S1中，预留厚边的宽度为0.1～10mm，该宽度可保证减薄后碳化硅晶圆1机械强度，同时防止碳化硅晶圆1减薄后翘曲。如果厚边宽度太窄则机械强度且佳，宽度太大会影响减薄后碳化硅晶圆1的良率，因此本发明优选厚边的宽度为4mm，可以最佳的保证减薄后碳化硅晶圆1机械强度的同时防止碳化硅晶圆1减薄后翘曲。
在步骤S1中，激光优选从碳化硅晶圆1的背面000-1面入射，在实际操作中，碳化硅晶圆1通常正面已经做好了器件结构，激光无法穿透，因此采用背面入射的方式。由于不同的器件对碳化硅晶圆1的厚度要求不同，因此可根据实际需求对需要减薄的深度进行调整。激光的波长选择大于380nm，因为波长大于380nm的激光不会被碳化硅材料直接吸收，因此可以透射进入碳化硅材料的内部；通过聚焦装置6(如聚焦镜)使聚焦光束7形成激光焦点处于碳化硅材料内部需要减薄的深度；激光的光束直径在焦点位置最小，因此能量密度最高，使得碳化硅材料在激光焦点位置可以通过“多光子吸收”机制，吸收激光能量，破坏原子间的结合方式，从而形成缺陷以及隐裂纹。本发明中的激光优选采用皮秒或飞秒隐切聚焦光束7，可以有效降低激光作用的热效用，达到破坏晶格的目的，但不产生明显热，俗称“冷加工”。
步骤S2，沿厚边区域101和减薄区域102交界处进行竖向切割，并切割到缺陷裂纹聚集层2所在的深度，形成隔离沟槽3，具体如图4所示。上述过程中，切割工艺可以采用激光切割光束8进行切割，还可以采用传统金刚石刀片进行切割。
在本步骤中，隔离沟槽3垂直于碳化硅晶圆1表面或向碳化硅晶圆1外围倾斜；当隔离沟槽3向碳化硅晶圆1外围倾斜时，隔离沟槽3壁与碳化硅晶圆1水平面的夹角为α，且夹角α的范围为5°<α≤90°。在实际加工过程中，夹角太大容易给剥离带来较大的阻力，太小实现起来比较困难，因此，本发明优选夹角α的值为60°，可以施加最好的角度以便于剥离。
步骤S3，将碳化硅晶圆1分为保留部分和去除部分，具体如图5所示。
在本步骤中，将碳化硅晶圆1分为保留部分和去除部分的方法为裂纹扩展法。
裂纹扩展法包括以下三种，具体采用哪种可根据实际需要进行选择。
裂纹扩展法(一)
将碳化硅晶圆1分成两个部分的方法具体为：将碳化硅晶圆1需要剥离的两个部分分别与剥离装置的上固定盘4和下固定盘5相连，上固定盘4和下固定盘5分别带动碳化硅晶圆1的上下两个部分朝相反的方向移动，从而使其相互脱离。将碳化硅晶圆1分成两个部分的方法具体为采用通过剥离装置，且剥离装置为现有技术中常见的剥离装置，比如授权号为CN105436710B的专利中使用的剥离装置。在本方法中，碳化硅晶圆1与剥离装置的固定方式可以是真空吸附，也可以是粘合剂固定。图5中，向上的箭头表示上固定盘4的作用力方向，向下的箭头表示下固定盘5的作用力方向。
在本发明的一个实施例中，可以在剥离装置的上固定盘4和下固定盘5上施加超声波，辅助碳化硅晶圆1剥离。本实施例中，通过超声波施加给碳化硅晶圆1震动，加剧碳化硅晶圆1内部缺陷互联，从而促进碳化硅晶圆1上下两部分剥离。
裂纹扩展法(二)
如图6所示，在实际分离过程中，可以先将碳化硅晶圆1与超声发生设备连接，或浸泡在有超声波的溶液中，加剧碳化硅晶圆1内部的缺陷互联，从而实现剥离。
在本步骤中，施加超声波于剥离装置，或可直接将碳化硅晶圆1与超声波发生器连接或浸泡在含超声波的液体11中。具体地，超声波发生器为现有技术中常见的装置，如公开号为CN208375630U的专利中公开的超声波发生器。含超声波的液体11具体为在超声波容器10内盛装液体，并在液体内加载超声波。采用超声波辅助剥离有助于降低激光形成缺陷的密度，从而提高激光处理工艺的效率。
裂纹扩展法(三)
如图7所示，在实际分离过程中，可以通过退火方式对其进行加热，使碳化硅晶圆1内部形成温度梯度场12，从而形成应力场，使得碳化硅晶圆1内部的裂纹沿着沿缺陷所在平面进行延展，便于碳化硅晶圆1上下两部分从缺陷所在平面剥离开来。
退火方式可以采用但不限于退火激光束9、快速热退火或者炉管退火，通过退火形成的热应力加剧材料内部缺陷间的互联，从而实现剥离。本方法优选采用退火激光束9的方式进行退火。
在实际处理过程中，采用退火激光束9退火时，激光扫描缺陷所在区域。本发明采用的激光退火是一种局部快速加热的方法，其特点是使被照射的区域温度迅速升高，没被照射的区域温度保持常温，所以激光照射的表面和和未被照射的区域之间形成温度差，即是温度梯度，且温度梯度存在于被激光照射的表面向下以及水平方向，如图7所示。
本发明中采用退火激光束9退火的温度为100-2000℃之间，形成的温度梯度为1-100℃/μm。此外，本发明的退火激光束9可以采用波长380nm以下的激光，这类激光可以被碳化硅直接吸收，从而使被照射的表面温度最高，温度向下和水平方向逐渐降低。也可以采用波长大于380nm的激光，这类激光不会被碳化硅晶体吸收，但会被缺陷吸收，从而直接损伤层，使其之间形成隐裂纹互连，从而有助于剥离，本发明优选808nm的大功率激光，该波长的激光可快速加热缺陷，从而形成裂纹，提高工作效率。
步骤S4，对保留部分的凹形面进行侧面和平面抛光，具体如图8和图9所示。
步骤S5，对步骤S4的凹形面加工，形成多重台阶，具体如图10所示。重复S1-S4工艺或者采用传统磨抛工艺或者两者的组合工艺在凹形面加工形成多重台阶。形成多重台阶时，最后一次工艺实施过程中，需要将厚边宽度设计为比之前的多次工艺设计的宽度大，以此来降低厚边侧棱对聚焦光束7的影响，还可以降低磨轮在侧边位置的阻力避免碎片。因此，多次实施此方法后碳化硅晶圆1厚边内侧会出现多级台阶。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步地的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方法而已，并不用于限制本发明，凡是在本发明的主旨之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种制备厚边薄片六方晶系碳化硅晶圆的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1，将碳化硅晶圆(1)划分为厚边区域(101)和减薄区域(102)，将激光从减薄区域(102)的硅面(0001)或者碳面(000-1)表面入射，精确聚焦到减薄区域(102)需要减薄的深度，在需要减薄的深度位置形成一层缺陷裂纹聚集层(2)；
步骤S2，沿厚边区域(101)和减薄区域(102)交界处进行竖向切割，并切割到缺陷裂纹聚集层(2)所在的深度，形成隔离沟槽(3)；
步骤S3，将碳化硅晶圆(1)分为保留部分和去除部分；
步骤S4，对保留部分的凹形面进行侧面和平面抛光；
步骤S5，对步骤S4的凹形面加工，形成多重台阶。
2.根据权利要求1所述的一种制备厚边薄片六方晶系碳化硅晶圆的方法，其特征在于，在步骤S1中，厚边区域(101)的宽度为0.1～10mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种制备厚边薄片六方晶系碳化硅晶圆的方法，其特征在于，在步骤S2中，隔离沟槽(3)垂直于碳化硅晶圆(1)表面或向碳化硅晶圆(1)外围倾斜；当隔离沟槽(3)向碳化硅晶圆(1)外围倾斜时，隔离沟槽(3)壁与碳化硅晶圆(1)水平面的夹角为α，且夹角α的范围为5°<α≤90°。
4.根据权利要求1或2所述的一种制备厚边薄片六方晶系碳化硅晶圆的方法，其特征在于，在步骤S3中，将碳化硅晶圆(1)分为保留部分和去除部分的方法为裂纹扩展法。
5.根据权利要求3所述的一种制备厚边薄片六方晶系碳化硅晶圆的方法，其特征在于，在步骤S3中，将碳化硅晶圆(1)分为保留部分和去除部分的方法为裂纹扩展法。
6.根据权利要求1、2或5所述的激光切割制备厚边薄片碳化硅晶圆(1)的方法，其特征在于，在步骤S1中，所使用的激光的波长大于380nm，脉宽为10fs～1000ps。
7.根据权利要求3所述的激光切割制备厚边薄片碳化硅晶圆(1)的方法，其特征在于，在步骤S1中，所使用的激光的波长大于380nm，脉宽为10fs～1000ps。
8.根据权利要求4所述的激光切割制备厚边薄片碳化硅晶圆(1)的方法，其特征在于，在步骤S1中，所使用的激光的波长大于380nm，脉宽为10fs～1000ps。
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