一种VCSEL翘曲晶圆及其解键合工艺及系统的制作方法

本发明涉及半导体晶圆加工，尤其涉及一种vcsel翘曲晶圆及其解键合工艺及系统。

背景技术：

1、vcsel，为vertical cavity surface emitting laser的英文缩写，是指垂直共振腔表面放射激光器。从制造上看，vcsel是通过mocvd外延一体生长，垂直于晶圆表面的由下dbr全反镜、增益腔芯层、上dbr输出镜三部分构成的谐振腔，由于光学谐振腔与衬底垂直，能够实现垂直于芯片表面发射激光，该项技术有低阈值电流、稳定单波长工作、可高频调制、容易二维集成、没有腔面阈值损伤、制造成本低等优点。

2、现有gaas基vcsel晶圆经过多层dbr外延与背面减薄后普遍出现碗状、穹顶状翘曲，行业常规采用涂蜡或高温热剥离膜粘接蓝宝石载板临时支撑：

3、1、现有量产工艺普遍使用210℃高温剥离膜+一体式整块热板加热：（1）210℃高温工况下，gaas与蓝宝石热膨胀系数差异大，翘曲晶圆凹陷处紧密贴合热板、凸起位置悬空，同片晶圆温差可达20～30℃，较大热应力造成薄片拉扯裂片、量子阱与dbr暗裂，良品率偏低；（2）整块热板无法分区调温，无法匹配翘曲带来的接触差异；传统压电设备统一参数全域振动，高翘曲区脱粘不足、低翘曲区过振对晶圆带来损伤；

4、2、传统工艺还较多采用涂蜡键合、解键合方案：涂蜡方案同样无法匹配翘曲带来的接触差异从而导致的晶圆受热不均，人工辅助带来破片；蜡解键合后残胶多，需要多道有机溶剂清洗，工序繁琐极易碎片且易污染器件。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种vcsel翘曲晶圆及其解键合工艺及系统，以解决上述背景技术中提出的现有技术中的vcsel晶圆的解键合工艺，存在高温温差大、热应力集中、裂片率高、外延层易受损的缺陷的技术问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、本发明的第一方面实施例，提出了一种vcsel翘曲晶圆的解键合工艺，包括：

4、将蓝宝石载板的底面和顶面分别设置第一热剥离模和第二热剥离模，gaas衬底晶圆的p面贴合所述第二热剥离模，所述第一热剥离模粘接于玻璃衬底，第一热剥离模的剥离温度低于第二热剥离模的剥离温度；

5、对键合后晶圆的n面机械减薄和化学抛光，得到薄化后晶圆；

6、通过第一温度加热第一热剥离膜，使蓝宝石载板从玻璃衬底上剥离，制备n面电极；

7、将制备n面电极后的晶圆沿径向划分为中心、中环、外环三个区域，采用激光轮廓仪对三个区域进行分区扫描采集翘曲高度，建立翘曲数学模型；

8、通过第二温度加热第二热剥离膜，使gaas衬底晶圆从蓝宝石载板上剥离，加热过程，通过三个区域对应的加热模组进行分区独立pid控温；

9、通过压电振动阵列对三个区域输出剪切和微扰动复合振动，根据翘曲量调节对应的压电振动阵列的参数。

10、在一些可选的实施方式中，优选的，所述加热过程，通过三个区域对应的加热模组进行分区独立pid控温，包括：

11、根据分区平均翘曲δh分级设定初始pid参数，pid参数包括比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd；

12、测温传感器实时测量当前温度，计算温度偏差e(k)；

13、对温度偏差e(k)进行偏差分级，并根据偏差分级自适应修正kp、ki和kd，使得分区控温恒温稳定。

14、在一些可选的实施方式中，优选的，所述根据分区平均翘曲δh分级设定初始pid参数，包括：

15、将δh＜400μm分级为低翘曲，对应的初始pid参数为：kp=2.2，ki=0.04，kd=0.12；

16、将400μm≤δh＜900μm分级为中翘曲，对应的初始pid参数为：kp=3.0，ki=0.06，kd=0.18；

17、将δh≥900μm分级为高翘曲，对应的初始pid参数为：kp=4.0，ki=0.09，kd=0.25。

18、在一些可选的实施方式中，优选的，所述对温度偏差e(k)进行偏差分级，并根据偏差分级自适应修正kp、ki和kd，包括：

19、对|e(k)|≤1℃定义偏差分级为微偏差，维持当前kp、ki和kd不变，小幅微调功率；

20、对1℃＜|e(k)|≤3℃定义偏差分级为中等偏差，kp上浮15%；

21、对|e(k)|＞3℃定义偏差分级为大偏差，kp上浮30%、kd上浮20%。

22、在一些可选的实施方式中，优选的，第一热剥离模的剥离温度为210℃，所述第二热剥离模的剥离温度为120℃；

23、所述加热过程，通过三个区域对应的加热模组进行分区独立pid控温，包括：

24、升温阶段分三段斜率控温：

25、室温~180℃，升温速率为4℃/min，pid弱积分系数抑制超调；

26、180℃~220℃，升温速率为1.5℃/min，开启全参数自适应pid；

27、恒温解键合阶段（220℃）：持续实时自整定，限制单区温度波动±1.5℃以内。

28、在一些可选的实施方式中，优选的，所述通过压电振动阵列对三个区域输出剪切和微扰动复合振动，根据翘曲量调节对应的压电振动阵列的参数，包括：

29、将δh＜400μm分级为低翘曲，剪切振动的参数为频率80hz、振幅12μm，微扰动的参数为频率1200hz、振幅3μm，压电持续时长为90s；

30、将400μm≤δh＜900μm分级为中翘曲，剪切振动的参数为频率100hz、振幅18μm，微扰动的参数为频率1600hz、振幅5μm，压电持续时长为120s；

31、将δh≥900μm分级为高翘曲，剪切振动的参数为频率120hz、振幅25μm，微扰动的参数为频率2000hz、振幅8μm，压电持续时长为160s。

32、在一些可选的实施方式中，优选的，所述加热过程，通过三个区域对应的加热模组进行分区独立pid控温，通过压电振动阵列对三个区域输出剪切和微扰动复合振动，包括：

33、pid控温和压电振动阵列的协同控制逻辑是：

34、pid温控达到分区目标温度并恒温稳定60s后，压电振动阵列启动；

35、剪切和微扰动振动同步叠加输出，分区温度偏差＞1℃自动下调40%压电振幅，全域温差接近3℃时统一降低振动频率，优先保障温度均匀性；

36、压电作用结束后，三个区域对应的加热模组分阶降温，降温速率≤2℃/min。

37、在一些可选的实施方式中，优选的，所述通过第二温度加热第二热剥离膜，使gaas衬底晶圆从蓝宝石载板上剥离之后，还包括：

38、取下vcsel晶圆，单次等离子清洗去除晶圆p面微量残胶。

39、第二方面，本发明提供了一种vcsel翘曲晶圆，根据第一方面所述的vcsel翘曲晶圆的解键合工艺制造得到。

40、第三方面，本发明提供了一种vcsel翘曲晶圆的解键合系统，包括复合热键合载板、加热模组、压电振动阵列、激光轮廓仪、测温传感器和主控单元，其中：

41、所述复合热键合载板包括蓝宝石载板、第一热剥离模、第二热剥离模和玻璃衬底，所述蓝宝石载板的底面和顶面分别设置第一热剥离模和第二热剥离模，gaas衬底晶圆的p面贴合所述第一热剥离模，所述第二热剥离模粘接于玻璃衬底，第一热剥离模的剥离温度高于第二热剥离模的剥离温度；

42、所述加热模组置于所述玻璃衬底下方；

43、所述压电振动阵列集成于所述加热模组下方；

44、所述激光轮廓仪用于对中心、中环、外环三个区域进行分区扫描采集翘曲高度；

45、所述测温传感器设有三组，三个测温传感器分别设置于中心、中环和外环；

46、所述主控单元分别与所述加热模组、压电振动阵列、激光轮廓仪、测温传感器电信号连接，用于根据激光轮廓仪采集的翘曲量，结合所述测温传感器测量的实时温度，对加热模块进行pid温控；还用于根据激光轮廓仪采集的翘曲量，对压电振动阵列的参数进行调控。

47、本发明的vcsel翘曲晶圆及其解键合工艺及系统，相对于现有技术具有以下有益效果：

48、（1）通过第一温度加热第一热剥离膜，使蓝宝石载板从玻璃衬底上剥离，制备n面电极；通过第二温度加热第二热剥离膜，使gaas衬底晶圆从蓝宝石载板上剥离，加热过程，通过三个区域对应的加热模组进行分区独立pid控温，按翘曲量差异化设定分区目标温度，三区独立控温和压电振动阵列，分区匹配温度与压电振动参数，通过压电振动阵列对三个区域输出剪切和微扰动复合振动，实现薄化翘曲晶圆全域温差≤3℃，消除局部热应力，降低裂片、残胶不良，省去有机溶剂清洗，提升vcsel晶圆良率与加工效率；

49、（2）根据分区平均翘曲δh分级设定初始pid参数，pid参数包括比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd；测温传感器实时测量当前温度，计算温度偏差e(k)；对温度偏差e(k)进行偏差分级，并根据偏差分级自适应修正kp、ki和kd，使得分区控温恒温稳定，实现全域温差≤3℃；

50、（3）通过升温阶段分三段斜率控温：室温~180℃，升温速率为4℃/min，pid弱积分系数抑制超调；180℃~220℃，升温速率为1.5℃/min，开启全参数自适应pid；恒温解键合阶段（220℃）：持续实时自整定，限制单区温度波动±1.5℃以内；通过以上温度控制，可以防止超调，提高温度调节精度和准确性；

51、（4）通过将δh＜400μm分级为低翘曲，剪切振动的参数为频率80hz、振幅12μm，微扰动的参数为频率1200hz、振幅3μm，压电持续时长为90s；将400μm≤δh＜900μm分级为中翘曲，剪切振动的参数为频率100hz、振幅18μm，微扰动的参数为频率1600hz、振幅5μm，压电持续时长为120s；将δh≥900μm分级为高翘曲，剪切振动的参数为频率120hz、振幅25μm，微扰动的参数为频率2000hz、振幅8μm，压电持续时长为160s；以上参数设置，可以使得低频剪切和高频微扰动的同步实施，提高振动效果，利用压电疲劳效应渐进剥离胶层。