一种基于激光辅助腐蚀溶液切割硅晶圆的加工方法与流程

1.本发明涉及激光加工技术领域，具体为一种基于激光辅助腐蚀溶液切割硅晶圆的加工方法。


背景技术：

2.硅晶圆在半导体集成电路领域有着广泛的应用。晶圆经集成电路工艺后需要进行切割，形成分立的芯片。通常采用金刚石刀切割的方法。但此方法容易引起崩边、裂纹，机械应力较大，不适用于超薄超大晶圆的切割。
3.激光切割技术是一种非接触式加工工艺，改变了传统接触时切割的弊端。激光切割技术凭借效率高、精度高、切缝窄、速度快等特点在硅晶圆材料加工过程中获得广泛应用，但激光直接烧蚀材料时会产生热影响区以及材料沉积等问题，造成切缝质量差、深宽比低。而湿法刻蚀技术通过和硅材料发生化学反应来实现刻蚀，湿法刻蚀可以得到干净光滑的切槽，但湿法刻蚀技术刻蚀速率不高且需要制作掩膜，导致其制作工艺复杂和灵活性低。


技术实现要素：

4.本发明针对上述技术的不足之处，提供了一种基于激光辅助腐蚀溶液切割硅晶圆的加工方法，其利用激光实现对浸入腐蚀溶液中硅晶圆的切割，激光器产生的光束通过透镜在硅晶圆表面聚焦，焦点处硅晶圆材料及腐蚀溶液吸收激光能量并瞬间转化为热能，使聚焦点处温度瞬时升高，但转化的热能不足以使硅晶圆熔融或产生烧蚀。激光聚焦的位置使溶液活化分子数目增多，分子之间的有效碰撞增大，加快硅与腐蚀溶液的化学反应，从而提高对硅晶圆的刻蚀速率，最终实现硅晶圆的切割。本发明不仅可以解决切割硅晶圆材料产生热影响区以及飞溅颗粒大范围沉积等问题，还可以解决湿法刻蚀中反应速率慢和制作掩膜的问题，从而得到干净光滑且深宽比高的硅槽。
5.本发明通过以下技术方案：基于激光辅助腐蚀溶液切割硅晶圆的加工方法，利用激光实现对浸入腐蚀溶液中硅晶圆的切割。
6.进一步的，以上方法的具体步骤如下。
7.（1）将所要切割的硅晶圆采用标准rca清洗工艺清洗。
8.（2）将硅晶圆放入具有腐蚀溶液的石英容器内，石英容器放置在x-y位移台上。
9.（3）激光器产生的激光束经过透镜后在硅晶圆表面聚焦，控制x-y位移台，使焦点对准起点位置，然后进行切割。
10.（4）将在腐蚀溶液中切割后的硅晶圆用去离子水中超声水洗。
11.进一步的，所述的激光器可以是连续式激光器，或者是脉冲式激光器，其中所述脉冲式激光器是皮秒级、纳秒级、微秒级或毫秒级激光器。
12.进一步的，所述腐蚀溶液可以是koh溶液或naoh溶液，koh溶液或naoh溶液浓度范围为20%~30%。
13.进一步的，所述硅晶圆的晶向为《100》、《110》、《111》。
14.进一步的，所述激光功率为3w-5w。
15.进一步的，腐蚀溶液没过硅晶圆的高度1mm-5mm。
16.本发明相比于现有技术的优势和有益效果：本发明采用激光辅助腐蚀溶液切割硅晶圆的加工方法，是将传统激光加工和湿法刻蚀工艺激光加工相结合的一种加工方法，本发明具有硅槽深宽比高、切缝干净光滑以及腐蚀速率快的特点。另外两者的结合解决了激光切割过程中出现的热影响区、飞溅颗粒大范围沉积的问题以及湿法刻蚀需要制作掩膜的问题。
17.本发明相比于传统的激光刻蚀和湿法刻蚀工艺，能够实现硅槽深宽比高、切缝干净光滑、无需制作图形掩膜以及腐蚀速率快。
附图说明
18.图1是本发明所需激光加工装置组成示意图。
19.图2为激光辅助腐蚀溶液切割硅晶圆工艺示意图。
20.图3为腐蚀速率随温度变化曲线图。
21.其中，1-计算机；2-激光器；3-反射镜；4-聚焦镜；5-石英容器；6-硅晶圆；7-固定装置；8-x-y位移台；9-腐蚀溶液。
具体实施方式
22.本发明利用激光实现对浸入腐蚀溶液中硅晶圆的切割。将硅晶圆浸没于腐蚀溶液中，激光器产生的光束通过透镜在硅晶圆表面聚焦，焦点处硅晶圆材料及腐蚀溶液吸收激光能量并瞬间转化为热能，使聚焦点处温度瞬时升高，但转化的热能不足以使硅晶圆熔融或产生烧蚀。激光聚焦的位置使溶液活化分子数目增多，分子之间的有效碰撞增大，加快硅与腐蚀溶液的化学反应，从而提高对硅晶圆的刻蚀速率，最终实现硅晶圆的切割。本发明是一种无需掩膜且可得到干净光滑以及高深宽比硅槽的加工方法。
23.本发明所采用的加工装置和具体执行步骤如下。
24.图1是本发明所需加工装置组成示意图，其由计算机1、激光器2、反射镜3、聚焦镜4、石英容器5、硅晶圆6、固定装置7、x-y位移台8组成。其中，计算机分别于激光器2、聚焦镜4和x-y位移台相连，通过计算机可以控制激光器2发射激光、聚焦镜4将光束聚焦和x-y位移台的移动。
25.根据图2腐蚀速率与温度呈线性变化，随温度的升高，腐蚀速率逐渐升高。在室温的条件下，晶向为《100》硅晶圆的腐蚀速率非常低基本不与硅晶圆反应，而在90℃条件下，腐蚀速率约为20um/min。
26.本发明适用于各种晶向的硅晶圆，优选《100》、《110》、《111》晶向的硅晶圆。
27.将要刻蚀的硅晶圆采用标准rca清洗工艺清洗，将清洗后的硅晶圆放到固定装置7上，夹紧硅晶圆工件。
28.将固定装置放到石英容器5中，向石英容器中加入腐蚀溶液，腐蚀溶液没过硅晶圆的高度为1mm-5mm，但不局限于此高度范围。
29.之后将石英容器放到x-y位移台8上，将所要切割的形貌输入到计算机1中。
30.打开激光器2，激光器产生的激光束经过透镜后在硅晶圆表面聚焦，控制x-y位移
台，使焦点对准起点位置，然后根据输入到计算机中的形貌进行切割。
31.所述的激光器可以是连续式激光器，或者是脉冲式激光器，其中所述脉冲式激光器是皮秒级、纳秒级、微秒级或毫秒级激光器。
32.所述激光功率为3w-5w，但不局限于此激光功率范围的激光器。
33.所述腐蚀溶液可以是koh或naoh溶液，koh溶液或naoh溶液浓度范围为20%~30%。
34.将在腐蚀溶液中切割后的硅晶圆用去离子水中超声水洗10min。
35.根据图1所示加工装置给出实施例对本发明进一步说明。
36.选用连续激光器，激光器波长为808nm，激光器最大功率为20w，激光功率为5w，腐蚀溶液选用浓度为25%的koh溶液，选用晶向为《100》的硅晶圆，硅晶圆厚度为500um。
37.激光扫描速度为1mm/min，扫描时间为30min。
38.将所选硅晶圆采用标准rca清洗工艺清洗。
39.将清洗后的硅晶圆放到固定装置上，后将固定装置放入到石英容器中，向石英容器中加入koh溶液，溶液没过硅晶圆的高度为4mm。
40.打开激光器，激光器产生的激光束晶经透镜聚焦后在硅晶圆表面产生焦点，控制x-y位移台对准切割起点，然后进行切割。
41.将在腐蚀溶液中切割后的硅晶圆用去离子水中超声水洗10min，即可得到光滑干净、深宽比高的硅槽。


技术特征：
1.一种基于激光辅助腐蚀溶液切割硅晶圆的加工方法，其特征在于：将硅晶圆浸没于腐蚀溶液中，激光器产生的光束通过透镜在硅晶圆表面聚焦，焦点处硅晶圆材料及腐蚀溶液吸收激光能量并瞬间转化为热能，使聚焦点处温度瞬时升高，但转化的热能不足以使硅晶圆熔融或产生烧蚀，激光聚焦的位置使溶液活化分子数目增多，分子之间的有效碰撞增大，加快硅与腐蚀溶液的化学反应，从而提高对硅晶圆的刻蚀速率，最终实现硅晶圆的切割。2.根据权利要求1所述的基于激光辅助腐蚀溶液切割硅晶圆的加工方法，其特征在于，具体方法包括如下步骤：步骤一：将硅晶圆放入具有腐蚀溶液的石英容器内，腐蚀溶液没过硅晶圆表面，然后将石英容器放置在x-y位移台上；步骤二：激光器产生的激光束经过透镜后在硅晶圆表面聚焦，控制x-y位移台，使焦点对准起点位置，然后进行切割；步骤三：将在腐蚀溶液中切割后的硅晶圆用去离子水中超声水洗。3.根据权利要求1所述的基于激光辅助腐蚀溶液切割硅晶圆的加工方法，其特征在于：所述腐蚀溶液浓度较低，室温下不足以腐蚀硅片。4.根据权利要求1所述的基于激光辅助腐蚀溶液切割硅晶圆的加工方法，其特征在于：所述激光器能够在材料表面持续产生能量，但产生的能量不足以使硅晶圆熔融或产生烧蚀，所述的激光器可以是连续式激光器，或者是脉冲式激光器，其中所述脉冲式激光器是皮秒级、纳秒级、微秒级或毫秒级激光器。5.根据权利要求1所述的基于激光辅助腐蚀溶液切割硅晶圆的加工方法，其特征在于：所述湿法刻蚀的方式为各向异性刻蚀，所述硅晶圆的晶向为<100>、<110>或<111>。6.根据权利要求2所述的基于激光辅助腐蚀溶液切割硅晶圆的加工方法，其特征在于：所述激光功率为3w-5w，产生的能量不足以使硅晶圆熔融或烧蚀，但是能够提高聚焦点溶液局部温度。7.根据权利要求2所述的基于激光辅助腐蚀溶液切割硅晶圆的加工方法，其特征在于：所述腐蚀溶液为能够和硅发生化学反应的溶液，可以是koh溶液或naoh溶液，koh溶液或naoh溶液浓度范围为20%~30%；所述浓度范围的腐蚀溶液在室温下与硅反应速率极低，在高温下化学反应速率较高。8.根据权利要求2所述的基于激光辅助腐蚀溶液切割硅晶圆的加工方法，其特征在于：腐蚀溶液没过硅晶圆的高度为1mm-5mm。

技术总结
本发明公开了一种基于激光辅助腐蚀溶液切割硅晶圆的加工方法，属于激光加工技术领域。激光辅助腐蚀溶液湿法切割硅是一种无需掩模图形腐蚀的方法，利用激光实现对浸入腐蚀溶液中硅晶圆的切割。激光束经过透镜在硅晶圆表面聚焦，焦点处硅晶圆材料及腐蚀溶液吸收激光能量并瞬间转化为热能，使表面温度升高，加快硅与腐蚀溶液的化学反应速率，实现对硅晶圆的切割。本发明相比于传统的激光烧蚀切割硅和湿法刻蚀工艺，具有硅槽深宽比高、切缝干净光滑、无需制作图形掩膜以及腐蚀速率快的特点。无需制作图形掩膜以及腐蚀速率快的特点。无需制作图形掩膜以及腐蚀速率快的特点。


技术研发人员：王志文 王成金 田文涛 魏娟 袁伟 郑宏宇
受保护的技术使用者：山东理工大学
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2022/3/8