硬脆材料的激光引導冷分離技術

張孝其，張雨，韓微微，王宏智

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176）

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硬脆材料的激光引導冷分離技術

張孝其，張雨，韓微微，王宏智

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176）

介紹了一種新型、節能的硬脆材料分離技術。該技術使用隱形激光打點使晶錠上部形成分離層，通過將高分子分離材料涂覆在待分離的晶圓薄片表面并冷凍使晶圓薄片分離。描述了該技術的主要工作流程和工藝特點，將該技術與目前常用的金剛線切割技術進行了比較，分析了該技術的特點并展望了該技術的應用前景。

激光隱形打點；等離子掃描；冷凍分離

晶圓基片的生產過程中，需要將拋光后的晶錠進行切割，使晶圓片與晶錠分離，分離后的晶圓片經過拋光、減薄等工藝后，才能制備出符合應用要求的晶圓基片。在晶圓薄片與晶錠分離這個生產流程中，以線切割為主要生產方式，該生產方式工藝成熟，但存在材料利用率低，廢品多的特點。本文介紹了一種新型的晶圓分離技術，該技術使用隱形激光加工技術，在晶錠內部形成角質層點平面，之后在其上涂覆特制的高分子分離材料，并冷凍，分離材料遇冷收縮，使晶圓薄片分離出來。該技術材料利用率高，并具有節能、環保的優點。

1　冷分離技術

晶棒經過高精度拋光機拋光后加工表面非常光潔，采用飛秒激光對晶棒上部光潔表面進行隱形打點，形成一層隱形角質層點平面，隱形點的深度就是要分離晶圓片的厚度，隱形點在平面上的z向分布就是分離后晶圓面的平整度。用涂膠工藝在光潔面上均勻涂一層分離膠，然后對分離膠進行等離子掃描，使其活化，粘貼上分離膜；將晶棒體放入密封容器中，加入液態氮，保持-100℃～-150℃之間不同的時間階段。在寒冷環境條件下，分離膠劇烈收縮，最后將帶分離膜的晶圓片通過隱形的角質層從晶棒上分離，浸泡、除膠、去膜，得到一片晶圓。其流程見圖1所示。

圖1　加工工藝流程圖

晶棒表面拋光：晶棒拋光前須粘接在專用設計的安裝托盤上，采用機械化學拋光機進行拋光加工。拋光一是為了保證拋光面與托盤安裝面平行，二是便于激光隱形打點，保證分離晶圓片表面光潔度。拋光完成后，清洗干凈，烘干，進入下道工序。

激光隱形打點：隱形打點的作用就是便于冷凍分離，點陣越密集，分離就越容易。根據晶棒材料不同，選用不同波長的皮秒激光或飛秒激光進行激光隱形打點，首先檢測晶棒表面距離聚焦鏡的高度，確定打點深度。由于是隱形打點，必須具有完整的材料工藝數據庫。晶棒加工表面的平整度影響隱形打點深度分布，決定了分離后晶圓片的表面質量。激光隱形打點也是該工藝線的技術瓶頸，不同材料需要選用不同波長的激光器，二是飛秒激光器非常昂貴，增大了生產成本，三是飛秒激光器功率現在小于100 W，影響了隱形打點效率。比如激光器經傳輸光路整形輸出打點陣列為3 μm×3 μm，50 mm（2英寸）的晶棒打點需要50～60 min，這大大限制了整線效率。隨著激光器功率的不斷增大和多點陣列打印技術的成熟，激光隱形打點效率將提高到約10 min/片。另外，由于光路聚焦原理的限制，隱形打點后需要在晶圓圓周面分離線上激光開槽，便于分離。激光加工見圖2所示。

圖2　激光加工示意圖

表面涂膠：選用自動勻膠機在拋光面均勻涂敷一層分離膠，厚度根據膠的濃度和分離晶圓片厚度確定。

表面貼膜：等離子掃描分離膠，使膠活化。充入氧氣或氮氣，加熱至60°，加壓，抽真空，貼上分離膜，保持10 min。

冷凍分離：將晶棒體放入分離室內，密封。充入液氮，使密室溫度降至-100°，預冷，保持一段時間，再充入液氮，密室溫度降至-150°，保持2 min，晶圓片從晶棒上迸裂分離。打開密室，讓晶棒迅速回到常溫。

浸泡出膠：取出帶膜的晶圓片，浸泡在一種弱酸溶液中，等待分離膠和貼膜完全脫落，得到一片晶圓。為加快分離膠分解速度，可以使用超聲清洗。

2　技術特點分析

激光導引冷分離技術與傳統的金剛線切割相比，具有以下優勢：無切槽，可節省材料20%以上；該技術非常適合于新型硬脆材料切割，如SiC、AlN等；冷分離技術是晶棒的一片一片剝離，可以說成品率100%，而傳統的切割方法會遇到斷線、停電等不可抗拒因素時，很容易出現廢品，且經常會出現崩邊、崩角等缺陷，成品率95%左右；一根晶棒上可以根據需求切割出不同厚度的晶圓片，金剛線切割幾乎做不到；幾乎沒有伴生廢料，只有分離膠的回收，節能環保；所使用的設備、技術都是成熟的，借鑒容易。該技術既滿足于大批量規模生產，又適合于小批量多品種切片。同時冷分離技術的缺點表現明顯：由于晶棒的反復加工、搬運，對于大于200 mm（8英寸）以上硅晶棒，質量從200多公斤減少到零點幾公斤，拋光設備，激光設備、涂膠設備等設備的適用性很難滿足；激光隱形打點是該工藝的技術瓶頸，影響了整個工藝線的效率。隨著激光技術的突破，激光功率的不斷增加，技術瓶頸正在逐步取得突破；該技術現處于實驗室階段，沒有現成的設備和規模生產經驗，整個技術還在不斷改進完善之中，推廣應用急需大量的資金和專業研發團隊；分離膠是專利技術，由德國專業廠家壟斷生產，價格不可控，容易受制于人。

3　總結及展望

激光引導冷分離技術完全顛覆了我們傳統的金剛線切割硬脆材料的工藝方法，具有耳目一新的感覺。基本原理就是利用專用膠在冷凍條件下劇烈收縮，帶動薄片從晶棒上剝離，剝離層必須用激光隱形打點形成破壞層。整個工藝過程都是采用物理的方法加工，不會破壞金棒材料的分子結構，保持了材料原有特性。

該技術已經完成了所有工藝試驗，處于推廣應用階段。影響效率的瓶頸技術激光隱形打點設備正在加緊研制中，5×5陣列激光打點已經成功，不久將推出9×9陣列，打點時間將縮短到15 min以內。在實際設備研制中，發現有許多工序可優化改進提升，比如晶棒打點，一次放入兩根晶棒打點，可以提高效率30%；比如活化分離膠的充氣加熱，可以改進多片一次完成；除膠選用超聲振動等，完全可以將效率提高到10 min/片以內，效率提升還有較大的空間。

冷分離技術最顯著的特點就是分離沒有切口，與傳統的切割方法比較，材料利用率提高20%～50%以上（切片越薄越節省材料）。分離表面質量明顯高于現有工藝，晶圓片表面稍作精密拋光，就能滿足半導體工藝線要求。工藝過程還有改進空間，工序時間可以繼續壓縮，減少能量消耗，符合節能環保理念。建議由國家科研機構或實業團體牽頭，籌集資金，組建研發隊伍，盡快在國內SiC材料切割線上推廣試用。

Laser Guide Cold Split Technology for Hard and Crisp Ingot

ZHANG Xiaoqi，ZHANG Yu，HAN Weiwei，WANG Hongzhi
（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China）

This paper introduces a cold split method for split SIC ingot or some other hard and crisp materials，describes the system composition，compares this method with wire sawing，and describes the forward of this new technology.This cold split method can be tread as a revolution，it is efficient，and can solve the partitioned sawing difficulties in sawing of large-diameter crisp and hard materials such as SIC with kerf-loss.

Laser stealth spot；Plasma scan，Cold split

TN305.1

A

1004-4507（2016）09-0001-03

2016-08-23

張孝其，（1965-）男，重慶人，高級工程師，從事半導體專用設備研制。