水冷下晶圆激光热裂法加工工艺及机理研究

发布时间：2020-08-11 09:22

【摘要】：随着半导体技术的发展,半导体晶圆制造工艺受到研究人员的重视。半导体晶圆经过光刻、离子注入及电镀等工艺后,在其表面制作形成集成电路,并被切割成单个晶片,以便于封装及测试。半导体晶圆衬底通常为硅或蓝宝石等脆性材料,这些材料硬度较高,且容易破碎。目前常见的晶圆划片工艺主要包括机械砂轮切割、激光表面烧蚀、隐形激光切割和水导激光切割等。机械砂轮划片工艺划切道较宽,导致晶圆利用率下降,且砂轮磨损严重使用成本较高;激光表面烧蚀加工具有速度快、成本低的优点,但该工艺会产生热影响区,影响晶圆表面质量;隐形激光划片是一种新型的激光加工工艺,但由于晶圆分离面易被烧蚀损伤,会降低发光二极管的发光效率。本文提出水冷却下晶圆激光热裂法加工,并对相关工艺进行优化,可以减少材料热影响区面积,提高表面质量。本文提出水冷却下晶圆激光热裂法加工工艺,并研究水冷却下激光热裂法加工机理。热裂法加工是由于加工过程中材料内部产生温度梯度,从而在内部产生热应力而分离。通过建立激光热裂法加工模型并仿真可知,采用热裂法加工时,激光照射区域前部受到拉应力作用,中部受到压应力作用,后部也受到拉应力作用,材料表面产生I型裂纹扩展从而分离。当采用不同冷却条件及光斑形状加工时,材料表面拉应力分布存在较大区别,加工时需要选择合适的工艺。针对热裂法加工时拉应力较小难以分离的问题,本文提出断裂引导线加工作为热裂法加工前道工序。当材料表面存在断裂引导线时,热裂法加工会在引导线尖端产生应力集中,使晶圆更容易发生热裂分离。随着引导线深度的进一步增加,应力强度因子进一步增大。当引导线具有较大的深度时,晶圆更容易沿着裂纹引导线的位置分离。当加工引导线采用较高激光功率、较慢加工速度及多次重复加工时,引导线深度增加。仿真及实验后发现,提高激光功率密度导致引导线宽度增加,难以满足热裂法加工需求。多次重复加工能显著增加引导线深度,并对宽度影响较小。与此同时,引导线两侧存在熔融材料的堆积,表面质量较差。因此断裂引导线加工前对晶圆表面进行保护处理,可以获得较高的表面质量。搭建晶圆激光热裂法加工实验平台并进行加工实验,分析激光热裂分离机理。水冷却下激光热裂法加工晶圆横截面分为引导线加工层、热影响层、热应力分离层和氮化镓薄膜层。晶圆分离面光滑,热影响区小。该工艺加工效率较高,具有较强的实用性。热裂法划片与隐形激光划片相比,理论发光效率提高约9%。热裂法加工中常出现裂纹断裂偏移现象,本文分析晶圆热裂法加工偏移机理,研究加工工艺对偏移的影响。针对晶圆视觉预对准自动化程度较低的问题,本文提出基于傅里叶变换及基于最小二乘法晶圆预对准算法和基于神经网络的水流束预对准算法。该算法满足工业化生产的精度要求,对于不同类型晶圆加工无需调整,具有较强的通用性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN305

【参考文献】

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本文编号：2788891