一種GaAs基微波器件、單片集成電路背孔的雷射打孔加工方法
2023-05-07 15:40:41
一種GaAs基微波器件、單片集成電路背孔的雷射打孔加工方法
【專利摘要】一種GaAs基微波器件、單片集成電路背孔的雷射打孔加工方法，屬於電子元器件加工【技術領域】。其使用雷射束照射在襯底背面形成背孔；在背面生長一層SiO2保護層，防止折射等雜散雷射對襯底表面的影響，並方便去除打孔蒸發的GaAs殘留在襯底背面表面；使用抽真空裝置防止加工殘留物在背孔表面影響平整度及後序鍍金工藝；通過指示光結合顯微鏡和版圖主動標定後，根據版圖主動控制自動完成4至6英寸晶圓打孔，背孔會通過襯底、緩衝層等外延層使正面電路與背面接地面形成電氣連接，並提供必要的散熱條件。本發明加工速度快，可以加工出更小錐度、背面孔徑更小的背孔，這樣增強了晶圓強度可以允許更薄的襯底節省材料，也有助於更進一步的晶片集成。
【專利說明】—種GaAs基微波器件、單片集成電路背孔的雷射打孔加工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及GaAs器件及微波單片電路MMIC製造領域，具體涉及到使用雷射加工方式實現晶圓背孔加工製備。
【背景技術】
[0002]GaAs器件具有高電子遷移率，因此器件具有高頻、低噪聲、高增益特性。砷化鎵基微波單片集成電路(MMIC)，是在半絕緣的砷化鎵襯底上通過一系列諸如外延生長、蒸發、腐蝕等半導體工藝製備出無源元件和有源器件，並連接起來構成應用於微波、毫米波頻段的功能電路。GaAs麗IC能實現幾乎所有IGHz至10GHz的微電子功能，如功率放大器、低噪聲放大器、衰減器、移相器、微波開關、混頻器等，目前已經成為軍用、民用通信領域的關鍵部件之一。
[0003]但是GaAs的導熱性較差，功率性器件產生的熱效應是影響其可靠性最大的問題之一。一種普遍的增加器件散熱的方法是，在GaAs器件的背面，做出一些通孔，稱為背孔(Back-via)。在這些孔上覆金或銅等導電金屬後，除了充當熱沉的作用，也可以完成對器件射頻(RF)信號的接地處理，且相對於引線鍵合接地方式具有較低的寄生電感。
[0004]傳統的背孔工藝是在正面電路製備完成後，將晶圓從背面減薄至30?100 μ m左右。晶圓背面塗上光致抗腐蝕膠做成的圖案，用幹法刻蝕形成通孔至接觸正面表面金屬。之後通過濺射或蒸發金屬在背孔表面形成導電層並鍍金。目前幹法刻蝕主要是使用高密度等離子體系統(HDP)，如電感耦合等離子體(ICP)，電子迴旋振蕩等離子體(ECR)等。
[0005]幹法刻蝕的效果與ICP功率、RF Bias、保護氣cl2、等離子體氣體壓力等有關，需要複雜的調試過程；且成型效果與襯底材料性能(各向異性、各向同性)及材料的組分(GaAs、InGaP、GaInAs、GaAlAs)密切相關，刻蝕速度較慢，100 μ m厚的GaAs襯底大概需要4個小時左右；刻蝕後孔的表面特性與材料性能、等離子體等相關，受殘留物影響較大；背面孔徑較大，一般在100 μ m量級，若背孔數量太多就需要更厚的襯底加強晶圓強度，並且影響晶片的進一步集成。
[0006]雷射打孔具有效率高、成本低、孔內錐度更小、孔內表面損傷小、電鍍金屬後應力小、加工殘留物方便處理及綜合技術經濟效益顯著等優點，因此可廣泛應用於民用、國防等工業領域上，目前已經有專利使用雷射打孔的方式作為矽基集成電路的通孔工藝。
【發明內容】
[0007]本發明提供了一種GaAs基微波器件、微波單片集成電路(MMIC)的背孔加工工藝，具體是使用雷射技術來實現背孔製備。
[0008]一種GaAs基微波器件、單片集成電路背孔雷射打孔加工方法，包括如下步驟:
[0009]S1:製備含標定圖案的版圖，晶圓背面生長S12層，標定初始加工位置；
[0010]S2:使用抽真空裝置，抽取雷射加工過程產生的廢氣；
[0011]S3:調整雷射各參數完成整個晶圓上的背孔加工，在加工過程中使用抽真空裝置抽取廢氣。
[0012]本發明提供了一種使用雷射打孔加工方法，實現GaAs基晶圓即GaAs基微波器件、微波單片集成電路(MMIC)背孔工藝；
[0013]其可用於GaAs基微波器件，包括:HEMT器件、HBT件、肖特基二極體、雷射二極體；以及GaAs基微波單片集成電路MMIC的製備工藝；
[0014]所述工藝用於完成4英寸、6英寸的GaAs基晶圓的背孔工藝，背面孔徑在30?100 μ m之間；
[0015]所述GaAs基晶圓是指以GaAs襯底，其它外延層為InGaP外延層，或InGaAs外延層，或AlGaAs外延層。
[0016]工藝所需的雷射加工系統，其包含所用雷射器為CO2雷射器，或半導體雷射器，或光纖雷射器；產生的雷射為脈寬可調製的超短脈衝雷射；光束束腰直徑為μ m級，光束類型為高斯光束；所產生的雷射功率在1W?500W之間，完成厚度為30?100 μ m的打孔。
[0017]工藝所需的雷射加工系統中載物臺材料為鋼化石英玻璃，下面設有雷射功率探測器；載物臺尺寸上分為4英寸和6英寸兩類，可自由更換，且邊緣切痕與所在工藝線用於晶圓標記的邊緣切痕一致，即載物臺尺寸、形狀與晶圓尺寸、定位邊切痕吻合。
[0018]所述的背孔雷射打孔加工方法，是在完成器件的正面製備、及背面晶圓減薄工藝後進行的，其中背面減薄工藝將晶圓減薄至30?ΙΟΟμπι ;
[0019]減薄工藝完成之後，在晶圓背面表面生長一層S12保護層，厚度為0.2μπι。
[0020]在運用雷射加工前，做好晶圓版圖，且版圖中要提前做好標定圖案；
[0021]所述版圖標定圖案分為五組，分別分布於晶圓表面邊緣位置，呈五邊形分布；標定點圖案為在晶圓正面表面覆上的圓形即標定圖案I和相鄰的環形即標定圖案2的金屬層，此金屬層與電路包括金屬材料、厚度在內的性質相同。
[0022]所述工藝過程為，將器件、電路版圖輸入雷射加工計算機系統中；放置晶圓，注意使用相應尺寸的載物臺，使載物臺切痕與晶圓定位邊吻合；運用雷射進行打孔加工前首先開啟抽真空系統功能，並在加工過程中始終維持真空系統的運行；結合指示光、顯微鏡監視圖像、晶圓和版圖上事先確定的標定圖案、雙面曝光形成背面的標定圖案標定初始加工佔.
[0023]進行雷射加工系統復位操作，使加工系統指示光移動至加工初始點，即晶圓右下角、切痕右上方環形標定圖案；結合實驗數據及經驗調整雷射功率、離焦量、光斑大小、脈衝寬度、脈衝數量等參數控制打孔速率、深度、尺寸，進行標定操作；
[0024]標定完成後，調整穩定的雷射參數，使用雷射束照射在襯底背面形成背孔，並完成整個晶圓的所有背孔加工；去除掉背面表面的S12保護層，保證背面無加工殘留物；通過背面蒸發或濺射金屬工藝進行鍍金。
[0025]標定方法中對環形標定圖案進行雷射打孔，使穿透GaAs襯底以及其他外延層；對圓形標定圖案進行雷射打孔，使在穿透GaAs襯底以及其他外延層的同時，不損傷正面表面金屬；加工系統固定晶圓的載物臺上預設的光探測器，通過探測透過的光功率監察打孔狀態；
[0026]標定後雷射各加工參數保存在計算機系統王控程序中
[0027]本發明使用雷射打孔具有的優勢是，加工速度快，雷射打孔，每個背孔只需要幾秒甚至更少的時間(和雷射功率、脈寬相關)，而傳統幹法刻蝕對於100 μ m厚的GaAs晶圓，需要4個小時左右，時間可以節省一半以上；背孔孔內表面平整度高；加工殘留物對背孔孔內表面影響小；應用過程中，若晶圓背面表面殘留物對電氣性能影響不大，則可以省去背面生長S12保護層的工藝過程；雷射準直性好，調節離焦量和光斑等參數可以加工出更小錐度、背面孔徑更小的背孔，這樣增強了晶圓強度可以允許更薄的襯底節省材料，也有助於更進一步的晶片集成。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為雷射打孔形成背孔工藝原理框圖；
[0029]圖2為載物臺上晶圓標定位置206以及標定圖案202、203 ；
[0030]圖3至圖5束腰位置302位於加工件305不同位置，背孔不同的截面形狀；
[0031]其中:
[0032]圖3為束腰位置302位於加工件305的正面303邊緣位置時背孔的截面形狀；
[0033]圖4為束腰位置302位於加工件305的中間303位置時背孔的截面形狀；
[0034]圖5為束腰位置302位於加工件305的正面303下方位置時背孔的截面形狀；
[0035]圖6為所加工的GaAs基晶圓外延層與S12保護層103示意圖；
[0036]圖7為雷射打孔加工後的背孔示意圖。
[0037]實施方案
[0038]下面結合附圖和【具體實施方式】對於本發明做進一步的說明。
[0039]本發明的這種背孔工藝可用於，GaAs基微波器件，如:HEMT器件、HBT器件、肖特基二極體、雷射二極體等；以及GaAs基微波單片集成電路(MMIC)的製備。
[0040]所述背孔通過襯底及外延層，使正面電路與背面接地面形成電氣連接，並提供必要的散熱條件。
[0041]所述工藝是在完成正面器件及電路製備，以及背面晶圓減薄工藝後，背面蒸發或濺射及鍍金工藝之前。
[0042]所述工藝可以完成4英寸、6英寸的GaAs基晶圓的背孔工藝，背面孔徑約為30?100 μ m之間，由於雷射打孔的優勢其背孔孔徑可以做到小於傳統幹法刻蝕工藝尺度。
[0043]所述GaAs基晶圓，如圖1所示,不僅是指GaAs襯底102,也包含GaAs緩衝層，以及包含InGaP或InGaAs或AlGaAs外延層104的晶圓結構。
[0044]所用雷射器106為CO2雷射器，或半導體雷射器，或光纖雷射器；產生的雷射為脈寬可調製的超短脈衝雷射；光束束腰直徑為μ m級，光束類型為高斯光束；所產生的雷射功率在1W?500W之間，完成晶圓厚度為30?ΙΟΟμπι的打孔。
[0045]所述工藝使用的雷射加工系統，如圖1所示。所述載物臺105為自主設計，其材料為鋼化石英玻璃，尺寸上分為4英寸、6英寸，可自由更換，且邊緣切痕與所在工藝線用於晶圓標記的邊緣切痕一致，即載物臺尺寸、形狀與晶圓尺寸、定位邊切痕吻合。
[0046]所述工藝可以通過雷射功率、離焦量、光斑大小、脈衝寬度、加工方式等，方便加工所需求的錐度不同的錐形孔；由於雷射準直性好的優勢，此錐度將小於傳統幹法刻蝕工藝的錐度，使背孔孔徑更小。其加工錐度範圍為75°?85°之間。
[0047]雷射的離焦量、束腰光斑大小對背孔的形狀、與正面電路金屬層接觸點的孔徑大小影響較大，如圖2所示，即雷射束301的束腰302位置位於加工件305不同位置所加工的背孔不同的截面形狀:其中:
[0048]圖3為束腰位置302位於加工件305的正面303邊緣位置時背孔的截面形狀；
[0049]圖4為束腰位置302位於加工件305的中間303位置時背孔的截面形狀；
[0050]圖5為束腰位置302位於加工件305的正面303下方位置時背孔的截面形狀；
[0051]根據需要，本發明應該選擇調整離焦量使束腰位置302位於正面電路金屬層接觸處，如圖3所示，因此束腰位置的光斑大小，將是影響與正面電路金屬層接觸點的孔徑大小的主要原因；
[0052]針對不同厚度的晶圓調整脈衝寬度和脈衝序列，使雷射作用功率滿足加工要求。
[0053]所述工藝過程包括:
[0054]晶圓版圖中，除目標器件、電路版圖外，也要提前做好背面工藝所用的標定位置201 ;如圖2所示，其中標定點201分為五組，分別分布於晶圓表面邊緣位置，呈五邊形分布；標定點圖案為在晶圓正面表面覆上的圓形(標定圖案202)和環形(標定圖案203)金屬層，此金屬層與電路金屬材料、厚度等性質相同；
[0055]完成正面的器件及電路製備；完成背面減薄工藝，晶圓減薄至30?100 μ m ;。
[0056]在晶圓背面表面生長一層S12保護層103，厚度約為0.2μπι左右；這是為了防止打孔後殘餘材料濺射到背面襯底表面，或方便去除濺射出的加工殘留物，也方便防止折射等雜散雷射對襯底背面表面的影響；
[0057]將器件、電路、標定位置的晶圓上版圖輸入雷射加工計算機系統中；
[0058]放置晶圓，注意使用相應尺寸的載物臺105，使載物臺切痕與晶圓定位邊204吻合；這是為了標定初始加工位置必須的步驟；
[0059]加工時首先打開真空系統；加工過程中始終保持系統處於真空狀態，以防止加工中產生的GaAs生成物殘留在背孔孔內表面影響平整度、後序鍍金工藝以及電氣性能；
[0060]結合指示光107、顯微鏡108監視圖像、晶圓和版圖上事先確定的標定位置進行加工前位置和參數的標定；標定的具體過程為:
[0061]I)雷射系統106復位:使加工頭指示光107位於晶圓(載物臺105)中心；根據晶圓尺寸，結合雙面曝光形成背面的標定圖案，控制加工頭和控制系統內指示標誌由中心點205移動至加工初始點206，即圖2中晶圓右下角環形圖案203 ；
[0062]2)結合實驗數據及經驗調整雷射功率、離焦量、光斑大小、脈衝寬度、脈衝數量等參數控制打孔速率、深度、尺寸；其中，調整光斑保證晶圓背面孔徑大小在30?10um之間，雷射功率可打孔厚度在30?10um之間；
[0063]3)對標定圖案203進行雷射打孔，使穿透GaAs襯底102以及其他外延層104 ;對標定圖案202進行雷射打孔，使在穿透GaAs襯底102以及其他外延層104的同時，不損傷正面表面金屬101 ；
[0064]4)打孔標定時候，觀察孔的表面形態，確保孔的形狀為錐形，如圖3所示；
[0065]五組標定全部完成並滿足要求之後，進行整個晶圓上的自動打孔；
[0066]標定後雷射各加工參數應自動保存在計算機系統王控程序中；
[0067]調整好雷射各個參數、標定好加工位置信息後，使用雷射束照射在襯底背面形成背孔，計算機自動控制完成整個晶圓的所有背孔加工；
[0068]去除掉背面表面的S12保護層103，保證背面無加工殘留物；
[0069]通過背面蒸發或濺射金屬並隨後鍍金。
【權利要求】
1.一種GaAs基微波器件、單片集成電路背孔雷射打孔加工方法，其特徵在於，包括如下步驟: 51:製備含標定圖案的版圖，晶圓背面生長S12層,標定初始加工位置； 52:使用抽真空裝置，抽取雷射加工過程產生的廢氣； 53:調整雷射各參數完成整個晶圓上的背孔加工，在加工過程中使用抽真空裝置抽取廢氣。
2.根據權利要求1所述的背孔雷射打孔加工方法，其特徵在於，其提供了一種使用雷射打孔加工方法，實現GaAs基晶圓即GaAs基微波器件、微波單片集成電路(MMIC)背孔工藝； 其可用於GaAs基微波器件，包括:HEMT器件、HBT器件、肖特基二極體；以及GaAs基微波單片集成電路MMIC的製備工藝； 所述工藝用於完成4英寸、6英寸的GaAs基晶圓的背孔工藝，背面孔徑在30?100 μ m之間； 所述GaAs基晶圓是指以GaAs襯底，其它外延層為InGaP外延層，或InGaAs外延層，或AlGaAs外延層。
3.根據權利要求1所述的背孔雷射打孔加工方法，其特徵在於，工藝所需的雷射加工系統，其包含所用雷射器為CO2雷射器，或半導體雷射器，或光纖雷射器；產生的雷射為脈寬可調製的超短脈衝雷射；光束束腰直徑為μ m級，光束類型為高斯光束；所產生的雷射功率在1W?500W之間，完成厚度為30?100 μ m的打孔； 工藝所需的雷射加工系統中載物臺材料為鋼化石英玻璃，下面設有雷射功率探測器；載物臺尺寸上分為4英寸和6英寸兩類，可自由更換，且邊緣切痕與所在工藝線用於晶圓標記的邊緣切痕一致，即載物臺尺寸、形狀與晶圓尺寸、定位邊切痕吻合。
4.根據權利要求1所述的背孔雷射打孔加工方法，其特徵在於，其是在完成器件的正面器件和電路製備、及背面晶圓減薄工藝後進行的，其中背面減薄工藝將晶圓減薄至30?100 μ m ； 減薄工藝完成之後，在晶圓背面表面生長一層S12保護層，厚度為0.2 μ m。
5.根據權利要求1所述的背孔雷射打孔加工方法，其特徵在於，其在運用雷射加工前，做好晶圓版圖，且版圖中要提前做好標定圖案； 所述版圖標定圖案分為五組，分別分布於晶圓表面邊緣位置，呈五邊形分布；標定點圖案為在晶圓正面表面覆上的圓形和相鄰的環形金屬層，此金屬層與電路金屬材料、厚度的性質相同。
6.根據權利要求1所述的背孔雷射打孔加工方法，其特徵在於，所述工藝過程為，將器件、電路版圖輸入雷射加工計算機系統中；放置晶圓，注意使用相應尺寸的載物臺，使載物臺切痕與晶圓定位邊吻合；運用雷射進行打孔加工前首先開啟抽真空系統功能，並在加工過程中始終維持真空系統的運行；結合指示光、顯微鏡監視圖像、晶圓和版圖上事先確定的標定圖案、雙面曝光形成背面的標定圖案標定初始加工點； 進行雷射加工系統復位操作，使加工系統指示光移動至加工初始點，即晶圓右下角、切痕右上方環形標定圖案；結合實驗數據及經驗調整雷射功率、離焦量、光斑大小、脈衝寬度、脈衝數量等參數控制打孔速率、深度、尺寸，進行標定操作； 標定完成後，調整穩定的雷射參數，使用雷射束照射在襯底背面形成背孔，並完成整個晶圓的所有背孔加工；去除掉背面表面的S12保護層，保證背面無加工殘留物；通過背面蒸發或濺射金屬工藝進行鍍金。
7.根據權利要求6所述的背背孔雷射打孔加工方法，其特徵在於:標定方法中對環形標定圖案進行雷射打孔，使穿透GaAs襯底以及其他外延層；對圓形標定圖案進行雷射打孔，使在穿透GaAs襯底以及其他外延層的同時，不損傷正面表面金屬；加工系統固定晶圓的載物臺上預設的光探測器，通過探測透過的光功率監察打孔狀態； 標定後雷射各加工參數保存在計算機系統王控程序中。
【文檔編號】B23K26/382GK104162745SQ201410331642
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月11日 優先權日:2014年7月11日
【發明者】王智勇, 高鵬坤, 鄭建華, 王青 申請人:北京工業大學