一種皮秒雷射減薄切割多晶矽片的一體化加工方法與流程
2023-04-24 16:02:36
本發明涉及一種矽片的雷射減薄切割一體化方法，尤其是一種皮秒雷射減薄切割多晶矽片的一體化加工方法，屬於半導體材料雷射加工領域。
背景技術：
矽片在半導體器件領域中應用廣泛，隨著電子產品對高性能、多功能和小型化的需求推動了集成電路(ic)封裝技術的發展，需要對矽片進行背面減薄加工。矽片背面減薄技術有很多種，如磨削、拋光、乾式拋光、電化學腐蝕、溼法腐蝕、等離子輔助化學腐蝕和常壓等離子腐蝕等。目前，金剛石砂輪的超精密磨削技術在矽片工業減薄加工中廣泛應用，該技術通過砂輪在矽片表面旋轉施壓、損傷、破裂、移除而實現矽片減薄。但是，工藝中不可避免引入損傷，降低器件可靠性和穩定性，同時超精密磨削減薄技術面臨著高加工質量和高加工效率的突出矛盾。
隨著雷射加工技術的不斷發展，它已經開始應用於矽片的工業生產中。利用光纖雷射精密切割單晶矽；利用雷射在柔性和剛性襯底上沉積非晶矽薄膜；利用雷射進行矽片表面退火；利用雷射清洗矽片表面雜物；飛秒雷射掃描矽表面誘導形成微結構；晶體矽片上的雷射打孔等都已進行過研究或應用。
本發明針對矽片減薄這一工程問題，嘗試使用皮秒雷射進行多晶矽片的減薄切割一體化加工，避免了機械磨削的表面損傷，降低矽片生產的碎片率，提高加工效率和質量，而且還會減少化學試劑的使用，有利於提高矽片生產的環保性。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種皮秒雷射減薄切割多晶矽片的一體化加工方法，針對傳統減薄方法產生的碎片率高、表面刮傷、加工效率低等問題。利用皮秒雷射掃描矽片表面進行減薄。本發明所用雷射加工系統如圖1，本發明的操作流程如圖2所述。
為了達到以上的目的，本發明提供一種皮秒雷射減薄切割多晶矽片的一體化加工方法，採用如下的技術解決方案：
第一步：取原始多晶矽片(原始厚度200μm左右)裁剪為20mm×20mm的小塊，利用粗糙度儀測得原始表面粗糙度小於0.4μm，利用螺旋測微儀測得矽片的原始厚度。
第二步：利用脈衝寬度600ps的皮秒光纖雷射器(型號picoyl-15-0.1)設定雷射掃描區域15mm×15mm對矽片表面進行減薄加工，雷射的波長193-1064nm，重複頻率100-1000khz，輸出功率1-20w，雷射掃描速度100-500mm/s，掃描次數5-15次。
第三步：繪製雷射切割輪廓線並調整雷射參數進行矽片切割，輸出功率20w，雷射掃描速度100mm/s，重複頻率200khz，掃描次數10次,雷射的波長1064nm。
第四步：利用粗糙度儀測量雷射減薄後矽片表面的粗糙度，減薄後表面粗糙度ra小於1μm；利用螺旋測微儀測量減薄後的矽片厚度；利用基恩士三維共聚焦顯微鏡觀察表面形貌，利用皮安計測試不同厚度矽片的i-v曲線。多晶矽片雷射減薄區域與未處理區域共聚焦三維模型如圖3，不同厚度矽片的i-v曲線如圖4。
其中，所述第二步中進行雷射分步減薄矽片的加工，雷射掃描線間距10-25μm。皮秒雷射的光斑直徑34μm，減薄區域緻密填充。加工過程中通保護氣體氬氣。
本發明的積極效果為：
(1)該方法使用皮秒雷射減薄切割矽片一體化加工工藝，大大提高了矽片的加工速度和精度，有望在實際生產中提高生產效率，節約生產成本，提高經濟效益。
(2)該方法利用皮秒雷射減薄原始厚度200μm左右多晶矽片，可以使其最大減薄量達到100μm，減薄效果明顯。
(3)該方法利用雷射直寫系統，可以通過改變皮秒雷射參數如功率、頻率、加工次數、掃描速度等進行精確控制，能得到不同減薄量和不同形狀的矽片，相對傳統的機械減薄方法加工更加方便安全，適用範圍也更廣。
附圖說明
圖1雷射加工系統示意圖。
圖2矽片減薄切割一體化操作流程圖。
圖3多晶矽片雷射減薄區域與未處理區域共聚焦三維模型。
圖4不同厚度多晶矽片i-v曲線。
圖中標號說明如下：
皮秒雷射器1氬氣2樣品3水平工作檯4雷射切割輪廓線5
具體實施方式
下面結合附圖1-4及具體實例對本發明的實施過程進行詳細的闡述。
實施例1：
步驟1.取多晶矽片裁剪為20mm×20mm的樣品3利用粗糙度儀測得原始表面粗糙度小於0.4μm，利用螺旋測微儀測得矽片的原始厚度並置於水平工作檯4。
步驟2.啟動皮秒雷射器1及配套的軟體系統，設定掃描區域15mm×15mm，雷射波長193nm。第一步減薄設置重複頻率300khz，功率15w，加工次數5次，雷射掃描線間距10μm，雷射掃描速度100mm/s，利用紅光進行被加工樣品的定位，開始標刻直至完成設定的加工次數；第二步減薄設置重複頻率500khz，功率10w，加工次數10次，雷射掃描線間距10μm，雷射掃描速度250mm/s開始標刻直至完成設定的加工次數；第三步減薄設置重複頻率700khz，功率5w，加工次數10次，雷射掃描線間距10μm，雷射掃描速度350mm/s，開始標刻直至完成設定的加工次數；第四步減薄設置重複頻率1000khz，功率1w，加工次數15次，雷射掃描線間距10μm，雷射掃描速度500mm/s，開始標刻直至完成設定的加工次數。加工過程中通保護氣體氬氣2
步驟3.繪製雷射切割輪廓線5並調整雷射參數進行矽片切割，輸出功率20w，雷射掃描速度100mm/s，重複頻率200khz，掃描次數10次,雷射的波長1064nm。
步驟4.利用粗糙度儀測量雷射減薄後矽片表面的粗糙度，減薄後表面粗糙度ra小於1μm；利用螺旋測微儀測量減薄後的矽片厚度；利用基恩士三維共聚焦顯微鏡觀察表面形貌；利用皮安計測試不同厚度矽片的i-v曲線。多晶矽片雷射減薄區域與未處理區域共聚焦三維模型如圖3，不同厚度矽片的i-v曲線如圖4。
實施例2：
步驟1.取多晶矽片裁剪為20mm×20mm的樣品3利用粗糙度儀測得原始表面粗糙度小於0.4μm，利用螺旋測微儀測得矽片的原始厚度並置於水平工作檯4。
步驟2.啟動皮秒雷射器及1配套的軟體系統，設定掃描區域15mm×15mm，雷射波長532nm。第一步減薄設置重複頻率500khz，功率20w，加工次數5次，雷射掃描線間距15μm，雷射掃描速度100mm/s，利用紅光進行被加工樣品的定位，開始標刻直至完成設定的加工次數；第二步減薄設置重複頻率700khz，功率15w，加工次數10次，雷射掃描線間距15μm，雷射掃描速度200mm/s開始標刻直至完成設定的加工次數；第三步減薄設置重複頻率900khz，功率10w，加工次數10次，雷射掃描線間距15μm，雷射掃描速度350mm/s，開始標刻直至完成設定的加工次數；第四步減薄設置重複頻率1000khz，功率5w，加工次數15次，雷射掃描線間距15μm，雷射掃描速度500mm/s，開始標刻直至完成設定的加工次數。加工過程中通保護氣體氬氣2。
步驟3.繪製雷射切割輪廓線5並調整雷射參數進行矽片切割，輸出功率20w，雷射掃描速度100mm/s，重複頻率200khz，掃描次數10次,雷射的波長1064nm。
步驟4.利用粗糙度儀測量雷射減薄後矽片表面的粗糙度，利用螺旋測微儀測量減薄後的矽片厚度，利用基恩士三維共聚焦顯微鏡觀察表面形貌，利用皮安計測試不同厚度矽片的i-v曲線。多晶矽片雷射減薄區域與未處理區域共聚焦三維模型如圖3，不同厚度矽片的i-v曲線如圖4。
實施例3：
步驟1.取多晶矽片裁剪為20mm×20mm的樣品3利用粗糙度儀測得原始表面粗糙度小於0.4μm，利用螺旋測微儀測得矽片的原始厚度並置於水平工作檯4。
步驟2.啟動皮秒雷射器1及配套的軟體系統，設定掃描區域15mm×15mm，雷射波長1064nm。第一步減薄設置重複頻率100khz，功率12w，加工次數5次，雷射掃描線間距25μm，雷射掃描速度100mm/s，利用紅光進行被加工樣品的定位，開始標刻直至完成設定的加工次數；第二步減薄設置重複頻率300khz，功率9w，加工次數10次，雷射掃描線間距25μm，雷射掃描速度250mm/s開始標刻直至完成設定的加工次數；第三步減薄設置重複頻率500khz，功率5w，加工次數10次，雷射掃描線間距25μm，雷射掃描速度350mm/s，開始標刻直至完成設定的加工次數；第四步減薄設置重複頻率500khz，功率1w，加工次數15次，雷射掃描線間距25μm，雷射掃描速度500mm/s，開始標刻直至完成設定的加工次數。加工過程中通保護氣體氬氣2。
步驟3.繪製雷射切割輪廓線5並調整雷射參數進行矽片切割，輸出功率20w，雷射掃描速度100mm/s，重複頻率200khz，掃描次數10次,雷射的波長1064nm。
步驟4.利用粗糙度儀測量雷射減薄後矽片表面的粗糙度，利用螺旋測微儀測量減薄後的矽片厚度，利用基恩士三維共聚焦顯微鏡觀察表面形貌，利用皮安計測試不同厚度矽片的i-v曲線。多晶矽片雷射減薄區域與未處理區域共聚焦三維模型如圖3，不同厚度矽片的i-v曲線如圖4。