张孝其，张雨，韩微微，王宏智

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176）



硬脆材料的激光引导冷分离技术

张孝其，张雨，韩微微，王宏智

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176）

介绍了一种新型、节能的硬脆材料分离技术。该技术使用隐形激光打点使晶锭上部形成分离层，通过将高分子分离材料涂覆在待分离的晶圆薄片表面并冷冻使晶圆薄片分离。描述了该技术的主要工作流程和工艺特点，将该技术与目前常用的金刚线切割技术进行了比较，分析了该技术的特点并展望了该技术的应用前景。

激光隐形打点；等离子扫描；冷冻分离

晶圆基片的生产过程中，需要将抛光后的晶锭进行切割，使晶圆片与晶锭分离，分离后的晶圆片经过抛光、减薄等工艺后，才能制备出符合应用要求的晶圆基片。在晶圆薄片与晶锭分离这个生产流程中，以线切割为主要生产方式，该生产方式工艺成熟，但存在材料利用率低，废品多的特点。本文介绍了一种新型的晶圆分离技术，该技术使用隐形激光加工技术，在晶锭内部形成角质层点平面，之后在其上涂覆特制的高分子分离材料，并冷冻，分离材料遇冷收缩，使晶圆薄片分离出来。该技术材料利用率高，并具有节能、环保的优点。

1　冷分离技术

晶棒经过高精度抛光机抛光后加工表面非常光洁，采用飞秒激光对晶棒上部光洁表面进行隐形打点，形成一层隐形角质层点平面，隐形点的深度就是要分离晶圆片的厚度，隐形点在平面上的z向分布就是分离后晶圆面的平整度。用涂胶工艺在光洁面上均匀涂一层分离胶，然后对分离胶进行等离子扫描，使其活化，粘贴上分离膜；将晶棒体放入密封容器中，加入液态氮，保持-100℃～-150℃之间不同的时间阶段。在寒冷环境条件下，分离胶剧烈收缩，最后将带分离膜的晶圆片通过隐形的角质层从晶棒上分离，浸泡、除胶、去膜，得到一片晶圆。其流程见图1所示。

图1　加工工艺流程图

晶棒表面抛光：晶棒抛光前须粘接在专用设计的安装托盘上，采用机械化学抛光机进行抛光加工。抛光一是为了保证抛光面与托盘安装面平行，二是便于激光隐形打点，保证分离晶圆片表面光洁度。抛光完成后，清洗干净，烘干，进入下道工序。

激光隐形打点：隐形打点的作用就是便于冷冻分离，点阵越密集，分离就越容易。根据晶棒材料不同，选用不同波长的皮秒激光或飞秒激光进行激光隐形打点，首先检测晶棒表面距离聚焦镜的高度，确定打点深度。由于是隐形打点，必须具有完整的材料工艺数据库。晶棒加工表面的平整度影响隐形打点深度分布，决定了分离后晶圆片的表面质量。激光隐形打点也是该工艺线的技术瓶颈，不同材料需要选用不同波长的激光器，二是飞秒激光器非常昂贵，增大了生产成本，三是飞秒激光器功率现在小于100 W，影响了隐形打点效率。比如激光器经传输光路整形输出打点阵列为3 μm×3 μm，50 mm（2英寸）的晶棒打点需要50～60 min，这大大限制了整线效率。随着激光器功率的不断增大和多点阵列打印技术的成熟，激光隐形打点效率将提高到约10 min/片。另外，由于光路聚焦原理的限制，隐形打点后需要在晶圆圆周面分离线上激光开槽，便于分离。激光加工见图2所示。

图2　激光加工示意图

表面涂胶：选用自动匀胶机在抛光面均匀涂敷一层分离胶，厚度根据胶的浓度和分离晶圆片厚度确定。

表面贴膜：等离子扫描分离胶，使胶活化。充入氧气或氮气，加热至60°，加压，抽真空，贴上分离膜，保持10 min。

冷冻分离：将晶棒体放入分离室内，密封。充入液氮，使密室温度降至-100°，预冷，保持一段时间，再充入液氮，密室温度降至-150°，保持2 min，晶圆片从晶棒上迸裂分离。打开密室，让晶棒迅速回到常温。

浸泡出胶：取出带膜的晶圆片，浸泡在一种弱酸溶液中，等待分离胶和贴膜完全脱落，得到一片晶圆。为加快分离胶分解速度，可以使用超声清洗。

2　技术特点分析

激光导引冷分离技术与传统的金刚线切割相比，具有以下优势：无切槽，可节省材料20%以上；该技术非常适合于新型硬脆材料切割，如SiC、AlN等；冷分离技术是晶棒的一片一片剥离，可以说成品率100%，而传统的切割方法会遇到断线、停电等不可抗拒因素时，很容易出现废品，且经常会出现崩边、崩角等缺陷，成品率95%左右；一根晶棒上可以根据需求切割出不同厚度的晶圆片，金刚线切割几乎做不到；几乎没有伴生废料，只有分离胶的回收，节能环保；所使用的设备、技术都是成熟的，借鉴容易。该技术既满足于大批量规模生产，又适合于小批量多品种切片。同时冷分离技术的缺点表现明显：由于晶棒的反复加工、搬运，对于大于200 mm（8英寸）以上硅晶棒，质量从200多公斤减少到零点几公斤，抛光设备，激光设备、涂胶设备等设备的适用性很难满足；激光隐形打点是该工艺的技术瓶颈，影响了整个工艺线的效率。随着激光技术的突破，激光功率的不断增加，技术瓶颈正在逐步取得突破；该技术现处于实验室阶段，没有现成的设备和规模生产经验，整个技术还在不断改进完善之中，推广应用急需大量的资金和专业研发团队；分离胶是专利技术，由德国专业厂家垄断生产，价格不可控，容易受制于人。

3　总结及展望

激光引导冷分离技术完全颠覆了我们传统的金刚线切割硬脆材料的工艺方法，具有耳目一新的感觉。基本原理就是利用专用胶在冷冻条件下剧烈收缩，带动薄片从晶棒上剥离，剥离层必须用激光隐形打点形成破坏层。整个工艺过程都是采用物理的方法加工，不会破坏金棒材料的分子结构，保持了材料原有特性。

该技术已经完成了所有工艺试验，处于推广应用阶段。影响效率的瓶颈技术激光隐形打点设备正在加紧研制中，5×5阵列激光打点已经成功，不久将推出9×9阵列，打点时间将缩短到15 min以内。在实际设备研制中，发现有许多工序可优化改进提升，比如晶棒打点，一次放入两根晶棒打点，可以提高效率30%；比如活化分离胶的充气加热，可以改进多片一次完成；除胶选用超声振动等，完全可以将效率提高到10 min/片以内，效率提升还有较大的空间。

冷分离技术最显著的特点就是分离没有切口，与传统的切割方法比较，材料利用率提高20%～50%以上（切片越薄越节省材料）。分离表面质量明显高于现有工艺，晶圆片表面稍作精密抛光，就能满足半导体工艺线要求。工艺过程还有改进空间，工序时间可以继续压缩，减少能量消耗，符合节能环保理念。建议由国家科研机构或实业团体牵头，筹集资金，组建研发队伍，尽快在国内SiC材料切割线上推广试用。

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

张孝其，（1965-）男，重庆人，高级工程师，从事半导体专用设备研制。