晶圓作為集成電路行業(yè)的核心襯底材料，其生產(chǎn)過程涉及多個關(guān)鍵步驟，如晶棒制造、切片、研磨、刻蝕和拋光。其中，研磨和拋光對晶圓的應(yīng)用性能起著至關(guān)重要的作用。隨著集成電路集成化水平的不斷提升，市場對大尺寸晶圓的需求急劇增加，這對研磨與拋光設(shè)備提出了更高要求。

目前，全球晶圓制造普遍采用化學機械拋光（CMP）技術(shù)，這一系統(tǒng)集成了化學和機械作用以實現(xiàn)高精度的晶圓表面加工。然而，我國在CMP拋光機及相關(guān)消耗材料（如拋光墊和拋光膏）上仍嚴重依賴進口，這已成為制約我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“卡脖子”技術(shù)瓶頸，直接威脅國家和公眾的信息安全。

近年來，激光精密加工技術(shù)在硅晶圓制造中取得了顯著進展。美國俄克拉何馬州立大學的Komanduri團隊研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光能量密度的增加，單晶硅的燒蝕深度呈非線性急速增加。西班牙維戈大學的Conde團隊則詳細解釋了硅在準分子激光燒蝕過程中發(fā)生的微觀結(jié)構(gòu)變化機制。此外，瑞士應(yīng)用物理研究所的Gloor團隊通過深紫外準分子激光對金剛石半導體材料進行拋光，顯著減少了表面不規(guī)則形貌。然而，500μm以上的波紋仍然存在，尚需進一步改善。日本東北大學的Yan團隊利用激光輻照將多晶硅層轉(zhuǎn)化為單晶硅，并將表面粗糙度從12nm降低至8nm。日本慶應(yīng)大學的Niitsu團隊通過激光處理獲得了表面粗糙度約為1.1nm的硼摻雜單晶硅樣片。

值得一提的是，中國科學院大學的張志宇團隊提出了雙步激光輻射拋光單晶硅的新方法，成功獲得了粗糙度為26nm的無缺陷光滑表面。這一成果為未來激光技術(shù)在晶圓制造中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

激光技術(shù)在晶圓減薄中的應(yīng)用：效率與性能兼顧

晶圓減薄是集成電路制造中至關(guān)重要的一步，超精密磨削加工是目前晶圓減薄的主要方法。然而，傳統(tǒng)磨削方法在減薄過程中不可避免地會在晶圓表面引入磨削損傷，導致后續(xù)必須使用化學機械拋光（CMP）或刻蝕等工藝去除這些損傷。這不僅增加了額外的工藝步驟，還帶來了時間和成本上的負擔。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，北京航空航天大學的科研團隊應(yīng)用激光精密加工技術(shù)，對多晶硅進行了定量減薄，成功將多晶硅厚度從199μm減少到102μm，且整個過程未引入裂紋等機械性損傷。激光加工時的熱影響區(qū)被嚴格控制在1μm以內(nèi)，有效避免了常見的熱應(yīng)力破壞問題。實驗表明，激光減薄技術(shù)不僅減少了多晶硅中的缺陷，還改善了其力學性能。

激光減薄多晶硅 (a)減薄后多晶硅的熱影響區(qū); (b)減薄后多晶硅的截面形貌; (c)減薄前后多晶硅的表面拉曼光譜; (d)減薄前后多晶硅的電流-電壓曲線 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

與傳統(tǒng)方法相比，激光減薄技術(shù)具有顯著優(yōu)勢：在改善材料表面質(zhì)量的同時，對其電學性能幾乎沒有影響。例如，在對多晶硅減薄前后的拉曼位移進行對比測試后發(fā)現(xiàn)，減薄后的殘余應(yīng)力較原始多晶硅有所降低。這意味著激光工藝在減少材料內(nèi)應(yīng)力方面表現(xiàn)優(yōu)異。進一步的電阻率測試顯示，原始多晶硅材料的電阻率為1.799Ω·cm，而經(jīng)過激光減薄后的電阻率僅微升至1.856Ω·cm，表明該工藝對材料的電性能影響較小。

圖示分析也證明了這一點。不同減薄步驟后的典型拉曼位移與電流-電壓（I-V）曲線表明，激光技術(shù)實現(xiàn)了多晶硅的高精度減薄，同時對其機械和電學性能幾乎無不良影響。這為硅晶圓減薄提供了一條新的、更加高效的技術(shù)路徑，具備減少損傷、提高效率以及控制成本的多重優(yōu)勢。

激光拋磨改性優(yōu)勢

晶圓制造過程中，研磨和拋光是去除金剛石鋸切產(chǎn)生的切割痕跡和表面損傷的關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)的機械研磨主要依賴磨料的滾軋和微切削作用，雖然能夠去除一定的材料，但同時會不可避免地在晶圓表面產(chǎn)生應(yīng)力層和機械損傷。因此，在晶圓研磨后，必須進行進一步的表面處理以消除這些缺陷。

為了應(yīng)對機械研磨后單晶硅晶圓表面缺陷的問題，北京航空航天大學基于激光與半導體材料相互作用的機理，開發(fā)了一種激光精密加工技術(shù)對研磨后的單晶硅表面進行改性。實驗表明，經(jīng)過激光處理后，單晶硅表面的粗糙度由原始的0.4μm降至0.075μm。這一改進主要得益于激光輻照在材料表面形成的微熔池，微熔池通過“融峰填谷”效應(yīng)消除了表面不規(guī)則的凸起和凹坑，顯著提升了表面光滑度。

復合激光研磨單晶硅 (a)激光研磨前后單晶硅的表面形貌; (b)激光研磨前后單晶硅表面的X射線衍射能譜圖; (c)激光研磨前后單晶硅表面的拉曼光譜 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

激光拋光不僅改善了單晶硅表面的物理形態(tài)，還有效減少了二氧化硅氧化層的存在。拋光后，表面原有的多晶硅層被轉(zhuǎn)化為單晶硅，進一步提高了表面質(zhì)量。對激光拋光前后的單晶硅進行了電學性能測試，結(jié)果顯示，拋光后的電流-電壓曲線斜率略有降低，表明激光拋光對電學性能的影響較小。

此外，針對晶圓切片過程中常見的機械切割痕跡，北航的科研團隊還提出了一種復合激光精密加工的新方法，該方法能有效去除單晶硅表面的機械痕跡，將表面粗糙度從934nm降低至251nm，大幅提升了晶圓的表面質(zhì)量。同時，激光研磨還顯著減少了表面二氧化硅層的厚度，并將表面殘余應(yīng)力由原本的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，從而抑制了裂紋的產(chǎn)生與擴展。這一技術(shù)不僅提升了晶圓的制造質(zhì)量，也延長了其使用壽命，為晶圓制造中的表面處理提供了創(chuàng)新的解決方案。

來源：DT半導體

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