CN107127457B - 一种皮秒激光减薄切割多晶硅片的一体化加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种皮秒激光减薄切割多晶硅片的一体化加工方法，包括如下步骤：1、取原始多晶硅片裁剪为20mm×20mm的小块，利用粗糙度仪测得原始表面粗糙度小于0.4μm，利用螺旋测微仪测得硅片的原始厚度；2、利用脉冲宽度600ps的皮秒光纤激光器设定激光扫描区域15mm×15mm对表面进行减薄加工，激光的波长193‑1064nm，重复频率100‑1000KHz，输出功率1‑20W，激光扫描速度100‑500mm/s，扫描次数5‑15次；3、绘制激光切割轮廓线并调整激光参数进行硅片切割；4、利用仪器测量硅片表面的粗糙度、厚度及形貌，利用皮安计测试不同厚度硅片的I‑V曲线。

Description

一种皮秒激光减薄切割多晶硅片的一体化加工方法
技术领域
本发明涉及一种硅片的激光减薄切割一体化方法，尤其是一种皮秒激光减薄切割多晶硅片的一体化加工方法，属于半导体材料激光加工领域。
背景技术
硅片在半导体器件领域中应用广泛，随着电子产品对高性能、多功能和小型化的需求推动了集成电路(IC)封装技术的发展，需要对硅片进行背面减薄加工。硅片背面减薄技术有很多种，如磨削、抛光、干式抛光、电化学腐蚀、湿法腐蚀、等离子辅助化学腐蚀和常压等离子腐蚀等。目前，金刚石砂轮的超精密磨削技术在硅片工业减薄加工中广泛应用，该技术通过砂轮在硅片表面旋转施压、损伤、破裂、移除而实现硅片减薄。但是，工艺中不可避免引入损伤，降低器件可靠性和稳定性，同时超精密磨削减薄技术面临着高加工质量和高加工效率的突出矛盾。
随着激光加工技术的不断发展，它已经开始应用于硅片的工业生产中。利用光纤激光精密切割单晶硅；利用激光在柔性和刚性衬底上沉积非晶硅薄膜；利用激光进行硅片表面退火；利用激光清洗硅片表面杂物；飞秒激光扫描硅表面诱导形成微结构；晶体硅片上的激光打孔等都已进行过研究或应用。
本发明针对硅片减薄这一工程问题，尝试使用皮秒激光进行多晶硅片的减薄切割一体化加工，避免了机械磨削的表面损伤，降低硅片生产的碎片率，提高加工效率和质量，而且还会减少化学试剂的使用，有利于提高硅片生产的环保性。
发明内容
本发明的目的是提供一种皮秒激光减薄切割多晶硅片的一体化加工方法，针对传统减薄方法产生的碎片率高、表面刮伤、加工效率低等问题。利用皮秒激光扫描硅片表面进行减薄。本发明所用激光加工***如图1，本发明的操作流程如图2所述。
为了达到以上的目的，本发明提供一种皮秒激光减薄切割多晶硅片的一体化加工方法，采用如下的技术解决方案：
第一步：取原始多晶硅片(原始厚度200μm左右)裁剪为20mm×20mm的小块，利用粗糙度仪测得原始表面粗糙度小于0.4μm，利用螺旋测微仪测得硅片的原始厚度。
第二步：利用脉冲宽度600ps的皮秒光纤激光器(型号PicoYL-15-0.1)设定激光扫描区域15mm×15mm对硅片表面进行减薄加工，激光的波长193-1064nm，重复频率100-1000KHz，输出功率1-20W，激光扫描速度100-500mm/s，扫描次数5-15次。
第三步：绘制激光切割轮廓线并调整激光参数进行硅片切割，输出功率20W，激光扫描速度100mm/s，重复频率200KHz，扫描次数10次,激光的波长1064nm。
第四步：利用粗糙度仪测量激光减薄后硅片表面的粗糙度，减薄后表面粗糙度Ra小于1μm；利用螺旋测微仪测量减薄后的硅片厚度；利用基恩士三维共聚焦显微镜观察表面形貌，利用皮安计测试不同厚度硅片的I-V曲线。多晶硅片激光减薄区域与未处理区域共聚焦三维模型如图3，不同厚度硅片的I-V曲线如图4。
其中，所述第二步中进行激光分步减薄硅片的加工，激光扫描线间距10-25μm。皮秒激光的光斑直径34μm，减薄区域致密填充。加工过程中通保护气体氩气。
本发明的积极效果为：
(1)该方法使用皮秒激光减薄切割硅片一体化加工工艺，大大提高了硅片的加工速度和精度，有望在实际生产中提高生产效率，节约生产成本，提高经济效益。
(2)该方法利用皮秒激光减薄原始厚度200μm左右多晶硅片，可以使其最大减薄量达到100μm，减薄效果明显。
(3)该方法利用激光直写***，可以通过改变皮秒激光参数如功率、频率、加工次数、扫描速度等进行精确控制，能得到不同减薄量和不同形状的硅片，相对传统的机械减薄方法加工更加方便安全，适用范围也更广。
附图说明
图1激光加工***示意图。
图2硅片减薄切割一体化操作流程图。
图3多晶硅片激光减薄区域与未处理区域共聚焦三维模型。
图4不同厚度多晶硅片I-V曲线。
图中标号说明如下：
皮秒激光器1 氩气2 样品3 水平工作台4 激光切割轮廓线5
具体实施方式
下面结合附图1-4及具体实例对本发明的实施过程进行详细的阐述。
实施例1：
步骤1.取多晶硅片裁剪为20mm×20mm的样品3利用粗糙度仪测得原始表面粗糙度小于0.4μm，利用螺旋测微仪测得硅片的原始厚度并置于水平工作台4。
步骤2.启动皮秒激光器1及配套的软件***，设定扫描区域15mm×15mm，激光波长193nm。第一步减薄设置重复频率300KHz，功率15W，加工次数5次，激光扫描线间距10μm，激光扫描速度100mm/s，利用红光进行被加工样品的定位，开始标刻直至完成设定的加工次数；第二步减薄设置重复频率500KHz，功率10W，加工次数10次，激光扫描线间距10μm，激光扫描速度250mm/s开始标刻直至完成设定的加工次数；第三步减薄设置重复频率700KHz，功率5W，加工次数10次，激光扫描线间距10μm，激光扫描速度350mm/s，开始标刻直至完成设定的加工次数；第四步减薄设置重复频率1000KHz，功率1W，加工次数15次，激光扫描线间距10μm，激光扫描速度500mm/s，开始标刻直至完成设定的加工次数。加工过程中通保护气体氩气2
步骤3.绘制激光切割轮廓线5并调整激光参数进行硅片切割，输出功率20W，激光扫描速度100mm/s，重复频率200KHz，扫描次数10次,激光的波长1064nm。
步骤4.利用粗糙度仪测量激光减薄后硅片表面的粗糙度，减薄后表面粗糙度Ra小于1μm；利用螺旋测微仪测量减薄后的硅片厚度；利用基恩士三维共聚焦显微镜观察表面形貌；利用皮安计测试不同厚度硅片的I-V曲线。多晶硅片激光减薄区域与未处理区域共聚焦三维模型如图3，不同厚度硅片的I-V曲线如图4。
实施例2：
步骤1.取多晶硅片裁剪为20mm×20mm的样品3利用粗糙度仪测得原始表面粗糙度小于0.4μm，利用螺旋测微仪测得硅片的原始厚度并置于水平工作台4。
步骤2.启动皮秒激光器及1配套的软件***，设定扫描区域15mm×15mm，激光波长532nm。第一步减薄设置重复频率500KHz，功率20W，加工次数5次，激光扫描线间距15μm，激光扫描速度100mm/s，利用红光进行被加工样品的定位，开始标刻直至完成设定的加工次数；第二步减薄设置重复频率700KHz，功率15W，加工次数10次，激光扫描线间距15μm，激光扫描速度200mm/s开始标刻直至完成设定的加工次数；第三步减薄设置重复频率900KHz，功率10W，加工次数10次，激光扫描线间距15μm，激光扫描速度350mm/s，开始标刻直至完成设定的加工次数；第四步减薄设置重复频率1000KHz，功率5W，加工次数15次，激光扫描线间距15μm，激光扫描速度500mm/s，开始标刻直至完成设定的加工次数。加工过程中通保护气体氩气2。
步骤3.绘制激光切割轮廓线5并调整激光参数进行硅片切割，输出功率20W，激光扫描速度100mm/s，重复频率200KHz，扫描次数10次,激光的波长1064nm。
步骤4.利用粗糙度仪测量激光减薄后硅片表面的粗糙度，利用螺旋测微仪测量减薄后的硅片厚度，利用基恩士三维共聚焦显微镜观察表面形貌，利用皮安计测试不同厚度硅片的I-V曲线。多晶硅片激光减薄区域与未处理区域共聚焦三维模型如图3，不同厚度硅片的I-V曲线如图4。
实施例3：
步骤1.取多晶硅片裁剪为20mm×20mm的样品3利用粗糙度仪测得原始表面粗糙度小于0.4μm，利用螺旋测微仪测得硅片的原始厚度并置于水平工作台4。
步骤2.启动皮秒激光器1及配套的软件***，设定扫描区域15mm×15mm，激光波长1064nm。第一步减薄设置重复频率100KHz，功率12W，加工次数5次，激光扫描线间距25μm，激光扫描速度100mm/s，利用红光进行被加工样品的定位，开始标刻直至完成设定的加工次数；第二步减薄设置重复频率300KHz，功率9W，加工次数10次，激光扫描线间距25μm，激光扫描速度250mm/s开始标刻直至完成设定的加工次数；第三步减薄设置重复频率500KHz，功率5W，加工次数10次，激光扫描线间距25μm，激光扫描速度350mm/s，开始标刻直至完成设定的加工次数；第四步减薄设置重复频率500KHz，功率1W，加工次数15次，激光扫描线间距25μm，激光扫描速度500mm/s，开始标刻直至完成设定的加工次数。加工过程中通保护气体氩气2。
步骤3.绘制激光切割轮廓线5并调整激光参数进行硅片切割，输出功率20W，激光扫描速度100mm/s，重复频率200KHz，扫描次数10次,激光的波长1064nm。
步骤4.利用粗糙度仪测量激光减薄后硅片表面的粗糙度，利用螺旋测微仪测量减薄后的硅片厚度，利用基恩士三维共聚焦显微镜观察表面形貌，利用皮安计测试不同厚度硅片的I-V曲线。多晶硅片激光减薄区域与未处理区域共聚焦三维模型如图3，不同厚度硅片的I-V曲线如图4。

Claims (5)

1.一种皮秒激光减薄切割多晶硅片的一体化加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：取原始多晶硅片裁剪为20mm×20mm的小块，利用粗糙度仪测得原始表面粗糙度小于0.4μm，利用螺旋测微仪测得硅片的原始厚度；
步骤二：利用脉冲宽度600ps的皮秒光纤激光器设定激光扫描区域15mm×15mm对硅片表面进行减薄加工，激光的波长193-1064nm，重复频率100-1000KHz，输出功率1-20W，激光扫描速度100-500mm/s，扫描次数5-15次；
步骤三：绘制激光切割轮廓线并调整激光参数进行硅片切割，输出功率20W，激光扫描速度100mm/s，重复频率200KHz，扫描次数10次,激光的波长1064nm；
步骤四：利用粗糙度仪测量激光减薄后硅片表面的粗糙度，减薄后表面粗糙度Ra小于1μm；利用螺旋测微仪测量减薄后的硅片厚度；利用基恩士三维共聚焦显微镜观察表面形貌，利用皮安计测试不同厚度硅片的I-V曲线。
2.根据权利要求1所述的一种皮秒激光减薄切割多晶硅片的一体化加工方法，其特征在于：步骤二中对硅片表面进行减薄加工，激光扫描线间距10-25μm，皮秒激光的光斑直径34μm，减薄区域致密填充。
3.根据权利要求1所述的一种皮秒激光减薄切割多晶硅片的一体化加工方法，其特征在于：步骤二中对硅片表面进行减薄加工过程中通保护气体氩气。
4.根据权利要求1所述的一种皮秒激光减薄切割多晶硅片的一体化加工方法，其特征在于：原始多晶硅片厚度为200μm。
5.根据权利要求1所述的一种皮秒激光减薄切割多晶硅片的一体化加工方法，其特征在于：皮秒光纤激光器的型号为PicoYL-15-0.1。
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