一种利用磁场及激光对晶圆进行研磨的系统及方法与流程

本发明属于晶圆研磨技术领域，提供一种利用磁场控制研磨液中磁性纳米颗粒对晶圆进行面研磨后使用飞秒激光对晶圆进行点研磨的系统及方法。

背景技术：

晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆；在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能之ic产品。晶圆的原始材料是硅，而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经由电弧炉提炼，盐酸氯化，并经蒸馏后，制成了高纯度的多晶硅。再经过照相制版，研磨，抛光，切片等程序，将多晶硅融解拉出单晶硅晶棒，然后切割成一片一片薄薄的晶圆。

晶圆在其背面减薄的研磨加工过程中,表面质量的控制十分重要。表面质量不好的晶圆会存在应力集中、裂缝等隐患,在分割晶圆片时,会导致晶圆崩裂的巨大损失，或是影响后续晶圆低温键合工艺的失败。表面粗糙度是衡量表面质量的重要参数,它是对加工表面所有微小间距和峰谷不平度的微观几何尺寸特征的综合评价,能够反映表面应力分布情况,以此判断表面质量的好坏。晶圆的表面粗糙度参数ra(轮廓算术平均偏差)一般要求在0.01μm至0.8μm之间。

行业内目前研磨晶圆表面的方法为使用传统的砂轮研磨方法，或是改进过后的化学机械研磨方法(cmp)。例如，cn101879700b《化学机械研磨元件、晶圆的研磨方法及晶圆研磨系统》，cn102909646b《化学机械研磨方法》。前述的两种方法都是采用一个平面去接触晶圆表面的面加工方法，虽然能够有效满足一般生产需求，但如要进一步达到精细的点加工则在技术原理上无法达到。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用磁场控制研磨液中磁性纳米颗粒对晶圆进行面研磨后使用飞秒激光对晶圆进行点研磨的系统及方法，用于解决现行晶圆研磨工艺无法实现将高效率的面加工与纳米分辨率的高精度点加工相结合的难题。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种利用磁场及激光对晶圆进行研磨的系统，其特征在于：包括飞秒激光发生器、机器手臂、3d成像模块、晶圆、操作平台、磁场发生器、研磨液腔；

所述研磨液腔固定设置在所述操作平台上，所述晶圆固定设置在所述研磨液腔内，所述研磨液腔内填充有研磨液；

所述飞秒激光发生器和磁场发生器均固定设置在所述机器手臂上；所述3d成像模块用于获取所述晶圆表面形貌特征并建立3d模型，计算需要去除的表面材料部位坐标。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种利用磁场及激光对晶圆进行研磨的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：磁场发生器产生磁场，机械手臂携带磁场发生器接近研磨液腔，并做平行于晶圆表面的旋转运动，获得旋转磁场以驱动磁性纳米颗粒达到研磨晶圆的表面材料目的；

步骤2：3d成像模块获取所述晶圆表面形貌特征并建立3d模型，计算需要去除的表面材料部位坐标；

步骤3：机器手臂根据计算的表面材料部位坐标移动，使飞秒激光发生器对准表面材料部位的坐标位置，发生飞秒激光束照射需要去除材料的表面材料。

本发明具有以下有益效果：

使用磁场控制研磨液中的磁性纳米粒子可对晶圆进行高效率的研磨，而后采用的飞秒激光束直径为亚微米，极小的加工区域可达到纳米级的加工分辨率，实现纳米级分辨率的点加工研磨工艺，提高了晶圆研磨加工工艺的精度。本发明提供的方法具有效率高和精度高的特点。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构示意图；

图2为本发明实施例的方法流程图；

图3为发明实施例的利用磁场对晶圆进行研磨的方法原理图；

图4为本发明实施的利用激光对晶圆进行研磨的方法原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请见图1，本发明提供的一种利用磁场及激光对晶圆进行研磨的系统，包括飞秒激光发生器11、机器手臂12、3d成像模块13、晶圆14、操作平台15、磁场发生器17、研磨液腔18；研磨液腔18固定设置在操作平台15上，晶圆14固定设置在研磨液腔18内，研磨液腔18内填充有研磨液16；飞秒激光发生器11和磁场发生器17均固定设置在机器手臂12上；3d成像模块13用于获取晶圆14表面形貌特征并建立3d模型，计算需要去除的表面材料141部位坐标。

被照射部位的表面材料141在超高能量下经熔融态直接气化或成为高密度、超热、高压的等离子体状态而被去除。重复该动作照射晶圆14上其它需要去除材料的部位即可达到研磨晶圆14表面的目的。且由于飞秒激光束141与晶圆表面被照射部位的表面材料141相互作用时间很短，被激光加工的区域边缘几乎没有损伤。且由于飞秒激光束141具有亚微米直径，加工区域极小，可实现点加工的高精度加工工艺对比现在工业生产中广泛使用的面加工的化学机械研磨。

请见图2，本发明提供的一种利用磁场及激光对晶圆进行研磨的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：磁场发生器17产生磁场，机械手臂12携带磁场发生器17接近研磨液腔18，并做平行于晶圆14表面的旋转运动，获得旋转磁场以驱动磁性纳米颗粒161达到研磨晶圆14的表面材料141目的；

步骤2：3d成像模块13获取晶圆14表面形貌特征并建立3d模型，计算需要去除的表面材料141部位坐标；

步骤3：机器手臂12根据计算的表面材料141部位坐标移动，使飞秒激光发生器11对准表面材料141部位的坐标位置，发生飞秒激光束111照射需要去除材料的表面材料141。

参见图3，本发明可以应用于晶圆14的研磨工艺中。晶圆14周围充满研磨液16，研磨液16中均匀分布磁性纳米颗粒161，磁场发生器17产生磁场b，磁场经过旋转驱动磁性纳米颗粒161在研磨液16中移动与晶圆14表面的突出材料141相互碰撞摩擦，导致晶圆14表面的突出材料141脱落，从而起到研磨的目的。

参见图4，飞秒激光发生器11产生具有亚微米直径的飞秒激光束111垂直照射晶圆14表面的突出部位材料141。飞秒激光束111脉冲宽度很短以至于热能来不及扩散到激光焦点以外的区域，沉积的热能被限定在晶圆表面的浅层区域，使晶圆表面被照射部位的材料141在超高能量下经熔融态直接气化。甚至被照射部位的材料141在吸收光子因为产生的能量后生成的电子温度远远高于气化温度而导致其最终成为高密度、超热、高压的等离子体状态。从而使被照射部位的材料141被去除。重复定位使用飞秒激光束111照射晶圆14上的突出部位材料，即可达到研磨晶圆14的目的。由于飞秒激光束141与晶圆表面被照射部位的材料141相互作用时间很短，被激光加工的区域边缘几乎没有损伤。切由于飞秒激光束141具有亚微米直径，加工区域极小，可实现点加工的高精度加工工艺。

本实施例的晶圆14被放置于充满研磨液的封闭的研磨液腔18中，研磨液16中均匀散布着具有磁性的纳米粒子，使用磁场发生器17产生磁场驱动具有磁性的纳米粒子运动与晶圆14表面碰撞、摩擦以去除晶圆表面的突出部位的材料，然后亚微米直径的飞秒激光束111定点照射晶圆14表面突出的部位。能量密度不小于0.8jcm^-2，不大于1.5jcm^-2的飞秒激光脉冲宽度很短以至于热能来不及扩散到激光焦点以外的区域，沉积的热能被限定在晶圆表面的浅层区域，使晶圆表面被照射部位的材料在超高能量下经熔融态直接气化。甚至材料在吸收光子因为产生的能量后生成的电子温度远远高于气化温度而导致其最终成为高密度、超热、高压的等离子体状态。激光与晶圆表面被照射部位的材料相互作用时间很短，被激光加工的区域边缘几乎没有损伤。在其他需要抛光的晶圆表面都重复这一过程，就可以达到精细抛光晶圆表面的目的。而在0.8jcm^-2与1.5jcm^-2范围内调整飞秒激光的能量密度，则可以控制每一发飞秒激光脉冲所去除的材料厚度。当飞秒激光的能量密度在0.8jcm^-2与1.5jcm^-2范围内变化时，所去除的材料厚度在100nm到300nm之间变化。在实际研磨过程中，可通过调整飞秒激光的能量密度来实现高精度研磨工艺。

本发明提供的一种利用磁场控制研磨液中磁性纳米颗粒对晶圆进行面研磨后使用飞秒激光对晶圆进行点研磨的方法，同时具有效率高、精度高的特点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。