一种GaAs基微波器件、单片集成电路背孔的激光打孔加工方法
【专利摘要】一种GaAs基微波器件、单片集成电路背孔的激光打孔加工方法，属于电子元器件加工【技术领域】。其使用激光束照射在衬底背面形成背孔；在背面生长一层SiO2保护层，防止折射等杂散激光对衬底表面的影响，并方便去除打孔蒸发的GaAs残留在衬底背面表面；使用抽真空装置防止加工残留物在背孔表面影响平整度及后序镀金工艺；通过指示光结合显微镜和版图主动标定后，根据版图主动控制自动完成4至6英寸晶圆打孔，背孔会通过衬底、缓冲层等外延层使正面电路与背面接地面形成电气连接，并提供必要的散热条件。本发明加工速度快，可以加工出更小锥度、背面孔径更小的背孔，这样增强了晶圆强度可以允许更薄的衬底节省材料，也有助于更进一步的芯片集成。
【专利说明】—种GaAs基微波器件、单片集成电路背孔的激光打孔加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及GaAs器件及微波单片电路MMIC制造领域，具体涉及到使用激光加工方式实现晶圆背孔加工制备。
【背景技术】
[0002]GaAs器件具有高电子迁移率，因此器件具有高频、低噪声、高增益特性。砷化镓基微波单片集成电路(MMIC)，是在半绝缘的砷化镓衬底上通过一系列诸如外延生长、蒸发、腐蚀等半导体工艺制备出无源元件和有源器件，并连接起来构成应用于微波、毫米波频段的功能电路。GaAs丽IC能实现几乎所有IGHz至10GHz的微电子功能，如功率放大器、低噪声放大器、衰减器、移相器、微波开关、混频器等，目前已经成为军用、民用通信领域的关键部件之一。
[0003]但是GaAs的导热性较差，功率性器件产生的热效应是影响其可靠性最大的问题之一。一种普遍的增加器件散热的方法是，在GaAs器件的背面，做出一些通孔，称为背孔(Back-via)。在这些孔上覆金或铜等导电金属后，除了充当热沉的作用，也可以完成对器件射频(RF)信号的接地处理，且相对于引线键合接地方式具有较低的寄生电感。
[0004]传统的背孔工艺是在正面电路制备完成后，将晶圆从背面减薄至30?100 μ m左右。晶圆背面涂上光致抗腐蚀胶做成的图案，用干法刻蚀形成通孔至接触正面表面金属。之后通过溅射或蒸发金属在背孔表面形成导电层并镀金。目前干法刻蚀主要是使用高密度等离子体系统(HDP)，如电感耦合等离子体(ICP)，电子回旋振荡等离子体(ECR)等。
[0005]干法刻蚀的效果与ICP功率、RF Bias、保护气cl2、等离子体气体压力等有关，需要复杂的调试过程；且成型效果与衬底材料性能(各向异性、各向同性)及材料的组分(GaAs、InGaP、GaInAs、GaAlAs)密切相关，刻蚀速度较慢，100 μ m厚的GaAs衬底大概需要4个小时左右；刻蚀后孔的表面特性与材料性能、等离子体等相关，受残留物影响较大；背面孔径较大，一般在100 μ m量级，若背孔数量太多就需要更厚的衬底加强晶圆强度，并且影响芯片的进一步集成。
[0006]激光打孔具有效率高、成本低、孔内锥度更小、孔内表面损伤小、电镀金属后应力小、加工残留物方便处理及综合技术经济效益显著等优点，因此可广泛应用于民用、国防等工业领域上，目前已经有专利使用激光打孔的方式作为硅基集成电路的通孔工艺。
【发明内容】
[0007]本发明提供了一种GaAs基微波器件、微波单片集成电路(MMIC)的背孔加工工艺，具体是使用激光技术来实现背孔制备。
[0008]一种GaAs基微波器件、单片集成电路背孔激光打孔加工方法，包括如下步骤:
[0009]S1:制备含标定图案的版图，晶圆背面生长S12层，标定初始加工位置；
[0010]S2:使用抽真空装置，抽取激光加工过程产生的废气；
[0011]S3:调整激光各参数完成整个晶圆上的背孔加工，在加工过程中使用抽真空装置抽取废气。
[0012]本发明提供了一种使用激光打孔加工方法，实现GaAs基晶圆即GaAs基微波器件、微波单片集成电路(MMIC)背孔工艺；
[0013]其可用于GaAs基微波器件，包括:HEMT器件、HBT件、肖特基二极管、激光二极管；以及GaAs基微波单片集成电路MMIC的制备工艺；
[0014]所述工艺用于完成4英寸、6英寸的GaAs基晶圆的背孔工艺，背面孔径在30?100 μ m之间；
[0015]所述GaAs基晶圆是指以GaAs衬底，其它外延层为InGaP外延层，或InGaAs外延层，或AlGaAs外延层。
[0016]工艺所需的激光加工系统，其包含所用激光器为CO2激光器，或半导体激光器，或光纤激光器；产生的激光为脉宽可调制的超短脉冲激光；光束束腰直径为μ m级，光束类型为高斯光束；所产生的激光功率在1W?500W之间，完成厚度为30?100 μ m的打孔。
[0017]工艺所需的激光加工系统中载物台材料为钢化石英玻璃，下面设有激光功率探测器；载物台尺寸上分为4英寸和6英寸两类，可自由更换，且边缘切痕与所在工艺线用于晶圆标记的边缘切痕一致，即载物台尺寸、形状与晶圆尺寸、定位边切痕吻合。
[0018]所述的背孔激光打孔加工方法，是在完成器件的正面制备、及背面晶圆减薄工艺后进行的，其中背面减薄工艺将晶圆减薄至30?ΙΟΟμπι ;
[0019]减薄工艺完成之后，在晶圆背面表面生长一层S12保护层，厚度为0.2μπι。
[0020]在运用激光加工前，做好晶圆版图，且版图中要提前做好标定图案；
[0021]所述版图标定图案分为五组，分别分布于晶圆表面边缘位置，呈五边形分布；标定点图案为在晶圆正面表面覆上的圆形即标定图案I和相邻的环形即标定图案2的金属层，此金属层与电路包括金属材料、厚度在内的性质相同。
[0022]所述工艺过程为，将器件、电路版图输入激光加工计算机系统中；放置晶圆，注意使用相应尺寸的载物台，使载物台切痕与晶圆定位边吻合；运用激光进行打孔加工前首先开启抽真空系统功能，并在加工过程中始终维持真空系统的运行；结合指示光、显微镜监视图像、晶圆和版图上事先确定的标定图案、双面曝光形成背面的标定图案标定初始加工占.
[0023]进行激光加工系统复位操作，使加工系统指示光移动至加工初始点，即晶圆右下角、切痕右上方环形标定图案；结合实验数据及经验调整激光功率、离焦量、光斑大小、脉冲宽度、脉冲数量等参数控制打孔速率、深度、尺寸，进行标定操作；
[0024]标定完成后，调整稳定的激光参数，使用激光束照射在衬底背面形成背孔，并完成整个晶圆的所有背孔加工；去除掉背面表面的S12保护层，保证背面无加工残留物；通过背面蒸发或溅射金属工艺进行镀金。
[0025]标定方法中对环形标定图案进行激光打孔，使穿透GaAs衬底以及其他外延层；对圆形标定图案进行激光打孔，使在穿透GaAs衬底以及其他外延层的同时，不损伤正面表面金属；加工系统固定晶圆的载物台上预设的光探测器，通过探测透过的光功率监察打孔状态；
[0026]标定后激光各加工参数保存在计算机系统王控程序中
[0027]本发明使用激光打孔具有的优势是，加工速度快，激光打孔，每个背孔只需要几秒甚至更少的时间(和激光功率、脉宽相关)，而传统干法刻蚀对于100 μ m厚的GaAs晶圆，需要4个小时左右，时间可以节省一半以上；背孔孔内表面平整度高；加工残留物对背孔孔内表面影响小；应用过程中，若晶圆背面表面残留物对电气性能影响不大，则可以省去背面生长S12保护层的工艺过程；激光准直性好，调节离焦量和光斑等参数可以加工出更小锥度、背面孔径更小的背孔，这样增强了晶圆强度可以允许更薄的衬底节省材料，也有助于更进一步的芯片集成。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为激光打孔形成背孔工艺原理框图；
[0029]图2为载物台上晶圆标定位置206以及标定图案202、203 ；
[0030]图3至图5束腰位置302位于加工件305不同位置，背孔不同的截面形状；
[0031]其中:
[0032]图3为束腰位置302位于加工件305的正面303边缘位置时背孔的截面形状；
[0033]图4为束腰位置302位于加工件305的中间303位置时背孔的截面形状；
[0034]图5为束腰位置302位于加工件305的正面303下方位置时背孔的截面形状；
[0035]图6为所加工的GaAs基晶圆外延层与S12保护层103示意图；
[0036]图7为激光打孔加工后的背孔示意图。
[0037]实施方案
[0038]下面结合附图和【具体实施方式】对于本发明做进一步的说明。
[0039]本发明的这种背孔工艺可用于，GaAs基微波器件，如:HEMT器件、HBT器件、肖特基二极管、激光二极管等；以及GaAs基微波单片集成电路(MMIC)的制备。
[0040]所述背孔通过衬底及外延层，使正面电路与背面接地面形成电气连接，并提供必要的散热条件。
[0041]所述工艺是在完成正面器件及电路制备，以及背面晶圆减薄工艺后，背面蒸发或溅射及镀金工艺之前。
[0042]所述工艺可以完成4英寸、6英寸的GaAs基晶圆的背孔工艺，背面孔径约为30?100 μ m之间，由于激光打孔的优势其背孔孔径可以做到小于传统干法刻蚀工艺尺度。
[0043]所述GaAs基晶圆，如图1所示,不仅是指GaAs衬底102,也包含GaAs缓冲层，以及包含InGaP或InGaAs或AlGaAs外延层104的晶圆结构。
[0044]所用激光器106为CO2激光器，或半导体激光器，或光纤激光器；产生的激光为脉宽可调制的超短脉冲激光；光束束腰直径为μ m级，光束类型为高斯光束；所产生的激光功率在1W?500W之间，完成晶圆厚度为30?ΙΟΟμπι的打孔。
[0045]所述工艺使用的激光加工系统，如图1所示。所述载物台105为自主设计，其材料为钢化石英玻璃，尺寸上分为4英寸、6英寸，可自由更换，且边缘切痕与所在工艺线用于晶圆标记的边缘切痕一致，即载物台尺寸、形状与晶圆尺寸、定位边切痕吻合。
[0046]所述工艺可以通过激光功率、离焦量、光斑大小、脉冲宽度、加工方式等，方便加工所需求的锥度不同的锥形孔；由于激光准直性好的优势，此锥度将小于传统干法刻蚀工艺的锥度，使背孔孔径更小。其加工锥度范围为75°?85°之间。
[0047]激光的离焦量、束腰光斑大小对背孔的形状、与正面电路金属层接触点的孔径大小影响较大，如图2所示，即激光束301的束腰302位置位于加工件305不同位置所加工的背孔不同的截面形状:其中:
[0048]图3为束腰位置302位于加工件305的正面303边缘位置时背孔的截面形状；
[0049]图4为束腰位置302位于加工件305的中间303位置时背孔的截面形状；
[0050]图5为束腰位置302位于加工件305的正面303下方位置时背孔的截面形状；
[0051]根据需要，本发明应该选择调整离焦量使束腰位置302位于正面电路金属层接触处，如图3所示，因此束腰位置的光斑大小，将是影响与正面电路金属层接触点的孔径大小的主要原因；
[0052]针对不同厚度的晶圆调整脉冲宽度和脉冲序列，使激光作用功率满足加工要求。
[0053]所述工艺过程包括:
[0054]晶圆版图中，除目标器件、电路版图外，也要提前做好背面工艺所用的标定位置201 ;如图2所示，其中标定点201分为五组，分别分布于晶圆表面边缘位置，呈五边形分布；标定点图案为在晶圆正面表面覆上的圆形(标定图案202)和环形(标定图案203)金属层，此金属层与电路金属材料、厚度等性质相同；
[0055]完成正面的器件及电路制备；完成背面减薄工艺，晶圆减薄至30?100 μ m ;。
[0056]在晶圆背面表面生长一层S12保护层103，厚度约为0.2μπι左右；这是为了防止打孔后残余材料溅射到背面衬底表面，或方便去除溅射出的加工残留物，也方便防止折射等杂散激光对衬底背面表面的影响；
[0057]将器件、电路、标定位置的晶圆上版图输入激光加工计算机系统中；
[0058]放置晶圆，注意使用相应尺寸的载物台105，使载物台切痕与晶圆定位边204吻合；这是为了标定初始加工位置必须的步骤；
[0059]加工时首先打开真空系统；加工过程中始终保持系统处于真空状态，以防止加工中产生的GaAs生成物残留在背孔孔内表面影响平整度、后序镀金工艺以及电气性能；
[0060]结合指示光107、显微镜108监视图像、晶圆和版图上事先确定的标定位置进行加工前位置和参数的标定；标定的具体过程为:
[0061]I)激光系统106复位:使加工头指示光107位于晶圆(载物台105)中心；根据晶圆尺寸，结合双面曝光形成背面的标定图案，控制加工头和控制系统内指示标志由中心点205移动至加工初始点206，即图2中晶圆右下角环形图案203 ；
[0062]2)结合实验数据及经验调整激光功率、离焦量、光斑大小、脉冲宽度、脉冲数量等参数控制打孔速率、深度、尺寸；其中，调整光斑保证晶圆背面孔径大小在30?10um之间，激光功率可打孔厚度在30?10um之间；
[0063]3)对标定图案203进行激光打孔，使穿透GaAs衬底102以及其他外延层104 ;对标定图案202进行激光打孔，使在穿透GaAs衬底102以及其他外延层104的同时，不损伤正面表面金属101 ；
[0064]4)打孔标定时候，观察孔的表面形态，确保孔的形状为锥形，如图3所示；
[0065]五组标定全部完成并满足要求之后，进行整个晶圆上的自动打孔；
[0066]标定后激光各加工参数应自动保存在计算机系统王控程序中；
[0067]调整好激光各个参数、标定好加工位置信息后，使用激光束照射在衬底背面形成背孔，计算机自动控制完成整个晶圆的所有背孔加工；
[0068]去除掉背面表面的S12保护层103，保证背面无加工残留物；
[0069]通过背面蒸发或溅射金属并随后镀金。
【权利要求】
1.一种GaAs基微波器件、单片集成电路背孔激光打孔加工方法，其特征在于，包括如下步骤: 51:制备含标定图案的版图，晶圆背面生长S12层,标定初始加工位置； 52:使用抽真空装置，抽取激光加工过程产生的废气； 53:调整激光各参数完成整个晶圆上的背孔加工，在加工过程中使用抽真空装置抽取废气。
2.根据权利要求1所述的背孔激光打孔加工方法，其特征在于，其提供了一种使用激光打孔加工方法，实现GaAs基晶圆即GaAs基微波器件、微波单片集成电路(MMIC)背孔工艺； 其可用于GaAs基微波器件，包括:HEMT器件、HBT器件、肖特基二极管；以及GaAs基微波单片集成电路MMIC的制备工艺； 所述工艺用于完成4英寸、6英寸的GaAs基晶圆的背孔工艺，背面孔径在30?100 μ m之间； 所述GaAs基晶圆是指以GaAs衬底，其它外延层为InGaP外延层，或InGaAs外延层，或AlGaAs外延层。
3.根据权利要求1所述的背孔激光打孔加工方法，其特征在于，工艺所需的激光加工系统，其包含所用激光器为CO2激光器，或半导体激光器，或光纤激光器；产生的激光为脉宽可调制的超短脉冲激光；光束束腰直径为μ m级，光束类型为高斯光束；所产生的激光功率在1W?500W之间，完成厚度为30?100 μ m的打孔； 工艺所需的激光加工系统中载物台材料为钢化石英玻璃，下面设有激光功率探测器；载物台尺寸上分为4英寸和6英寸两类，可自由更换，且边缘切痕与所在工艺线用于晶圆标记的边缘切痕一致，即载物台尺寸、形状与晶圆尺寸、定位边切痕吻合。
4.根据权利要求1所述的背孔激光打孔加工方法，其特征在于，其是在完成器件的正面器件和电路制备、及背面晶圆减薄工艺后进行的，其中背面减薄工艺将晶圆减薄至30?100 μ m ； 减薄工艺完成之后，在晶圆背面表面生长一层S12保护层，厚度为0.2 μ m。
5.根据权利要求1所述的背孔激光打孔加工方法，其特征在于，其在运用激光加工前，做好晶圆版图，且版图中要提前做好标定图案； 所述版图标定图案分为五组，分别分布于晶圆表面边缘位置，呈五边形分布；标定点图案为在晶圆正面表面覆上的圆形和相邻的环形金属层，此金属层与电路金属材料、厚度的性质相同。
6.根据权利要求1所述的背孔激光打孔加工方法，其特征在于，所述工艺过程为，将器件、电路版图输入激光加工计算机系统中；放置晶圆，注意使用相应尺寸的载物台，使载物台切痕与晶圆定位边吻合；运用激光进行打孔加工前首先开启抽真空系统功能，并在加工过程中始终维持真空系统的运行；结合指示光、显微镜监视图像、晶圆和版图上事先确定的标定图案、双面曝光形成背面的标定图案标定初始加工点； 进行激光加工系统复位操作，使加工系统指示光移动至加工初始点，即晶圆右下角、切痕右上方环形标定图案；结合实验数据及经验调整激光功率、离焦量、光斑大小、脉冲宽度、脉冲数量等参数控制打孔速率、深度、尺寸，进行标定操作； 标定完成后，调整稳定的激光参数，使用激光束照射在衬底背面形成背孔，并完成整个晶圆的所有背孔加工；去除掉背面表面的S12保护层，保证背面无加工残留物；通过背面蒸发或溅射金属工艺进行镀金。
7.根据权利要求6所述的背背孔激光打孔加工方法，其特征在于:标定方法中对环形标定图案进行激光打孔，使穿透GaAs衬底以及其他外延层；对圆形标定图案进行激光打孔，使在穿透GaAs衬底以及其他外延层的同时，不损伤正面表面金属；加工系统固定晶圆的载物台上预设的光探测器，通过探测透过的光功率监察打孔状态； 标定后激光各加工参数保存在计算机系统王控程序中。
【文档编号】B23K26/382GK104162745SQ201410331642
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】王智勇, 高鹏坤, 郑建华, 王青 申请人:北京工业大学