碳化硅晶圆的减薄方法与流程

本发明涉及半导体工艺领域，尤其涉及一种碳化硅晶圆的减薄方法。

背景技术：

碳化硅功率器件凭借自身优异性能，适用于高温、高压和高辐射等极端工作环境。但是在大功率、极端环境工作时碳化硅器件仍然会产生较大的热量，通过降低器件衬底部分的热阻可有效减小器件功率损耗并提高其散热性，对器件整体性能和寿命起着至关重要的作用。

目前，业界制备大尺寸超薄碳化硅的主流技术是使用晶圆背面减薄机对碳化硅晶圆进行背面磨削减薄，可有效降低衬底的热阻，增强器件性能。但是，由于碳化硅属于硬脆性难加工材料，导致砂轮的磨耗比极高。

另外，随着晶圆尺寸的增大，当晶圆减薄到一定厚度以下时，碳化硅晶圆的应力和损伤严重，晶圆极易发生碎裂，导致晶圆减薄成品率极低。

更多有关现有晶圆减薄的内容，可以参考公开号为cn107749391a和cn107649785a的中国专利申请。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种碳化硅晶圆的减薄方法，包括：将碳化硅晶圆背面划分成安全环区域与激光预加工区域，所述激光预加工区域为面积小于晶圆背面面积的圆形区域，所述安全环区域包围所述激光预加工区域的边缘圆环区域；在所述激光预加工区域进行激光扫描，形成激光凹槽；对具有所述激光凹槽的所述碳化硅晶圆背面进行粗磨，直到磨至第一目标厚度；对所述第一目标厚度的所述碳化硅晶圆背面进行精磨，直到磨至第二目标厚度。

可选的，采用分三步的方式，在所述激光预加工区域进行所述激光扫描；第一步扫描刻蚀的深度为所述激光凹槽深度的40％～60％；第二步扫描刻蚀的深度为所述激光凹槽深度的20％～40％；第三步扫描刻蚀的深度为所述激光凹槽深度的10％～20％；所述第一步扫描、所述第二步扫描和所述第三步扫描累计加工深度等于所述碳化硅晶圆减薄总厚度的90％～95％。

可选的，所述激光扫描采用波长为355nm的紫外激光。

可选的，所述激光凹槽的平面图案为相互交错的两组平行直线；相邻两条所述平形直线之间的间距为s，所述激光凹槽的槽深为h，0.2≤s/h≤5。

可选的，所述激光扫描的前进速度为5mm/sec～100mm/sec；所采用的激光器中，激光重复频率为10khz～80khz，激光功率为0.2watt～1watt，辅助气压为0.3mpa～0.8mpa。

可选的，所述粗磨减薄的厚度与所述精磨减薄的厚度比例约为8.5:1～9.5:1。

可选的，所述粗磨减薄的部分包括激光热影响层。

可选的，所述第二目标厚度为50μm～120μm之间；在所述碳化硅晶圆磨至所述第二目标厚度后，对所述碳化硅晶圆进行质量检测。

可选的，所述碳化硅晶圆的直径尺寸在6英寸以上。

可选的，所述安全环区域的最小截断宽度为所述碳化硅晶圆半径长度的2％～5％。

本发明技术方案的其中一个方面中，在粗磨之前，通过激光扫描的辅助，加工出激光凹槽，从而加快后续粗磨速度，减小磨削过程中砂轮的损耗量。通过激光加工辅助碳化硅晶圆背面磨削减薄，可制备出大尺寸碳化硅晶圆，有效改善碳化硅晶圆背面减薄过程中的破片问题，改善碳化硅晶圆背面减薄后的表面及亚表面损伤，并减少磨削使用砂轮的损耗量，降低加工成本。

附图说明

图1是实施例中碳化硅晶圆的背面示意图；

图2是实施例中碳化硅晶圆背面进行激光扫描后的示意图；

图3是图2所示结构的部分剖面结构示意图；

图4是图3中部分结构的放大示意图。

具体实施方式

针对大尺寸碳化硅晶圆背面磨削减薄时，产生的碳化硅晶圆破片现象、碳化硅晶圆背面减薄后的表面质量差以及磨削砂轮损耗过大等问题，提出一种激光辅助磨削减薄制备大尺寸碳化硅晶圆的方法。

为此，本发明提供一种新的碳化硅晶圆的减薄方法，以解决上述存在的不足。

为更加清楚的表示，下面结合附图对本发明做详细的说明。

本发明提供一种碳化硅(sic)晶圆的减薄方法，包括：

步骤一、将碳化硅晶圆背面划分成安全环区域与激光预加工区域，所述激光预加工区域为面积小于晶圆背面面积的圆形区域，所述安全环区域包围所述激光预加工区域的边缘圆环区域；

步骤二、在所述激光预加工区域进行激光扫描，形成激光凹槽；

步骤三、对具有所述激光凹槽的所述碳化硅晶圆背面进行粗磨，直到磨至第一目标厚度；

步骤四、对所述第一目标厚度的所述碳化硅晶圆背面进行精磨，直到磨至第二目标度。

所述碳化硅晶圆的直径尺寸可以是在6英寸以上。由于整个过程中，通过激光加工辅助，6英寸及以上的晶圆背面减薄的材料减薄总厚度较大，用本发明的方法性价比较高。即本发明中对碳化硅晶圆的背面磨削减薄，适合于制备出大尺寸(6英寸以上)的超薄碳化硅晶圆(超薄通常指厚度在120μm以下)。

在步骤一中，所述安全环区域不被后续激光预加工(激光预加工即激光扫描)，这些区域也可以称为边缘保护环区。

安全环区域位于晶圆碳面不被激光预加工而形成的晶圆边缘，可以减少因激光扫描加工碳化硅晶圆造成的应力而引起晶圆翘曲变形，降低背面减薄碎片率。

在步骤一中，所述安全环区域的最小截断宽度为所述碳化硅晶圆半径长度的2％～5％。

也就是说，激光预加工区域对应圆形区域的直径为碳化硅晶圆背面直径的90％～96％。此2％～5％的比例，可以随着晶圆尺寸调整，晶圆尺寸越大，相应的比例可以越小。对于6英寸及以上的晶圆来说，2％～5％的上述比例，已经保证了安全环区域能够提供足够的支撑力，来避免整个晶圆因激光加工造成的应力引起的晶圆翘曲变形。

在步骤二中，所述激光扫描可以采用波长为355nm的紫外激光。对于碳化硅单晶，使用紫外波段激光，可以获得对入射能量最大的吸收效率，而为355nm的紫外激光作用效果更好。

在步骤二中，为了使上述紫外激光在加工碳化硅晶圆时，能够得到优良的激光凹槽，调整激光加工工艺参数。所述激光扫描的前进速度为5mm/sec～100mm/sec；所采用的激光器中，激光重复频率为10khz～80khz，激光功率为0.2watt～1watt，辅助气压为0.3mpa～0.8mpa。

在步骤二中，按照预先设定的图案轨迹在预加工区域内进行激光扫描加工成v型槽。

所述激光凹槽的平面图案为相互交错的两组平行直线。也就是说，激光凹槽的平面图案不仅限于是横向的、纵向的、任意角度的纵横交错，相应的，直线形成的图案可以是上述任意角度纵横交错形成的，也可以是标准图形的阵列图，即相互垂直的两组直线。

相邻两条所述平行直线(即相邻两道相平行激光凹槽)之间的间距为s，所述激光凹槽的槽深为h。考虑到磨削加工过程中材料的减薄效率，控制0.2≤s/h≤5。

本发明进行激光扫描中，加工一次形成的槽，深度可以介于5μm～150μm之间，宽度也可以介于5μm～150μm之间。而步骤二中的激光凹槽，是指最终形成的槽，并不限制是经过几次加工形成的。

在步骤二中，采用分三步的方式，在所述激光预加工区域进行所述激光扫描，从而形成激光凹槽。其中，第一步扫描刻蚀的深度为所述激光凹槽深度的40％～60％；第二步扫描刻蚀的深度为所述激光凹槽深度的20％～40％；第三步扫描刻蚀的深度为所述激光凹槽深度的10％～20％。

并且，所述第一步扫描、所述第二步扫描和所述第三步扫描累计加工深度等于所述碳化硅晶圆减薄总厚度的90％～95％。

所述第一步扫描、所述第二步扫描和所述第三步扫描累计加工深度等于所述碳化硅晶圆减薄总厚度的90％～95％，因此，当碳化硅晶圆减薄前的厚度大约为350μm，且第二目标厚度在50μm～120μm时，可计算得到，磨削(包括粗磨和精磨)减薄的总厚度大约在180μm～250μm之间。相应的，激光扫描加工总深度大约在150μm～240μm之间。受当前激光单次加工的深度限制，当前激光扫描加工中，通常单次加工深度在120μm以下(即目前制造出来的紫外激光器，能达到对碳化硅晶圆的形成槽的单次加工中，深度在120μm以下)。结合激光扫描加工质量和加工效率，因此，选择将激光扫描加工分为三步进行，其中，第一步加工深度约占磨削减薄总厚度的40％～60％，第二步加工深度约占磨削减薄总厚度的20％～40％，第三步加工深度约占磨削减薄总厚度的10％～20％。

在步骤三中，所述粗磨减薄的厚度与所述精磨减薄的厚度比例约为8.5:1～9.5:1。可以随着材料减薄厚度的变化调整这个参数比例。

需要说明的是，激光扫描会在激光凹槽以下产生一层激光热影响层。

所述粗磨减薄的部分包括激光热影响层。

在步骤四中，精磨即进行精密磨削，以减薄前面粗磨产生的机械损伤。

在步骤三之后，碳化硅晶圆的第一目标厚度为64μm～140μm之间。在步骤四之后，得到的所述第二目标厚度为50μm～120μm之间且第二目标厚度小于第一目标厚度。也就是说，最终的第二目标厚度在120μm以下。而正是通常在减薄120μm以下时，如果是采用现有的减薄方法，就是通常会导致碳化硅晶圆的应力和损伤严重，晶圆极易发生碎裂，导致成品率极低。而本发明提供的方法可以解决这种情况。

在步骤四之后，即在所述碳化硅晶圆磨至所述第二目标厚度后，可以对所述碳化硅晶圆进行质量检测。

本发明中，根据碳化硅晶圆的磨削减薄总厚度，合理分配激光扫描深度，分配粗磨和精磨比例。

本发明中，在粗磨之前，通过激光扫描的辅助，加工出激光凹槽，从而加快后续粗磨速度，减小磨削过程中砂轮的损耗量。通过激光加工辅助碳化硅晶圆背面磨削减薄，可制备出大尺寸碳化硅晶圆，有效改善碳化硅晶圆背面减薄过程中的破片问题，改善碳化硅晶圆背面减薄后的表面及亚表面损伤，并减少磨削使用砂轮的损耗量，降低加工成本。在大尺寸碳化硅晶圆的高效超精密加工领域具有良好的应用前景。

进一步的，在粗磨减薄厚度中预留激光热影响层，即所述激光凹槽总深度略小于粗磨减薄厚度，保证粗磨进行后相应的表面适合于后续精磨，进一步减少了损伤。

进一步的，采用分步方式进行激光加工，并计算激光各分步中加工的深度，并按照预先设定的图案轨迹进行激光扫描的激光凹槽加工，进一步促进工艺效率。

实施例

对6英寸碳化硅晶圆进行背面减薄。

确认6英寸(直径约150mm)碳化硅晶圆的初始厚度为350μm，第二目标厚度约为120μm，需减薄的厚度约为230μm。

如图1所示，在碳化硅晶圆100背面设置安全环区域120与激光预加工区域110。其中，激光预加工区域110的截断宽度w为4mm(约占直径的2.6％)。

将晶圆放置在激光扫描工作台上，设置激光扫描工艺参数如下：

调整焦距，第一次激光功率为0.55watt，重复频率为15khz，扫描速度为30mm/s，辅助气压为0.6mpa；

调整焦距，第二次激光功率为0.33watt，重复频率为25khz，扫描速度为40mm/s，辅助气压为0.5mpa；

调整焦距，第三次激光功率为0.44watt(居于第一次激光功率和第二次激光功率之间)，重复频率为15khz，扫描速度为40mm/s，辅助气压为0.5mpa。

预设轨迹为先横向扫描，后工作台旋转90°纵向扫描，纵横扫描间距均为100μm，扫描图案结果如图2所示。

激光扫描后，图2所示晶圆的部分区域剖示结构如图3所示，相应的剖切角度为垂直于图2所示背面向正面进行剖切，得到相应的剖面结构的示意图。

由图3可以看到，三次扫描之后，形成了激光凹槽121，激光凹槽121的槽宽d约90μm左右。

同时，相邻两道相平行激光凹槽121之间的间距为s，激光凹槽121的槽深为h，其中，s/h约为0.5左右，如图3所示。

请参考图4，示出图3中部分区域的放大结构。

本实施例经过相应计算，得出分步激光扫描的比例，每次加工深度如下：

第一次扫描深度为110μm，如图4中的h1所示；

第二次扫描深度为80μm，如图4中的(h2-h1)所示；

第三次扫描深度为20μm，如图4中的(h3-h2)所示。

可知，本实施例激光预加工的总深度为210μm，激光扫描累计加工深度(即激光预加工总深度)约为后续粗磨减薄厚度的95％。

图4中还进一步显示，在激光凹槽121底部，预留10μm厚度的激光热影响层，如图4中的d1所示。

之后，进行粗磨。粗磨砂轮选型为2000#的陶瓷结合剂砂轮，主轴转速为2000r/min，粗磨平均进给速度为35μm/min，采用去离子水冷却。

粗磨减薄厚度为220μm，此厚度即激光预加工总深度加上激光热影响层的厚度。粗磨减薄厚度如图4中，(h3+d1)所示。

粗磨削加工完成后，对晶圆进行测量，厚度减薄至130μm。此时，晶圆剩余厚度为第一目标厚度。

之后，进行精磨。精磨砂轮选型为8000#陶瓷结合剂砂轮，主轴转速3000r/min、减薄的厚度为10μm，精磨平均进给速度为6μm/min，采用去离子水冷却。

精磨减薄厚度为10μm，如图4中d2所示(需要说明的是，各图中仅是示意，为了显示各减薄厚度，并未完全按实际比例显示)。

对晶圆进行精磨后，晶圆厚度降至120μm，此厚度为第二目标厚度。

晶圆达到第二目标厚度后，检测晶圆表面粗糙度(sa)：0.8nm；晶圆的最终厚度：120μm；晶圆总厚度变化量(ttv)：2.2μm；晶圆弯曲度(bow)：2.5μm；晶圆翘曲度(warp)：4.8μm。并且，晶圆背面几乎没有表面损伤或亚表面损伤的情况。

综上，本发明通过激光加工辅助碳化硅晶圆背面磨削减薄，可制备出大尺寸碳化硅晶圆，有效改善碳化硅晶圆背面减薄过程中的破片问题，改善了碳化硅晶圆背面减薄后的表面及亚表面损伤，并大幅减少磨削使用砂轮的损耗量，降低加工成本。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。