在半導體芯片的制造過程中，需要將硅晶圓加熱至較高的溫度以進行退火、外延生長和刻蝕處理，隨著芯片制造廠的升級優(yōu)化，如何在保證晶元高效加熱與出色溫度均勻性的同時，更大限度地減少能源消耗成為了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的晶元加熱方法通常能耗高且材料損耗大，而激光加熱方案逐漸經(jīng)過測試驗證，被晶元制造商認為是一種前沿、更可持續(xù)的替代選擇加熱方案。

近期，IPG配合一家晶元用戶進行了激光紅外加熱的實驗，分別記錄了將硅晶圓均勻加熱至額定溫度所需的時間和功率的變化、以及關閉激光器后的冷卻曲線，最后工程師將實驗結果完成了晶元加熱模型預測。

01 實驗方法 

在常溫實驗環(huán)境下，工程師使用11kW DLS-ECO激光器對硅晶元進行了快速加熱，在不到9秒的時間內(nèi)晶元表面即達到了800攝氏度。隨后工程師調(diào)整了激光器功率，大約8.1kW的激光功率即可將晶元穩(wěn)定維持在該溫度。

加熱至800攝氏度的硅晶圓；顏色體現(xiàn)激光在晶圓表面加熱均勻   

隨后工程師選擇了0.86-8.1kW恒定功率范圍內(nèi)的六種不同激光功率設置下進行數(shù)據(jù)采集，使用戶可以建立一個涵蓋廣泛功率輸入、溫度和晶元直徑大小的實驗模型。熱力學模型結合了激光的吸收加熱、晶元的輻射和對流損失，以及硅的熱容量，每一個模型都生成了函數(shù)曲線。

擬合熱力學模型曲線案例  藍色-升溫和穩(wěn)定狀態(tài)；黃色-冷卻  精確匹配了8.1kW功率下的實驗結果     

02 實驗結果 

經(jīng)過與用戶溝通討論，激光加熱時晶元高速的升溫時間以及所需的低穩(wěn)態(tài)功率，與傳統(tǒng)的紅外加熱方式相比具有非常大的優(yōu)勢——高速加熱時間顯著提升了產(chǎn)能，加熱時高達80%的激光光能被硅晶圓所吸收；較低的能耗功率則是基于激光的高指向性和產(chǎn)品對激光的強吸收性，在加熱時幾乎沒有多余的能量被浪費。相比之下，紅外燈在加熱作業(yè)時會向四周擴散多余的熱能，硅晶圓產(chǎn)品對紅外燈的加熱吸收性能一般，導致了大量的能耗浪費。

圖表統(tǒng)計了加熱到目標溫度時所需的激光功率以及保持恒定溫度所需的功率，工程師調(diào)試出了一個六邊形的激光幅面，作用在300毫米直徑的晶圓時僅溢出了8.5%的激光。

03 DLS-ECO系列激光器加熱優(yōu)勢 

IPG DLS-ECO系列激光器是一款適用于高功率加熱與干燥應用的高效節(jié)能光源，被晶元用戶認為是可持續(xù)化晶圓廠商未來的有力選擇。

DLS-ECO半導體激光器可以將超過55%的電能轉化為可用的光能，激光輸出可以均勻地分布在晶元表面，硅在975nm波長的激光下具有高吸收性，因此可以高效吸收光能。同時鏡頭也可根據(jù)晶元尺寸大小進行幅面大小的調(diào)整，幾乎沒有多余的能量在加熱時被浪費。

高電光轉化率 

DLS可將超過55%電能轉化為光能，大大降低能耗費用 

高組件冗余性 

在不適用任何消耗品的情況下提供超過7年的免維護運行 

光纖傳輸設計 

DLS配置超過15米的光纖傳輸電纜，使得激光光能可以方便地傳輸?shù)焦ぞ咧�，同時所有的散熱和電力設施都保持在潔凈室外。

盡管與傳統(tǒng)的紅外燈或感應加熱器相比，激光的前期投入固然較高，但是當用戶考慮到激光的可靠性、高效性，以及極低的運維成本、顯著的電光轉化率等因素，這部分的前期投入溢價是可以在短期內(nèi)被回收的。

在未來的芯片制造中，激光將逐漸成為一個更穩(wěn)定、更可持續(xù)的替代制造方式。

文章來源：IPG光纖激光器

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