在半導(dǎo)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(jìn)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(yàn)證，被晶元制造商認(rèn)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(jìn)行了激光紅外加熱的實(shí)驗(yàn)，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(guān)閉激光器后的冷卻曲線，最后工程師將實(shí)驗(yàn)結(jié)果完成了晶元加熱模型預(yù)測。

01 實(shí)驗(yàn)方法 

在常溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，工程師使用11kW DLS-ECO激光器對硅晶元進(jìn)行了快速加熱，在不到9秒的時間內(nèi)晶元表面即達(dá)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(shè)置下進(jìn)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ�。熱力學(xué)模型結(jié)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(xué)模型曲線案例  藍(lán)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(shí)驗(yàn)結(jié)果     

02 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dá)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(qiáng)吸收性，在加熱時幾乎沒有多余的能量被浪費(fèi)。相比之下，紅外燈在加熱作業(yè)時會向四周擴(kuò)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(dǎo)致了大量的能耗浪費(fèi)。

圖表統(tǒng)計(jì)了加熱到目標(biāo)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(yīng)用的高效節(jié)能光源，被晶元用戶認(rèn)為是可持續(xù)化晶圓廠商未來的有力選擇。

DLS-ECO半導(dǎo)體激光器可以將超過55%的電能轉(zhuǎn)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(jìn)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(fèi)。

高電光轉(zhuǎn)化率 

DLS可將超過55%電能轉(zhuǎn)化為光能，大大降低能耗費(fèi)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(hù)運(yùn)行 

光纖傳輸設(shè)計(jì) 

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(shè)施都保持在潔凈室外。

盡管與傳統(tǒng)的紅外燈或感應(yīng)加熱器相比，激光的前期投入固然較高，但是當(dāng)用戶考慮到激光的可靠性、高效性，以及極低的運(yùn)維成本、顯著的電光轉(zhuǎn)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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