晶圓作為集成電路行業(yè)的核心襯底材料，其生產(chǎn)過程涉及多個(gè)關(guān)鍵步驟，如晶棒制造、切片、研磨、刻蝕和拋光。其中，研磨和拋光對晶圓的應(yīng)用性能起著至關(guān)重要的作用。隨著集成電路集成化水平的不斷提升，市場對大尺寸晶圓的需求急劇增加，這對研磨與拋光設(shè)備提出了更高要求。

目前，全球晶圓制造普遍采用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)，這一系統(tǒng)集成了化學(xué)和機(jī)械作用以實(shí)現(xiàn)高精度的晶圓表面加工。然而，我國在CMP拋光機(jī)及相關(guān)消耗材料（如拋光墊和拋光膏）上仍嚴(yán)重依賴進(jìn)口，這已成為制約我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“卡脖子”技術(shù)瓶頸，直接威脅國家和公眾的信息安全。

近年來，激光精密加工技術(shù)在硅晶圓制造中取得了顯著進(jìn)展。美國俄克拉何馬州立大學(xué)的Komanduri團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光能量密度的增加，單晶硅的燒蝕深度呈非線性急速增加。西班牙維戈大學(xué)的Conde團(tuán)隊(duì)則詳細(xì)解釋了硅在準(zhǔn)分子激光燒蝕過程中發(fā)生的微觀結(jié)構(gòu)變化機(jī)制。此外，瑞士應(yīng)用物理研究所的Gloor團(tuán)隊(duì)通過深紫外準(zhǔn)分子激光對金剛石半導(dǎo)體材料進(jìn)行拋光，顯著減少了表面不規(guī)則形貌。然而，500μm以上的波紋仍然存在，尚需進(jìn)一步改善。日本東北大學(xué)的Yan團(tuán)隊(duì)利用激光輻照將多晶硅層轉(zhuǎn)化為單晶硅，并將表面粗糙度從12nm降低至8nm。日本慶應(yīng)大學(xué)的Niitsu團(tuán)隊(duì)通過激光處理獲得了表面粗糙度約為1.1nm的硼摻雜單晶硅樣片。

值得一提的是，中國科學(xué)院大學(xué)的張志宇團(tuán)隊(duì)提出了雙步激光輻射拋光單晶硅的新方法，成功獲得了粗糙度為26nm的無缺陷光滑表面。這一成果為未來激光技術(shù)在晶圓制造中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

激光技術(shù)在晶圓減薄中的應(yīng)用：效率與性能兼顧

晶圓減薄是集成電路制造中至關(guān)重要的一步，超精密磨削加工是目前晶圓減薄的主要方法。然而，傳統(tǒng)磨削方法在減薄過程中不可避免地會在晶圓表面引入磨削損傷，導(dǎo)致后續(xù)必須使用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）或刻蝕等工藝去除這些損傷。這不僅增加了額外的工藝步驟，還帶來了時(shí)間和成本上的負(fù)擔(dān)。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，北京航空航天大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用激光精密加工技術(shù)，對多晶硅進(jìn)行了定量減薄，成功將多晶硅厚度從199μm減少到102μm，且整個(gè)過程未引入裂紋等機(jī)械性損傷。激光加工時(shí)的熱影響區(qū)被嚴(yán)格控制在1μm以內(nèi)，有效避免了常見的熱應(yīng)力破壞問題。實(shí)驗(yàn)表明，激光減薄技術(shù)不僅減少了多晶硅中的缺陷，還改善了其力學(xué)性能。

激光減薄多晶硅 (a)減薄后多晶硅的熱影響區(qū); (b)減薄后多晶硅的截面形貌; (c)減薄前后多晶硅的表面拉曼光譜; (d)減薄前后多晶硅的電流-電壓曲線 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

與傳統(tǒng)方法相比，激光減薄技術(shù)具有顯著優(yōu)勢：在改善材料表面質(zhì)量的同時(shí)，對其電學(xué)性能幾乎沒有影響。例如，在對多晶硅減薄前后的拉曼位移進(jìn)行對比測試后發(fā)現(xiàn)，減薄后的殘余應(yīng)力較原始多晶硅有所降低。這意味著激光工藝在減少材料內(nèi)應(yīng)力方面表現(xiàn)優(yōu)異。進(jìn)一步的電阻率測試顯示，原始多晶硅材料的電阻率為1.799Ω·cm，而經(jīng)過激光減薄后的電阻率僅微升至1.856Ω·cm，表明該工藝對材料的電性能影響較小。

圖示分析也證明了這一點(diǎn)。不同減薄步驟后的典型拉曼位移與電流-電壓（I-V）曲線表明，激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多晶硅的高精度減薄，同時(shí)對其機(jī)械和電學(xué)性能幾乎無不良影響。這為硅晶圓減薄提供了一條新的、更加高效的技術(shù)路徑，具備減少損傷、提高效率以及控制成本的多重優(yōu)勢。

激光拋磨改性優(yōu)勢

晶圓制造過程中，研磨和拋光是去除金剛石鋸切產(chǎn)生的切割痕跡和表面損傷的關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)的機(jī)械研磨主要依賴磨料的滾軋和微切削作用，雖然能夠去除一定的材料，但同時(shí)會不可避免地在晶圓表面產(chǎn)生應(yīng)力層和機(jī)械損傷。因此，在晶圓研磨后，必須進(jìn)行進(jìn)一步的表面處理以消除這些缺陷。

為了應(yīng)對機(jī)械研磨后單晶硅晶圓表面缺陷的問題，北京航空航天大學(xué)基于激光與半導(dǎo)體材料相互作用的機(jī)理，開發(fā)了一種激光精密加工技術(shù)對研磨后的單晶硅表面進(jìn)行改性。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過激光處理后，單晶硅表面的粗糙度由原始的0.4μm降至0.075μm。這一改進(jìn)主要得益于激光輻照在材料表面形成的微熔池，微熔池通過“融峰填谷”效應(yīng)消除了表面不規(guī)則的凸起和凹坑，顯著提升了表面光滑度。

復(fù)合激光研磨單晶硅 (a)激光研磨前后單晶硅的表面形貌; (b)激光研磨前后單晶硅表面的X射線衍射能譜圖; (c)激光研磨前后單晶硅表面的拉曼光譜 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

激光拋光不僅改善了單晶硅表面的物理形態(tài)，還有效減少了二氧化硅氧化層的存在。拋光后，表面原有的多晶硅層被轉(zhuǎn)化為單晶硅，進(jìn)一步提高了表面質(zhì)量。對激光拋光前后的單晶硅進(jìn)行了電學(xué)性能測試，結(jié)果顯示，拋光后的電流-電壓曲線斜率略有降低，表明激光拋光對電學(xué)性能的影響較小。

此外，針對晶圓切片過程中常見的機(jī)械切割痕跡，北航的科研團(tuán)隊(duì)還提出了一種復(fù)合激光精密加工的新方法，該方法能有效去除單晶硅表面的機(jī)械痕跡，將表面粗糙度從934nm降低至251nm，大幅提升了晶圓的表面質(zhì)量。同時(shí)，激光研磨還顯著減少了表面二氧化硅層的厚度，并將表面殘余應(yīng)力由原本的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，從而抑制了裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。這一技術(shù)不僅提升了晶圓的制造質(zhì)量，也延長了其使用壽命，為晶圓制造中的表面處理提供了創(chuàng)新的解決方案。

來源：DT半導(dǎo)體

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