超快激光助力新型晶圆制造

晶圆作为集成电路行业的核心衬底材料，其生产过程涉及多个关键步骤，如晶棒制造、切片、研磨、刻蚀和抛光。其中，研磨和抛光对晶圆的应用性能起着至关重要的作用。随着集成电路集成化水平的不断提升，市场对大尺寸晶圆的需求急剧增加，这对研磨与抛光设备提出了更高要求。

目前，全球晶圆制造普遍采用化学机械抛光（CMP）技术，这一系统集成了化学和机械作用以实现高精度的晶圆表面加工。然而，我国在CMP抛光机及相关消耗材料（如抛光垫和抛光膏）上仍严重依赖进口，这已成为制约我国集成电路产业发展的“卡脖子”技术瓶颈，直接威胁国家和公众的信息安全。

近年来，激光精密加工技术在硅晶圆制造中取得了显著进展。美国俄克拉何马州立大学的Komanduri团队研究发现，随着激光能量密度的增加，单晶硅的烧蚀深度呈非线性急速增加。西班牙维戈大学的Conde团队则详细解释了硅在准分子激光烧蚀过程中发生的微观结构变化机制。此外，瑞士应用物理研究所的Gloor团队通过深紫外准分子激光对金刚石半导体材料进行抛光，显著减少了表面不规则形貌。然而，500μm以上的波纹仍然存在，尚需进一步改善。日本东北大学的Yan团队利用激光辐照将多晶硅层转化为单晶硅，并将表面粗糙度从12nm降低至8nm。日本庆应大学的Niitsu团队通过激光处理获得了表面粗糙度约为1.1nm的硼掺杂单晶硅样片。

值得一提的是，中国科学院大学的张志宇团队提出了双步激光辐射抛光单晶硅的新方法，成功获得了粗糙度为26nm的无缺陷光滑表面。这一成果为未来激光技术在晶圆制造中的应用奠定了基础。

   激光技术在晶圆减薄中的应用：效率与性能兼顾

晶圆减薄是集成电路制造中至关重要的一步，超精密磨削加工是目前晶圆减薄的主要方法。然而，传统磨削方法在减薄过程中不可避免地会在晶圆表面引入磨削损伤，导致后续必须使用化学机械抛光（CMP）或刻蚀等工艺去除这些损伤。这不仅增加了额外的工艺步骤，还带来了时间和成本上的负担。

为了应对这一挑战，北京航空航天大学的科研团队应用激光精密加工技术，对多晶硅进行了定量减薄，成功将多晶硅厚度从199μm减少到102μm，且整个过程未引入裂纹等机械性损伤。激光加工时的热影响区被严格控制在1μm以内，有效避免了常见的热应力破坏问题。实验表明，激光减薄技术不仅减少了多晶硅中的缺陷，还改善了其力学性能。

激光减薄多晶硅 (a)减薄后多晶硅的热影响区; (b)减薄后多晶硅的截面形貌; (c)减薄前后多晶硅的表面拉曼光谱; (d)减薄前后多晶硅的电流-电压曲线 图源：公开网络

与传统方法相比，激光减薄技术具有显著优势：在改善材料表面质量的同时，对其电学性能几乎没有影响。例如，在对多晶硅减薄前后的拉曼位移进行对比测试后发现，减薄后的残余应力较原始多晶硅有所降低。这意味着激光工艺在减少材料内应力方面表现优异。进一步的电阻率测试显示，原始多晶硅材料的电阻率为1.799Ω·cm，而经过激光减薄后的电阻率仅微升至1.856Ω·cm，表明该工艺对材料的电性能影响较小。

图示分析也证明了这一点。不同减薄步骤后的典型拉曼位移与电流-电压（I-V）曲线表明，激光技术实现了多晶硅的高精度减薄，同时对其机械和电学性能几乎无不良影响。这为硅晶圆减薄提供了一条新的、更加高效的技术路径，具备减少损伤、提高效率以及控制成本的多重优势。

   激光抛磨改性优势

晶圆制造过程中，研磨和抛光是去除金刚石锯切产生的切割痕迹和表面损伤的关键步骤。传统的机械研磨主要依赖磨料的滚轧和微切削作用，虽然能够去除一定的材料，但同时会不可避免地在晶圆表面产生应力层和机械损伤。因此，在晶圆研磨后，必须进行进一步的表面处理以消除这些缺陷。

为了应对机械研磨后单晶硅晶圆表面缺陷的问题，北京航空航天大学基于激光与半导体材料相互作用的机理，开发了一种激光精密加工技术对研磨后的单晶硅表面进行改性。实验表明，经过激光处理后，单晶硅表面的粗糙度由原始的0.4μm降至0.075μm。这一改进主要得益于激光辐照在材料表面形成的微熔池，微熔池通过“融峰填谷”效应消除了表面不规则的凸起和凹坑，显著提升了表面光滑度。

复合激光研磨单晶硅 (a)激光研磨前后单晶硅的表面形貌; (b)激光研磨前后单晶硅表面的X射线衍射能谱图; (c)激光研磨前后单晶硅表面的拉曼光谱 图源：公开网络

激光抛光不仅改善了单晶硅表面的物理形态，还有效减少了二氧化硅氧化层的存在。抛光后，表面原有的多晶硅层被转化为单晶硅，进一步提高了表面质量。对激光抛光前后的单晶硅进行了电学性能测试，结果显示，抛光后的电流-电压曲线斜率略有降低，表明激光抛光对电学性能的影响较小。

此外，针对晶圆切片过程中常见的机械切割痕迹，北航的科研团队还提出了一种复合激光精密加工的新方法，该方法能有效去除单晶硅表面的机械痕迹，将表面粗糙度从934nm降低至251nm，大幅提升了晶圆的表面质量。同时，激光研磨还显著减少了表面二氧化硅层的厚度，并将表面残余应力由原本的拉应力转变为压应力，从而抑制了裂纹的产生与扩展。这一技术不仅提升了晶圆的制造质量，也延长了其使用寿命，为晶圆制造中的表面处理提供了创新的解决方案。

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