Способ лазерной плазмохимической резки пластин Российский патент 2020 года по МПК H01L21/302 

Изобретение относится к лазерным методам резки пластин на кристаллы и может быть использовано в микроэлектронной промышленности для фрагментирования сапфировых и других подложек с изготовленными на них приборами без «выброса» и переосаждения материала подложки на сформированные приборы, стенки и окна технологической камеры.

Из предшествующего уровня техники известен способ химико-термической обработки материалов с инициированием поверхностной реакции при повышении температуры подложки, например, лазерно-индуцированных термохимических реакций окисления [1-5].

Известен способ для высокоточной лазерной резки хрупких неметаллических материалов - монокристаллы сапфира, кварца [6]. Способ включает нанесение надреза по линии реза, нагрев линии реза лазерным пучком и локальное охлаждение зоны нагрева с помощью хладоагента. Способ трудоемок, поскольку включает несколько стадий - нанесение надреза на пластину, фокусировку лазерного луча на надрез, лазерный разогрев надреза другим лазером, охлаждение надреза. При этом в разрезаемом материале возникают механические напряжения, которые непредсказуемым образом могут влиять в процессе эксплуатации прибора.

Известно использование лазера для диссоциации молекул COF₂ с целью получения радикалов фтора, которые использовались для травления кремния и тугоплавких материалов [7]. Однако наряду с радикалами фтора, образуются и частицы углерода (графита), который осаждается на приборах и стенках камеры.

Известно использование СО₂-лазера для проведения фотохимических процессов разложения SF₆ с целью получения радикалов фтора для травления кремния [8]. Помимо радикалов фтора появляются и чистая сера, и фрагменты SF_x, где х=1÷5, которые могут осаждаться (особенно сера) на приборах и стенках реакционной камеры.

Известен способ травления соединений А₃В₅ в смеси NF₃ или SF₆ с Н₂, а также COF₂/H₂ [9]. Недостатки те же, что и в предыдущих способах.

Известен способ термического травления алмаза через промежуточную графитовую фазу с помощью атомарного водорода (или радикалов водорода) [10]. При этом температура процесса порядка 1200°С. Такое локальное термическое воздействие неизбежно приводит к возникновению механических напряжений, «разрядка» которых непредсказуема при эксплуатации приборов.

Известно изобретение [11] в котором помимо способа травления материалов во фторидных радикалах рассмотрена и схема установки для лазерной стимуляции и диссоциации фторсодержащих газов. Недостатками метода является то, что приходится использовать несколько лазеров и не исключается возможность образования серы и фрагментов исходных молекул, которые имеют склонность к осаждению на стенках реакционной камеры, в том числе и на сформированных приборах.

Известно изобретение [12], принятое за прототип, в котором лазерная резка алмазных подложек, предусматривает фокусировку лазерного излучения на обрабатываемой поверхности в газовой смеси содержащей соединения фтора химические реакции инициируются не только за счет термических процессов диссоциации газовых компонент, но и образования плазмы в газовой среде чистого фтора (F2) или чистого фтористого водорода (HF) при давлении от 760 Торр (атмосферного) до 1*10^-2 Торр.

Недостатками метода является то, что используется лазер на парах меди с длинами волн 510,6 нм и 578,2 нм которые далеки от оптимальных для процессов возбуждения плазмы применительно к травлению сапфира, кроме того, фториды алюминия не летучие, что должно быть для плазмохимических процессов.

Техническим результатом данного изобретения является возможность прецизионного фрагментирования пластин сапфира без «выброса» (грата) материала подложек на сформированные приборы, стенки и окна технологической камеры.

Технический результат достигается за счет того, что в качестве газов используется водород (Н₂) или смесь водорода (Н₂) с хлористым водородом (HCl) (Н₂+HCl) или смесь хлористого водорода с аргоном (HCl+Ar) или смесь водорода (Н₂) с хлористым водородом (HCl) и аргоном (Ar) (Н₂+Ar+HCl) и лазер (лазеры) с длинами волн 266 нм и 355 нм, т.е. в ультрафиолетовом диапазоне, с пикосекундными импульсами при рабочем давлении от 760 Торр (атмосферного) до 1*10^-3 Торр. Фокусируя лазерные пучки с указанными длинами волн получаются рабочие «пятна» от 5 мкм до 10 мкм (определяется качеством линзы объектива и его фокусным расстоянием, расходимостью лазерного пучка и пр.).

Установка, на которой проводились процессы идентична установке, описанной в прототипе, за исключением лазера (использовался лазер УФ диапазона вместо видимого).

Отличительной особенностью процесса является то, что химические реакции инициируются в газовой среде, состоящей из водорода (Н₂) или газовой смеси водорода (Н₂) с хлористым водородом (HCl) (Н₂+HCl) или газовой смеси аргона (Ar) и хлористого водорода (HCl) (Ar+HCl) или газовой смеси водорода (Н₂) с хлористым водородом (HCl) и аргоном (Ar) (Н₂+Ar+HCl) с образованием плазмы, а это происходит при понижении рабочего давления. Известно, что в плазме образуются не только радикалы, но и ионы, и тем самым общая скорость травления повышается по сравнению с радикальным травлением, то есть идет плазмохимический процесс травления под плавающим потенциалом от минус 15 до минус 20 В. Для проведения лазерно-плазмохимического процесса требуется меньше мощности по сравнению с чисто термохимическим процессом резки.

Переход термохимического в плазмохимический процесс происходит при понижении рабочего давления с атмосферного (760 Торр) вплоть до 1*10^-3 Торр. Таким образом, осуществляется фрагментирование пластины из сапфира на кристаллы с помощью плазмы, инициированной и поддерживаемой с помощью УФ лазера (длины волн: 266 нм и 355 нм) в газовой среде состоящей из водорода (Н₂) или газовой смеси водорода (Н₂) с хлористым водородом (HCl) (Н₂+HCl) или газовой смеси аргона (Ar) и хлористого водорода (HCl) (Ar+HCl) или газовой смеси водорода (Н₂) с хлористым водородом (HCl) и аргоном (Ar) (Н₂+Ar+HCl).

ПРИМЕР 1. Осуществление способа лазерно-плазмохимической резки сапфировой пластины диаметром 50 мм, толщиной 50 мкм. Использовался импульсный ультрафиолетовый лазер с длиной волны 355 нм. Частота следования импульсов 100 кГц, средняя подводимая мощность 5,3 Вт. Давление в реакционной камере 760 Торр (атмосферное), газ - Н₂.

При этих параметрах наблюдался оптический пробой (плазменный разряд) в области фокусного пятна. В результате обработки наблюдались небольшие выбросы (грат) материала в области «реза», значительно меньше чем в атмосфере воздуха (как делается по традиционной технологии). Протекают как термохимические, так и плазмохимические процессы, что приводит к уменьшению выброса материала подложки (грата) на поверхность пластины сапфира с сформированными приборами. Ширина «реза» составила 31 мкм. Глубина (за один проход) составляла - насквозь.

ПРИМЕР 2. Сапфировая пластина диаметром 50 мм толщиной 100 мкм подвергалась лазерно-плазмохимической резке на кристаллы. Использовался импульсный ультрафиолетовый лазер с длиной волны 266 нм. Частота следования импульсов 50 кГц. Газ - Н₂. Давление в реакционной камере 1*10^-1 Торр. Средняя подводимая мощность 4,3 Вт. При этих параметрах в области фокусируемого пятна устойчиво существовал плазменный разряд и шел плазмохимический процесс травления. В результате обработки ширина канавки («реза») составляла 9,8 мкм, выбросы материала подложки на поверхность пластины с сформированными приборами отсутствовали. Кромки канавки абсолютно ровные.

ПРИМЕР 3. Сапфировая пластина диаметром 50 мм и толщиной 300 мкм подвергалась лазерной плазмохимической резке на кристаллы. Использовался импульсный ультрафиолетовый лазер с длиной волны 355 нм. Частота следования импульсов 250 кГц. Газ - Н₂. Давление в реакционной камере 1*10^-2 Торр. Средняя подводимая мощность 4,8 Вт. При этих параметрах в области фокусного пятна устойчиво существовал плазменный разряд и шел плазмохимический процесс травления сапфира. В результате обработки ширина канавки («реза») составляла ~10 мкм. Выбросы материала подложки на поверхность пластины с сформированными приборами отсутствовали. Кромки канавки абсолютно ровные.

Пример 4. Пластина из сапфира диаметром 50 мм и толщиной 450 мкм подвергалась лазерной плазмохимической резке на кристаллы. Использовался импульсный ультрафиолетовый лазер с длиной волны 355 нм. Частота следования импульсов 500 кГц. Газ - Н₂. Давление в реакционной камере 1*10^-2 Торр. Средняя подводимая мощность 6,1 Вт. При этих параметрах в области фокусного пятна устойчиво существовал плазменный разряд и шел плазмохимический процесс травления сапфира. В результате обработки ширина канавки («реза») составляла 10,2 мкм. Выбросы материала подложки на поверхность пластины (грат) с сформированными приборами отсутствовали. Кромки канавки абсолютно ровные.

Пример 5. Пластина из сапфира диаметром 50 мм и толщиной 200 мкм подвергалась лазерной плазмохимической резке на кристаллы. Использовался импульсный ультрафиолетовый лазер с длиной волны 266 нм. Частота следования импульсов 450 кГц. Газовая смесь Ar+HCl. Давление в реакционной камере 1*10^-3 Торр. Средняя подводимая мощность 5,9 Вт. При этих параметрах в области фокусного пятна устойчиво существовал плазменный разряд и шел плазмохимический процесс травления сапфира. В результате обработки ширина канавки («реза») составляла 10,1 мкм. Выбросы материала подложки (грат) на поверхность пластины с сформированными приборами отсутствовали. Кромки канавки абсолютно ровные.

Пример 6. Сапфировая пластина диаметром 50 мм и толщиной 350 мкм подвергалась лазерной плазмохимической резке на кристаллы. Использовался импульсный ультрафиолетовый лазер с длиной волны 266 нм, частота следования импульсов 300 кГц. Средняя мощность 6,8 Вт. В качестве газовой среды использовалась смесь водорода (Н₂) и хлористого водорода (HCl) (Н₂+HCl). Давление в реакционной камере составляло 1*10^-3 Торр. При этих параметрах в области фокусного пятна устойчиво существовал плазменный разряд и шел плазмохимический процесс травления. В результате обработки поверхность пластины и кристалла были чистыми и гладкими без выброса обрабатываемого материала на поверхность (грата). Кромки «реза» шириной 10 мкм была абсолютно ровной.

Пример 7. Сапфировая пластина диаметром 50 мм и толщиной 400 мкм подверглась лазерной плазмохимической резке на кристаллы. Использовался импульсный ультрафиолетовый лазер с длиной волны 266 нм, частотой следования импульсов 300 кГц. Средняя мощность 6,8 Вт. В качестве газовой среды использовалась смесь водорода (Н₂) с хлористым водородом (HCl) и аргоном (Ar) (Н₂+HCl+Ar). Давление в реакционной камере составляло 1*10^-3 Торр. При этих параметрах в области фокусного пятна устойчиво существовал плазменный разряд и шел плазмохимический процесс травления сапфира. В результате обработки поверхность пластины и кристалла были чистыми и гладкими, без выброса обрабатываемого материала (грата) на поверхность. Кромки «реза» шириной 10 мкм были абсолютно ровными.

Список использованных источников

1. Д.В. Абрамов, В.Г. Прокошев, С.А. Буяров, С.М. Аракелян. Диагностика лазерно-индуцированных термохимических процессов на поверхности материалов. 6-я Международная конференция «Лазерные технологии - 98 (ILLA - 98); г. Шатура, с. 115;

2. Д.В. Абрамов, В.Г. Прокошев, С.А. Буяров, С.М. Аракелян. Численное моделирование лазерного термохимического окисления металлов. Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика 99», 19-21 октября 1999 г., г. Санкт-Петербург, с. 108;

3. Д.Т. Алимов, Ш. Атабаев, Ф.В. Бункин и др. Термохимические неустойчивости в гетерогенных процессах, стимулированных лазерным излучением. Поверхность. Физика, химия, механика. 1982 г., №8, с. 12-21;

4. Н.В. Карлов, Н.А. Кириченко, Б.С. Лукьянчук. Лазерная термохимия. М.: Центком, 1995 г., 368 с.;

5. Д.В. Абрамов. Лазерно-индуцированные термохимические и гидродинамические процессы на поверхности вещества и их диагностика в реальном времени с помощью лазерного проекционного микроскопа. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Специальность 01.04.21 - лазерная физика, г. Владимир 2000 г.;

6. Патент РФ - RU 2224648 С1 от 27.02.2004. В28Д 5/00;

7. G.L. Lopez et al. UV laser-generated fluorine atom etching of polycrystalline Si, Mo and Ti. Applied Physics Letters. Vol 46, Iss 7.

8. T.J. Chuang. Multiple photon excited SF₆ interaction with silicon surfaces. The Journal of Chemical Physics 74, 1453 (1981);

9. Европейский патент - ЕР 0513940 A2 от 19.11.1992. H01L 21/306;

10. Патент США - US 5419798 А от 30.05.1995. G23F 1/02;

11. Европейский патент - ЕР 0259572 В1 от 25.09.1991. H01L 21/306;

12. Патент РФ - RU 2537101 С1 от 27.12.2014. H01L 21/302.

Изобретение относится к лазерным методам резки (фрагментирования) пластин на кристаллы и может быть использовано в микроэлектронной промышленности для фрагментирования пластин с изготовленными на них приборами. Технический результат - прецизионное фрагментирование без «выброса» и переосаждения материала подложки на сформированные приборы, стенки и окна технологической камеры. Способ лазерной фрагментации сапфировых подложек предусматривает фокусировку лазерного излучения на обрабатываемой поверхности в атмосфере в газовой среде, содержащей водород (Н₂), или газовую смесь водорода (Н₂) с хлористым водородом (HCl) (Н₂+HCl), или газовую смесь аргона (Ar) и хлористого водорода (HCl) (Ar+HCl), или газовую смесь водорода (Н₂) с хлористым водородом (HCl) и аргоном (Ar) (Н₂+Ar+HCl), при этом химические реакции инициируются как за счет термических процессов диссоциации газовых компонент, так и за счет образования плазмы в атмосфере чистого водорода (Н₂) или смеси аргона с хлористым водородом (Ar+HCl) при давлении от 760 Торр (атмосферного) до 1⋅10^-3 Торр.

Способ лазерной плазмохимической резки пластин сапфира путем фокусировки лазерного излучения на обрабатываемую поверхность в газовой среде с инициированием химических реакций за счет термических процессов диссоциации газовых компонент и образования плазмы, отличающийся тем, что процесс проводят в среде водорода (Н₂), или в смеси водорода (Н₂) и хлористого водорода (HCl), или в смеси водорода (Н₂) с хлористым водородом (HCl) и аргоном (Ar), или в смеси аргона (Ar) и хлористого водорода (HCl) при давлении от 760 до 1⋅10^-3 Торр.