1. 引言
碳化硅(SiC)是第三代半导体材料，SiC生长形成晶锭，晶锭切割成为晶片，随后再经过一系列工序，最后制成半导体器件。SiC晶片作为半导体衬底材料，是晶锭经过切割、研磨、抛光、清洗等工序加工形成的薄晶片。传统切割工艺是线切割，但缺点是损耗大，耗时长；为了解决线切割工艺的问题，研发出了激光剥离新工艺[1]。该工艺非接触、损耗小、效率高，特别适用于大尺寸(8寸)或超大尺寸(12寸)碳化硅衬底的量产，进一步促进了半导体行业的降本增效[2]。
2. 激光剥离工艺流程
SiC激光剥离工艺是先通过激光聚焦晶锭内部一定切割深度使其扫描改质，再超声剥离出晶片[3]。具体工艺流程如下：
晶锭吸附–自动测高–视觉定位–提取扫描路径–激光工艺参数设置–光学整形–激光扫描(扫描质量监测)–晶片剥离。
以6寸SiC晶锭，剥离出晶片厚度350 μm为例，激光剥离与线切割技术对比见表1。
Table 1. Comparison of laser lift-off and wire cutting technology
表1. 激光剥离与线切割技术对比表
项目 |
激光剥离 |
线切割 |
备注 |
切割方式 |
非接触 |
接触 |
|
切割时间 |
20 min |
4~5天 |
|
单片损耗 |
(80~120) μm |
(280~300) μm |
|
晶锭出晶片数 |
46片 |
30片 |
晶锭20 mm厚 |
从上表效率、损耗、产出可以看出，激光剥离工艺的优势显而易见。
SiC激光剥离设备属于半导体设备，控制系统是半导体设备的核心，软件又是基于控制系统硬件开发，所以控制系统设计至关重要。
3. 工控机的优势
常用的半导体工艺设备控制系统类型：工控机、PLC和工控机 + 组合；工控机 + 可以是运动控制器或PLC；选择合适的控制系统，有助于优化半导体设备性能与成本效益。
工控机是专用于工业控制的计算机，其优势在于：
1) 强大的计算能力，可以实现数据采集与处理，并与上层设备进行数据交换；
2) 编程灵活，Windows或Linux操作系统，支持C++，C#等编程语言，便于设备软件开发，同时方便集成第三方软件；
3) 通讯接口，USB、串口和网口，支持TCP/IP、MODBUS、CAN等网络协议；
4) 扩展性，通过扩展卡槽，可以升级或扩展硬件性能。
考虑到工控机的数据处理能力、软件开发、网络通信及扩展性，激光剥离设备选用工控机作为主控系统，再选择合适的CPU、主板、内存、硬盘和接口。
4. 运动控制系统搭建
激光剥离设备中，激光扫描的快速性和重复性，要求高速高精度的运动控制系统。
选用工控机作为上位机，ACS运动控制器作为下位机，然后通过EtherCAT总线连接直线电机、DD、伺服电机和IO输入输出，运动控制系统硬件框图见图1。
Figure 1. Motion control system diagram
图1. 运动控制系统框图
激光扫描XYZ运动平台采用全闭环控制系统，由运动控制器、驱动器、电机、检测装置(光栅尺)构成；激光头安装在Z轴上，Z轴运动由伺服电机加光栅尺实现。
ACS运动控制器，驱控一体，支持EtherCAT协议，是可扩展的多轴运动控制器，具有强大的运动编程和自整定调试功能，还拥有RFR Analyzer频域分析功能，能满足苛刻的运动控制性能[4]。激光扫描平台X直线电机、Y直线电机、Z伺服电机3轴运用ACS驱控一体，DD、传输伺服电机走EtherCAT总线。当然，需要选用支持EtherCAT协议的DD驱动器、伺服驱动器、IO模块。
直线电机由于取消了中间传动部件，使运动平台结构简化，与传统伺服电机相比，具有更高的定位精度和动态性能。鉴于此，把直线电机作为激光剥离设备XY运动平台执行机构；运动平台的旋转功能则选用DD马达。
5. 激光剥离控制系统硬件设计
激光剥离控制系统按功能划分，包括运动控制系统，激光扫描系统，光学调制系统，视觉定位系统及IO输入输出等。激光剥离控制系统的性能直接决定了激光扫描的精度、稳定性和效率。
5.1. 运动控制系统
运动控制系统完成激光扫描及路径规划、激光头的升降，确保激光束按路径扫描待加工晶锭。
晶锭通过负压吸附在XY直线电机运动平台，选用位移传感器实现晶锭自动测高；压电控制器实现激光扫描过程中微米级高度微调，补偿晶锭表面高度误差。
5.2. 激光扫描及光学调制系统
激光扫描系统根据不同的加工需求调整激光工艺参数(脉宽、功率等)实现晶锭切割、工艺优化。
光学调制系统由透镜、反射镜、扩束镜和空间光调制器等组成，用于聚焦和控制激光光束的路径。激光扫描与光学调制的结合，有效提升了激光扫描的质量和一致性。
5.3. 视觉定位系统
视觉定位系统由相机、镜头、光源、光源控制器组成，其功能如下：
1) 视觉自动识别晶锭外形轮廓，计算出扫描位置及路径。
2) 激光扫描效果实时监测。
5.4. IO输入输出
IO输入输出部分完成输入信号采集和输出信号处理，输入信号有传感器，开关，气压监测等；输出信号有电磁阀，信号灯等。统计设备输入输出点数，加一定余量选定输入输出模块。
6. 激光剥离控制系统软件规划
工控机作为上位机，软件采用C#编程；ACS控制器作为下位机；编程采用ACS编程语言。上位负责数据存储调用、自动化生产管理以及通信，而高速高精度运动控制由下位编程实现。
6.1. 工控机软件设计
工控机软件采用模块化设计，包括界面交互、视觉定位、工艺参数配方、扫描文件调用；而激光器软件、光学调制软件通过通讯集成入设备软件整体。工控机软件示意见图2。
Figure 2. The diagram of industrial control computer software module
图2. 工控机软件模块框图
界面交互完成用户权限管理和激光剥离工艺的加工生产及监控，视觉定位实现图形采集和数据处理，工艺参数配方完成历史工艺参数的存储和调用，扫描文件调用则是输出激光扫描坐标给运动控制器。
6.2. ACS软件设计
ACS软件包括运动轴参数配置和运动程序两部分。
运动轴参数有，轴结构、电机参数、编码器参数、安全保护参数等；参数设置完成后，电流环、速度环、位置环自动调谐，如果不满足使用要求，再手动微调。同时，可以运用RFR Analyzer频域分析工具，识别和评估运动轴的动态性能。
运动程序保存在Buffer里，除了D-Buffer用于声明全局变量外，各Buffer之间没有主次之分，可以相互调用，Buffer数量根据实际需要选择。ACS软件示意见图3，控制器循环周期内32个Buffer并行运行。
注：激光测轴精度和激光补偿，此处激光指激光干涉仪；激光扫描，这里激光指激光器。
Figure 3. The diagram of ACS software module
图3. ACS软件模块框图
激光剥离控制系统硬件设计，软件加持，实现了生产管理和监控，能识别潜在故障并预警，确保SiC激光剥离工艺的一致性。
7. 控制效果及工艺验证
7.1. 控制系统验证
激光扫描时，运动轴Z先到达扫描高度，扫描弓形路径由运动轴X和Y完成。通过运动平台调试，激光干涉仪测量精度，再经过软件分段补偿[5]，激光干涉仪再次实测X轴、Y轴精度见图4、图5。
从下图可以看出，运动平台实测精度见表2。
7.2. 激光剥离工艺验证
SiC激光剥离设备成功应用于半导体产线中，待剥离SiC晶锭及加工晶片见图6，满足了激光剥离工艺要求。
Figure 4. The diagram of X-axis actual measurement accuracy
图4. X轴实测精度
Figure 5. The diagram of Y-axis actual measurement accuracy
图5. Y轴实测精度
Table 2. The actual measurement accuracy of motion platform
表2. 运动平台实测精度表
轴名称 |
行程 |
定位精度 |
重复定位精度 |
最大扫描运行速度 |
X轴直线电机 |
410 mm |
1.8 μm |
1.2 μm |
2000 mm/s |
Y轴直线电机 |
610 mm |
1.5 μm |
1.3 μm |
500 mm/s |
Figure 6. SiC ignot and laser lift-off wafer
图6. SiC晶锭及剥离出的晶片
8. 结束语
SiC激光剥离设备控制系统采用工控机 + ACS运动控制器，集成了运动控制、视觉、激光，光学等分系统，实现了SiC晶锭到晶片的激光剥离。现SiC激光剥离已应用于SiC激光剥离工艺正式生产中，为客户提高了生产效率，降低了损耗。该控制系统长期运行稳定，可以扩展到半导体其他设备控制系统研发设计中。