CN110047784A - 一种半导体切割用激光裂片装置及其裂片方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体切割用激光裂片装置及其裂片方法，半导体切割用激光裂片装置包括溶液槽、托料底座、激光加热装置以及提升驱动机构；所述托料底座用于承托碳化硅棒且置于溶液槽内，所述溶液槽内容纳有冷却液；所述激光加热装置设置在托料底座上方，用于对放置在托料底座上的碳化硅棒上端进行激光加热；所述提升驱动机构与托料底座连接用于驱动托料底座升降。本设计不需要切割碳化硅棒，提高材料利用率；该装置结构更为简单，故障率低，维护维修方便；该装置外围条件需求简单，占地少，操作安全，维修方便。
Description
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，特别是涉及一种半导体切割用激光裂片装置及其裂片方法。
背景技术
目前，碳化硅片生产通常采用多线切割将碳化硅棒切割成碳化硅片，多线切割基本原理为：绕在两个主辊线槽内的钢丝在放、收线筒的带动下对碳化硅棒进行高速磨削运动。在切割过程中需要对金刚线喷洒含砂的新浆，流量要随着晶棒的形状改变而改变，以此保证碳化硅片的表面质量。
多线切割具有以下缺陷：
(1)由于碳化硅硬度大，切割时间需要很长，4寸碳化硅棒切割需要二十四个小时左右。
(2)原材料切割间隙损耗过大，切割一片需要消耗两片的原材料，造成出片率低。
(3)铸锭晶体中存在的硬点可能会在切割过程中造成断线，加大了切割风险。
(4)切割后的碳化硅片表面损伤程度较浅、表面划痕密，从而导致了更高的反射率损伤浅层。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种材料效率利用率高的半导体切割用激光裂片装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种半导体切割用激光裂片装置，包括溶液槽、托料底座、激光加热装置以及提升驱动机构；所述托料底座用于承托碳化硅棒且置于溶液槽内，所述溶液槽内容纳有冷却液；所述激光加热装置设置在托料底座上方，用于对放置在托料底座上的碳化硅棒上端进行激光加热；所述提升驱动机构与托料底座连接用于驱动托料底座升降。
进一步，所述溶液槽上方设置有排气管。
进一步，所述溶液槽内的冷却液上表面具有一层隔热膜。
进一步，还包括液位传感器和测距传感器，所述液位传感器伸入冷却液内用于检测冷却液液位，所述测距传感器设置在冷却液上方用于检测碳化硅棒上表面的位置。
进一步，还包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器伸入冷却液中用于检测冷却液的温度，所述第二温度传感器设置在碳化硅棒上方用于检测碳化硅棒上端的温度。
进一步，所述溶液槽底部设置有用于检测是否漏液的漏液传感器。
进一步，所述提升驱动机构包括电机和竖直设置的丝杆，所述电机与丝杆连接以带动丝杆转动，所述丝杆与托料底座螺旋传动连接以带动托料底座升降。
进一步，所述托料底座通过连接杆与丝杆连接，所述连接杆一端与托料底座连接，另一端延伸至溶液槽外并与丝杆螺旋传动连接。
本发明还提供一种半导体切割用激光裂片方法，包括如下步骤：S1、将碳化硅棒放入托料底座上，并控制托料底座升降使得碳化硅棒顶端漏出冷却液面一段高度，该高度与要求的碳化硅片厚度匹配；S2、激光加热装置开启，对碳化硅棒上表面加热使其温度急剧上升，造成碳化硅棒漏出液面段与浸入冷却液段之间的急剧温度差，使得碳化硅棒上端开裂形成碳化硅片；S3、随后控制碳化硅棒高度使其漏出液面的高度与要求的碳化硅片厚度匹配；S4、重复步骤S2和S3直至碳化硅棒消耗完毕为止。
进一步，步骤S2加热时，激光加热装置需要将碳化硅棒加热至裂片所需温度并满足计时器要求。
进一步，完成步骤S2后，将托料底座上升到高位，人工取料后对碳化硅棒裂片后的上表面进行打磨后重新放入托料底座，再进行步骤S3和S4。
本发明的有益效果是：碳化硅棒放置在托料底座上，通过托料底座上下调节位置使得碳化硅棒上端一小段需要切割的部分漏出冷却液，漏出冷却液的碳化硅棒通过激光加热装置远程进行加热，碳化硅棒上端加热，碳化硅棒下部分在冷却液中，碳化硅棒上下部分形成较大的温差，急剧的高温导致碳化硅棒侧面出现温差环，在分子力的作用下，利用碳化硅的脆性，温差环上部的碳化硅片脱离碳化硅棒，实现碳化硅棒裂片，得到碳化硅片；本设计不需要切割碳化硅棒，提高材料利用率；该装置结构更为简单，故障率低，维护维修方便；该装置外围条件需求简单，占地少，操作安全，维修方便。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明安装结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1，本发明的一种半导体切割用激光裂片装置，包括溶液槽101、托料底座103、激光加热装置108以及提升驱动机构。
所述托料底座103用于承托碳化硅棒114且置于溶液槽101内，为了更好地放置碳化硅棒114，托料底座103上通常会设置一个与碳化硅棒114匹配的陶瓷定位底座，陶瓷定位底座可以是简单的与碳化硅棒轮廓匹配的环形槽，陶瓷定位底座用于容纳碳化硅棒114的底部以实现对碳化硅棒114的有效限位。所述溶液槽101内容纳有冷却液，冷却液为低温处理后的低温液体，以提高温差，提高裂片效率和效果，冷却液可以是水或者其他机加工常用的冷却液，这里不作限制。所述激光加热装置108设置在托料底座103上方，用于对放置在托料底座103上的碳化硅棒114上端进行激光加热，激光加热装置108为激光点阵加热源，均匀对准碳化硅棒114上表面照射，当然为了加大功率，也可以采用大功率激光束替代。所述提升驱动机构与托料底座103连接用于驱动托料底座103升降。碳化硅棒114下部分在冷却液中，上端漏出液面，上端经激光加热而温度急速提高，使得碳化硅棒114以冷却液表面为分界线，存在较大温差，利用碳化硅棒114的脆性，使得碳化硅棒114在较大温差下自动裂片，以此生产碳化硅片。
碳化硅棒114升降高度的精度，决定了碳化硅棒114的裂片厚度，为了提高碳化硅棒114升降的精度，提高碳化硅片的质量，所述提升驱动机构包括电机105和竖直设置的丝杆104，所述电机105与丝杆104连接以带动丝杆104转动，所述丝杆104与托料底座103螺旋传动连接以带动托料底座103升降。电机105可采用伺服电机或步进电机，为了便于控制，本实施例中，采用伺服电机。为了减少振动，电机105下方设置有用于安装电机105的减震底座106。电机105输出轴连接减速机，减速机输出轴通过联轴器与丝杆104连接。通过丝杆104的精度高的螺旋传动可精确的控制碳化硅棒114的升降。当然在其他实施例中，电机105输出轴可直接和丝杆104通过联轴器连接，也可以通过皮带轮将扭矩传递给丝杆104。在其他实施例中，提升驱动机构可以是伸缩装置，如气缸或者液压缸等。
进一步，为了结构安装布局优化，托料底座103不与丝杆104直接连接，所述托料底座103通过连接杆115与丝杆104连接，所述连接杆115一端与托料底座103连接，另一端延伸至溶液槽101外并与丝杆104螺旋传动连接，这样提升驱动机构不需要安装在冷却液上方，丝杆也不需要伸缩进入到冷却液中，提升驱动机构可以安装在溶液槽101侧边，以防止碳化硅棒裂片产生的废气腐蚀提升驱动机构。
在高温加热碳化硅棒114过程中，会产生废气，为此，所述溶液槽101上方设置有排气管107，用排气管107导出并收集进行后处理。溶液槽101上方具有安装激光加热装置108的顶盖116，排气管107即设在该顶盖116上。
高温加热碳化硅棒114时，冷却液上方的空气温度也会随之上升，从而将热量传递给冷却液，造成温差的幅度减小，影响裂片，为此，所述溶液槽101内的冷却液上表面具有一层隔热膜102，隔热膜102可采用液态玻璃隔热膜或其他具有隔热效果的隔热膜，隔热膜102可以阻止冷却液上方的热量传递给冷却液，用来控制碳化硅棒表面温差间隙，使得碳化硅棒在冷却液表面处上下存在较大且急剧的温差，同时隔热膜102也能防止冷却液蒸发。
碳化硅棒114要全部生产成碳化硅片，需要多次裂片，通常可通过提升驱动机构升降的距离来控制碳化硅片的厚度，只要每次裂片处理时，提升驱动机构每次提升与碳化硅片厚度相同的距离，即可生产出厚度均匀的碳化硅片。但是为了更加精确地控制碳化硅片的厚度，提高其精密程度，本设计还包括液位传感器111和测距传感器109，所述液位传感器111伸入冷却液内用于检测冷却液液位，所述测距传感器109设置在冷却液上方用于检测碳化硅棒114上表面的位置，测距传感器109优选为激光测距传感器，液位传感器111和测距传感器109测得的数据之差为碳化硅片漏出液面的高度，当碳化硅片漏出液面的高度达到碳化硅片裂片厚度要求时，即可控制电机105停止转动。液位传感器111和测距传感器109将测得的数据传输给控制器以便控制器控制提升驱动机构对碳化硅棒114进行升降，控制器与传感器、动力装置(电机、气缸等)的连接作用属于本领域常规技术手段，例如专利CN201721559427.0、CN201610363247.9和CN201621141624.6均涉及公开相关技术。
为了便于控制和监测碳化硅棒与冷却液的温差，本设计还包括第一温度传感器112和第二温度传感器113，所述第一温度传感器112伸入冷却液中用于检测冷却液的温度，所述第二温度传感器113设置在碳化硅棒114上方用于检测碳化硅棒114上端的温度。第一温度传感器112和第二温度传感器113均安装在溶液槽101侧壁，第一温度传感器112为接触式温度传感器，第二温度传感器113优选为红外稳定传感器。第一温度传感器112和第二温度传感器113将测试的稳定数据传递给控制器以实时控制激光加热装置108工作，通过精确控制温度防止加热温度过高导致能源浪费，也防止温度低导致裂片效率低，当冷却液温度过高时，可更换冷却液或对冷却液加冷再重新加工。另外温度传感器、加热装置与控制器之间的连接作用关系属于本领域的常规技术，例如专利CN201610279028.2、CN201621261311.4均涉及公开了相关技术。为了防止溶液槽101漏液，本实施例中，所述溶液槽101底部设置有用于检测是否漏液的漏液传感器110。
本设计的工作过程如下：
设备初始状态，托料底座103将在电机105的带动下上升到高位，人工放入碳化硅棒114后，电机105控制丝杆104运动将托料底座103慢慢下放，当激光测距传感器检测到碳化硅棒114上表面与冷却液表面高度差达到裂片厚度要求时，停止电机105工作。启动激光加热装置108，当第二温度传感器对碳化硅棒114上表面温度检测值达到设定值，并满足时间要求后，停止激光加热装置108工作，激光源进入自冷状态。电机105启动，将提料底座上升到高位，人工取出碳化硅片，如此循环，直至碳化硅棒114全部加工成碳化硅片后重新上料。有时，为了获得更为精密的碳化硅片，取出碳化硅片后，还要对碳化硅棒裂片后的上表面进行轻微打磨后放入托料底座再重复进行上述裂片加工过程。
本设计还提供一种裂片方法，包括如下步骤：
S1、将碳化硅棒放入托料底座103上，并控制托料底座103升降使得碳化硅棒114顶端漏出冷却液面一段高度，该高度与要求的碳化硅片厚度匹配；
S2、激光加热装置108开启，对碳化硅棒114上表面加热使其温度急剧上升，造成碳化硅棒114漏出液面段与浸入冷却液段之间的急剧温度差，使得碳化硅棒114上端开裂形成碳化硅片；加热时，激光加热装置108需要将碳化硅棒114加热至裂片所需温度并满足计时器要求，以此保证裂片质量。
S3、随后控制碳化硅棒114高度使其漏出液面的高度与要求的碳化硅片厚度匹配；
S4、重复步骤S2和S3直至碳化硅棒114消耗完毕为止。
碳化硅棒114裂片后，上表面可能并不是特别平整，如果直接进行裂片，得到的碳化硅片精度不高，为此，为了提高碳化硅片的质量，完成步骤S2后，将托料底座103上升到高位，人工取料后对碳化硅棒114裂片后的上表面进行打磨后重新放入托料底座103，再进行步骤S3和S4。这样至少保证每次裂片时碳化硅棒114上表面是平整的，至少消除了碳化硅片其中一个表面因裂片不平整带来的误差，提高了碳化硅片的质量。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种半导体切割用激光裂片装置，其特征在于：包括溶液槽(101)、托料底座(103)、激光加热装置(108)以及提升驱动机构；
所述托料底座(103)用于承托碳化硅棒(114)且置于溶液槽(101)内，所述溶液槽(101)内容纳有冷却液；
所述激光加热装置(108)设置在托料底座(103)上方，用于对放置在托料底座(103)上的碳化硅棒(114)上端进行激光加热；
所述提升驱动机构与托料底座(103)连接用于驱动托料底座(103)升降。
2.根据权利要求1所述的半导体切割用激光裂片装置，其特征在于：所述溶液槽(101)上方设置有排气管(107)。
3.根据权利要求1所述的半导体切割用激光裂片装置，其特征在于：还包括液位传感器(111)和测距传感器(109)，所述液位传感器(111)伸入冷却液内用于检测冷却液液位，所述测距传感器(109)设置在冷却液上方用于检测碳化硅棒(114)上表面的位置。
4.根据权利要求1所述的半导体切割用激光裂片装置，其特征在于：还包括第一温度传感器(112)和第二温度传感器(113)，所述第一温度传感器(112)伸入冷却液中用于检测冷却液的温度，所述第二温度传感器(113)设置在碳化硅棒(114)上方用于检测碳化硅棒(114)上端的温度。
5.根据权利要求1所述的半导体切割用激光裂片装置，其特征在于：所述溶液槽(101)底部设置有用于检测是否漏液的漏液传感器(110)。
6.根据权利要求1所述的半导体切割用激光裂片装置，其特征在于：所述提升驱动机构包括电机(105)和竖直设置的丝杆(104)，所述电机(105)与丝杆(104)连接以带动丝杆(104)转动，所述丝杆(104)与托料底座(103)螺旋传动连接以带动托料底座(103)升降。
7.根据权利要求6所述的半导体切割用激光裂片装置，其特征在于：所述托料底座(103)通过连接杆(115)与丝杆(104)连接，所述连接杆(115)一端与托料底座(103)连接，另一端延伸至溶液槽(101)外并与丝杆(104)螺旋传动连接。
8.一种半导体切割用激光裂片方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将碳化硅棒放入托料底座(103)上，并控制托料底座(103)升降使得碳化硅棒(114)顶端漏出冷却液面一段高度，该高度与要求的碳化硅片厚度匹配；
S2、激光加热装置(108)开启，对碳化硅棒(114)上表面加热使其温度急剧上升，造成碳化硅棒(114)漏出液面段与浸入冷却液段之间的急剧温度差，使得碳化硅棒(114)上端开裂形成碳化硅片；
S3、随后控制碳化硅棒(114)高度使其漏出液面的高度与要求的碳化硅片厚度匹配；
S4、重复步骤S2和S3直至碳化硅棒(114)消耗完毕为止。
9.根据权利要求8所述的半导体切割用激光裂片方法，其特征在于：步骤S2加热时，激光加热装置(108)需要将碳化硅棒(114)加热至裂片所需温度并满足计时器要求。
10.根据权利要求8所述的半导体切割用激光裂片方法，其特征在于：完成步骤S2后，将托料底座(103)上升到高位，人工取料后对碳化硅棒(114)裂片后的上表面进行打磨后重新放入托料底座(103)，再进行步骤S3和S4。
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