CN111889896A - 一种超声协同激光的晶锭剥离方法 - Google Patents

一种超声协同激光的晶锭剥离方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声协同激光的晶锭剥离方法，涉及晶圆切割技术领域，其包括控制激光束从所述初始加工位置开始，按预设的加工轨迹运动，同时开启超声波振动器并沿XY平面振动；激光束按所述加工轨迹运动完成后，关闭所述激光加工系统；绕Z轴旋转晶锭，所述超声波振动器继续沿XY平面振动，直至裂纹沿XY平面完全扩展后关闭所述超声波振动器，得到剥离后的晶锭。本发明主要解决两个不同激光工位分开加工的方式不仅造成硬件成本高，而且各工序较为分散，增大设备占地面积的同时降低了加工效率的问题；本发明实现了单一激光加工工位完成晶锭剥离的工艺，硬件成本较低，加工工艺集成度高，提高加工效率的同时，减小设备占地面积。

Description

一种超声协同激光的晶锭剥离方法
技术领域
本发明涉及晶圆切割技术领域，具体为一种超声协同激光的晶锭剥离方法。
背景技术
晶锭剥离是获得晶圆的主要方式，晶锭剥离的质量和效率是影响芯片制造至关重要的因素；目前，晶锭剥离的方法主要有接触式工具切割和激光加工的方法。
公开号为CN103302754A，名称为金刚石线锯切割方法及切割设备的中国发明专利公开了典型的接触式工具切割晶锭的方法，其采用环形金刚石线锯切割晶锭，通过提高线速度与改变加工时的接触方式提高切割效率。然而，对于晶锭这种硬脆难加工材料来说，金刚石工具的加工成本较高，且对工具及被加工材料的消耗均较大，同时易在加工过程中引入加工缺陷，造成工件报废，加工质量和效率均难以保证。
公开号为CN109909627A，名称为一种SiC晶锭的激光加工设备的中国发明专利公开了典型的激光加工切割晶锭的方法，其通过先隐切后热加工的方式对晶锭进行剥离，但加工过程中采用了两个激光器，采用两个不同工位分开加工的方式不仅造成硬件成本高，而且各工序较为分散，增大设备占地面积的同时降低了加工效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声协同激光的晶锭剥离方法，通过引入超声振动的方式，在激光加工晶锭的同时起到协同作用，解决了晶锭剥离工序分散、加工效率低且设备占地面积大的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超声协同激光的晶锭剥离方法，包括下述步骤：
S1、沿X轴和Y轴方向移动晶锭，确定晶锭在X轴和Y轴上的初始加工位置；
S2、根据晶锭所需的剥离厚度，将激光加工系统的激光束聚焦在晶锭的内部，以确定晶锭在Z轴上的初始加工位置；
S3、控制激光束从所述初始加工位置开始，按预设的加工轨迹运动，同时开启超声波振动器并沿XY平面振动；
S4、激光束按所述加工轨迹运动完成后，关闭所述激光加工系统；
S5、绕Z轴旋转晶锭，所述超声波振动器继续沿XY平面振动，直至裂纹沿XY平面完全扩展后关闭所述超声波振动器，得到剥离后的晶锭。
上述技术方案中，在步骤S3-步骤S5中，通过监测装置检测晶锭内部的裂纹扩展状态。
上述技术方案中，激光束在XY平面上沿直线或者曲线运动。
上述技术方案中，晶锭固定在精密运动平台上，所述精密运动平台包括用于沿X轴方向移动晶锭的X轴运动组件、用于沿Y轴方向移动晶锭的Y轴运动组件以及用于绕Z轴旋转晶锭的Z轴转台。
上述技术方案中，激光束的脉宽为200fs～10ns。
上述技术方案中，激光束的波长为355nm～1064nm。
上述技术方案中，激光束的功率为1W～10W；激光束的重复频率为50kHz～200kHz。
上述技术方案中，激光束的运动速度为50mm/s～200mm/s。
上述技术方案中，所述超声波振动器的振动频率为100Hz～50kHz。
上述技术方案中，晶锭的剥离厚度为200μm～600μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、该种超声协同激光的晶锭剥离方法，控制激光束从初始加工位置开始，按预设的加工轨迹运动，同时开启超声波振动器并沿XY平面振动，通过超声协同激光的加工方法，实现了单一激光加工工位完成晶锭剥离的工艺，硬件成本较低，加工工艺集成度高，提高加工效率的同时，减小设备占地面积。
2、该种超声协同激光的晶锭剥离方法，使改质层的厚度降低，节约了晶锭材料。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为应用本发明的加工系统在侧视方向下的示意图。
图3为应用本发明的加工系统在俯视方向下的示意图。
图4为应用本发明的加工系统在俯视方向下的另一种示意图。
图5为未应用本发明时的晶锭剥离示意图。
图6为应用本发明时的晶锭剥离示意图。
附图标记为：1、激光发生器；2、扩束镜；3、反射镜；4、加工头；5、激光束；6、晶锭；7、聚焦平面；8、精密运动平台；9、超声波换能器；10、超声波工具头；11、改质点；12、待加工点；13、裂纹；14、改质层；15、超声波作用区域。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种超声协同激光的晶锭剥离方法，用于剥离晶锭。该种超声协同激光的晶锭剥离方法应用了激光加工系统、精密运动平台8以及超声波振动器。
请参阅图2，激光加工系统包括激光发生器1、扩束镜2、反射镜3以及加工头4，其中，激光发生器1、扩束镜2和反射镜3依次水平布置，加工头4的主光轴沿竖直方向，激光发生器1产生的激光束5经过扩束镜2扩束后到达反射镜3，反射镜3将激光束5反射至加工头4，激光束5经加工头4聚焦直至在待加工物上形成焦点；加工头4装设在激光加工系统的位移机构上，使加工头4能够移动，进而控制激光束5的运动。
超声波振动器包括超声波发生器和超声波换能器9，超声波发生器与超声波换能器9电性连接，超声波发生器向超声波换能器9通入高频交流电，使超声波换能器9发生超声振动；超声波换能器9的振动头上连接有超声波工具头10，该超声波工具头10的一面为与晶锭6的圆柱面匹配的内凹弧面，超声波工具头10与晶锭6的圆柱面接触时，超声波换能器9的超声振动能够传递至晶锭6。
精密运动平台8包括用于沿X轴方向移动晶锭6的X轴运动组件、用于沿Y轴方向移动晶锭6的Y轴运动组件以及用于绕Z轴旋转晶锭6的Z轴转台；具体地，X轴运动组件和Y轴运动组件均为伺服电机驱动的电动滑台，Z轴转台为伺服电机驱动的电动转台，Y轴运动组件设在X轴运动组件的滑台上，Z轴转台设在Y轴运动组件的滑台上。
精密运动平台8上设有用于夹持晶锭6的夹具，该夹具的夹持部位是与晶锭6的圆柱面匹配的内凹弧面，夹具固定在精密运动平台8的Z轴转台上，使精密运动平台8的X轴运动组件和Y轴运动组件能够带动晶锭6沿X轴和Y轴方向移动，并且使晶锭6的中轴与Z轴转台的转轴重合，使精密运动平台8的Z轴转台能够带动晶锭6绕Z轴旋转。
请参阅图1-图4，该种超声协同激光的晶锭剥离方法包括下述步骤：
S1、沿X轴和Y轴方向移动晶锭6，确定晶锭6在X轴和Y轴上的初始加工位置。
本步骤中，工作人员或者机器人预先将晶锭6固定在精密运动平台8的夹具上，使晶锭6能够随精密运动平台8移动。
S2、根据晶锭6所需的剥离厚度，将激光加工系统的激光束5聚焦在晶锭6的内部，以确定晶锭6在Z轴上的初始加工位置。
本步骤的原理为：将激光束5聚焦在晶锭6需要剥离的内部平面上，该平面称为聚焦平面7，使晶锭6在该聚焦平面7上产生改质点11，改质点11向四周形成裂纹13，待裂纹13在整个聚焦平面7上完全扩散，形成改质层14，即可将晶锭6剥离；上述的，剥离厚度是指聚焦平面7与晶锭6上表面的距离。
S3、控制激光束5从初始加工位置开始，按预设的加工轨迹运动，同时开启超声波振动器并沿XY平面振动。
在X轴、Y轴以及Z轴上的初始加工位置确定后，即可通过控制激光加工系统，从而控制激光束5的运动；加工轨迹为一系列的待加工点12，激光束5依次聚焦在各个待加工点12上，使待加工点12成为改质点11，各个待加工点12的连线即形成加工轨迹；加工轨迹预先设置并存储在激光加工系统的存储器上，在加工时，激光加工系统读取存储器上的加工轨迹，以控制激光加工系统的位移机构作相应的运动，进而控制激光束5的运动；开启超声波振动器的超声波发生器，超声波发生器向超声波换能器9通入高频交流电，进而使超声波换能器9发生超声振动，超声振动通过超声波工具头10传递至晶锭6。
请参阅图3，在一些可能的实施例中，激光束5在XY平面上沿直线运动，即加工轨迹为直线；请参阅图4，在另一些可能的实施例中，激光束5在XY平面上沿曲线运动，即加工轨迹为曲线。
S4、激光束5按加工轨迹运动完成后，关闭激光加工系统。
S5、绕Z轴旋转晶锭6，超声波振动器继续沿XY平面振动，直至裂纹13沿XY平面完全扩展后关闭超声波振动器，得到剥离后的晶锭6。
请参阅图5，以往的，将激光束5聚焦在聚焦平面7上，使晶锭6在该聚焦平面7上产生改质点11，改质点11向四周形成裂纹13，裂纹13的延伸方向并不局限于XY平面，同时也会向上下方向延伸，这样会造成改质层14的厚度较高，剥离后的晶锭6需要通过抛光工艺去除整个改质层14，才可得到成品晶圆。
请参阅图6，采用该种超声协同激光的晶锭剥离方法，此时裂纹13仍以改质点11为起点向四周延伸，但在超声波的协同作用下，裂纹13会更快地延伸，且裂纹13的延伸区域仅局限于超声波作用区域15，待裂纹13沿聚焦平面7完全扩展后关闭超声波振动器，关闭超声波振动器即可使裂纹13停止延伸，剥离时，晶锭6的改质层14厚度较低，有效节约晶锭6材料，同时提高了工作效率。
在步骤S3-步骤S5中，通过监测装置检测晶锭6内部的裂纹13扩展状态。监测装置包括工业相机与声发射传感器，工业相机和声发射传感器均与工控计算机信号连接，该工控计算机是激光加工系统、精密运动平台8以及超声波振动器的上位机；工业相机将获取的晶锭6图像传输至工控计算机，以便直接在线观测晶锭6的加工形貌；晶锭6内部的裂纹13扩展时产生声发射现象，声发射传感器通过检测晶锭6内部的声发射现象，以确定晶锭6内部的裂纹13扩展状态。
进一步地，激光束5的脉宽为200fs～10ns。
进一步地，激光束5的波长为355nm～1064nm。
进一步地，激光束5的功率为1W～10W。
进一步地，激光束5的重复频率为50kHz～200kHz。
进一步地，激光束5的运动速度为50mm/s～200mm/s；其中，激光束5的运动速度是指，激光束5的聚焦点沿按预设的加工轨迹在XY平面上运动时的速度，激光束5在XY平面上沿曲线运动时，该速度为线速度。
进一步地，超声波振动器的振动频率为100Hz～50kHz。
进一步地，晶锭6的剥离厚度为200μm～600μm，剥离厚度是指聚焦平面7与晶锭6上表面的距离。
实施例一：
本实施例提供一种超声协同激光的晶锭剥离方法，具体为：
工作人员或者机器人预先将晶锭6固定在精密运动平台8的夹具上，沿X轴和Y轴方向移动晶锭6，确定晶锭6在X轴和Y轴上的初始加工位置，将激光加工系统的激光束5聚焦在距晶锭6上表面400μm的平面上，从而确定晶锭6在Z轴上的初始加工位置。从初始加工位置开始，采用脉宽300fs、波长1064nm、功率2W、重复频率150kHz的激光束5按预设的直线加工轨迹，以200mm/s的速度运动，同时开启超声波振动器并沿XY平面振动，振动频率为200Hz，振动方向与加工轨迹成30°的夹角，激光束5按加工轨迹运动完成后，关闭激光加工系统，绕Z轴旋转晶锭6，超声波振动器继续沿XY平面振动，振动频率为30kHz，直至监测装置检测到裂纹13沿XY平面完全扩展后关闭超声波振动器，得到剥离后的晶锭6。将晶锭6的剥离表面进行抛光，除去改质层14，即可得到成品晶圆。
实施例二：
本实施例提供一种超声协同激光的晶锭剥离方法，具体为：
工作人员或者机器人预先将晶锭6固定在精密运动平台8的夹具上，沿X轴和Y轴方向移动晶锭6，确定晶锭6在X轴和Y轴上的初始加工位置，将激光加工系统的激光束5聚焦在距晶锭6上表面250μm的平面上，从而确定晶锭6在Z轴上的初始加工位置。从初始加工位置开始，采用脉宽10ps、波长1030nm、功率5W、重复频率120kHz的激光束5按预设的直线加工轨迹，以200mm/s的速度运动，同时开启超声波振动器并沿XY平面振动，振动频率为300Hz，振动方向与加工轨迹成60°的夹角，激光束5按加工轨迹运动完成后，关闭激光加工系统，绕Z轴旋转晶锭6，超声波振动器继续沿XY平面振动，振动频率为40kHz，直至监测装置检测到裂纹13沿XY平面完全扩展后关闭超声波振动器，得到剥离后的晶锭6。将晶锭6的剥离表面进行抛光，除去改质层14，即可得到成品晶圆。
实施例三：
本实施例提供一种超声协同激光的晶锭剥离方法，具体为：
工作人员或者机器人预先将晶锭6固定在精密运动平台8的夹具上，沿X轴和Y轴方向移动晶锭6，确定晶锭6在X轴和Y轴上的初始加工位置，将激光加工系统的激光束5聚焦在距晶锭6上表面400μm的平面上，从而确定晶锭6在Z轴上的初始加工位置。从初始加工位置开始，采用脉宽6ns、波长1064nm、功率2W、重复频率100kHz的激光束5按预设的曲线加工轨迹，以120mm/s的速度运动，同时开启超声波振动器并沿XY平面振动，振动频率为350Hz，振动方向与加工轨迹成10°的夹角，激光束5按加工轨迹运动完成后，关闭激光加工系统，绕Z轴旋转晶锭6，超声波振动器继续沿XY平面振动，振动频率为25kHz，直至监测装置检测到裂纹13沿XY平面完全扩展后关闭超声波振动器，得到剥离后的晶锭6。将晶锭6的剥离表面进行抛光，除去改质层14，即可得到成品晶圆。
实施例四：
本实施例提供一种超声协同激光的晶锭剥离方法，具体为：
工作人员或者机器人预先将晶锭6固定在精密运动平台8的夹具上，沿X轴和Y轴方向移动晶锭6，确定晶锭6在X轴和Y轴上的初始加工位置，将激光加工系统的激光束5聚焦在距晶锭6上表面270μm的平面上，从而确定晶锭6在Z轴上的初始加工位置。从初始加工位置开始，采用脉宽800fs、波长532nm、功率3W、重复频率80kHz的激光束5按预设的曲线加工轨迹，以80mm/s的速度运动，同时开启超声波振动器并沿XY平面振动，振动频率为400Hz，振动方向与加工轨迹成45°的夹角，激光束5按加工轨迹运动完成后，关闭激光加工系统，绕Z轴旋转晶锭6，超声波振动器继续沿XY平面振动，振动频率为35kHz，直至监测装置检测到裂纹13沿XY平面完全扩展后关闭超声波振动器，得到剥离后的晶锭6。将晶锭6的剥离表面进行抛光，除去改质层14，即可得到成品晶圆。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种超声协同激光的晶锭剥离方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、沿X轴和Y轴方向移动晶锭，确定晶锭在X轴和Y轴上的初始加工位置；
S2、根据晶锭所需的剥离厚度，将激光加工系统的激光束聚焦在晶锭的内部，以确定晶锭在Z轴上的初始加工位置；
S3、控制激光束从所述初始加工位置开始，按预设的加工轨迹运动，同时开启超声波振动器并沿XY平面振动；
S4、激光束按所述加工轨迹运动完成后，关闭所述激光加工系统；
S5、绕Z轴旋转晶锭，所述超声波振动器继续沿XY平面振动，直至裂纹沿XY平面完全扩展后关闭所述超声波振动器，得到剥离后的晶锭。
2.根据权利要求1所述的超声协同激光的晶锭剥离方法，其特征在于：在步骤S3-步骤S5中，通过监测装置检测晶锭内部的裂纹扩展状态。
3.根据权利要求1所述的超声协同激光的晶锭剥离方法，其特征在于：激光束在XY平面上沿直线或者曲线运动。
4.根据权利要求1所述的超声协同激光的晶锭剥离方法，其特征在于：晶锭固定在精密运动平台上，所述精密运动平台包括用于沿X轴方向移动晶锭的X轴运动组件、用于沿Y轴方向移动晶锭的Y轴运动组件以及用于绕Z轴旋转晶锭的Z轴转台。
5.根据权利要求1-4任一所述的超声协同激光的晶锭剥离方法，其特征在于：激光束的脉宽为200fs～10ns。
6.根据权利要求1-4任一所述的超声协同激光的晶锭剥离方法，其特征在于：激光束的波长为355nm～1064nm。
7.根据权利要求1-4任一所述的超声协同激光的晶锭剥离方法，其特征在于：激光束的功率为1W～10W；激光束的重复频率为50kHz～200kHz。
8.根据权利要求1-4任一所述的超声协同激光的晶锭剥离方法，其特征在于：激光束的运动速度为50mm/s～200mm/s。
9.根据权利要求1-4任一所述的超声协同激光的晶锭剥离方法，其特征在于：所述超声波振动器的振动频率为100Hz～50kHz。
10.根据权利要求1-4任一所述的超声协同激光的晶锭剥离方法，其特征在于：晶锭的剥离厚度为200μm～600μm。
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