CN112404697A - 一种晶圆剥离方法及晶圆剥离装置 - Google Patents
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Abstract
一种晶圆剥离方法及晶圆剥离装置，属于半导体材料技术领域。晶圆剥离方法包括：在晶锭表面形成一层固体冷媒，使用激光束从固体冷媒表面开始加工，激光束作用于固体冷媒表面后，固体冷媒与激光束接触的区域被去除，激光束与晶锭直接接触并在晶锭内部加工出改质点，激光束相对于晶锭运动过程中依次在晶锭内部加工出连续的多个改质点，多个改质点形成改质层，当改质层贯穿于晶锭内部，剥离得到晶圆。每加工完预设面积的改质点或改质层后且激光束运动到下一个待加工改质点的区域后，在裸露的晶锭表面重新形成固体冷媒。固体冷媒能够对激光束作用点周边的未加工区域进行有效保护，增强晶锭内部诱导的内应力，提高剥离晶圆的质量。
Description
技术领域
本申请涉及半导体材料技术领域，具体而言，涉及一种晶圆剥离方法及晶圆剥离装置。
背景技术
晶圆作为半导体制造领域的基础材料，通常采用金刚石线切割晶锭的方式获得。此种传统加工方法存在加工效率低、材料损耗大等问题，已无法满足当今晶圆生产的需求。通过激光在晶锭内部加工出改质层，再通过外力剥离加工的方法是未来发展的方向，但晶锭改质层加工的不确定性是一大难题。
发明内容
本申请提供了一种晶圆剥离方法及晶圆剥离装置，其能够使激光的作用局限于改质层区域，以获得高质量的剥离晶圆。
本申请的实施例是这样实现的：
在第一方面，本申请示例提供了一种晶圆剥离方法，其包括：在晶锭表面形成一层固体冷媒，使用激光束从固体冷媒表面开始加工，激光束作用于固体冷媒表面后，固体冷媒与激光束接触的区域被去除，激光束与晶锭直接接触并在晶锭内部加工出改质点，激光束相对于晶锭运动过程中依次在晶锭内部加工出连续的多个改质点，多个改质点形成改质层，当改质层贯穿于晶锭内部，剥离得到晶圆。
每加工完预设面积的改质点或改质层后且激光束运动到下一个待加工改质点的区域后，在裸露的晶锭表面重新形成一层固体冷媒。
在上述技术方案中，本申请在激光束于晶锭内部加工形成改质层前，先在晶锭表面形成一层固体冷媒，并且在激光束对晶锭进行加工的过程中，不断的补充被去除的固体冷媒。当激光束对晶锭进行加工时，固体冷媒能够对激光束作用点周边的未加工区域进行有效保护，增强晶锭内部诱导的内应力，提高改质层的可控性，提高剥离晶圆的质量。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第一种可能的示例中，上述每加工完一个改质点后且激光束运动到下一个待加工改质点的区域后，在裸露的晶锭表面重新形成一层固体冷媒。
在上述示例中，以形成每一个改质点为一个周期，即每完成一个改质点后立即在此改质点上侧形成一层固体冷媒。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第二种可能的示例中，上述固体冷媒包括冰。
可选地，先在晶锭表面注入液体水，再通入冷却气体使晶锭表面的液体水凝固成冰。
可选地，同时在晶锭表面注入液体水和通入冷却气体使晶锭表面的液体水凝固成冰。
在上述示例中，当激光束接触到冰后，冰受热升华或融化成水后，水气化从而使冰被去除。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第三种可能的示例中，冷却气体包括由液氮气化得到的携带冷量的气体。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第四种可能的示例中，上述激光束的脉宽为200fs～10ns，波长为355nm～1064nm，功率为1W～10W，扫描速度为50mm/s～500mm/s。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第五种可能的示例中，上述晶锭包括硅、碳化硅、蓝宝石或氮化镓。
在第二方面，本申请示例提供了一种用于实施上述晶圆剥离方法的晶圆剥离装置，其包括平台、用于放置晶锭的容器和用于发出激光束的激光器。
容器设置于平台上且容器上端开口，容器的上端部设置有至少两个相对布置的进液口和至少一个进气口。
激光器位于容器的上侧使激光束能够作用于固体冷媒或晶锭表面与内部。
在上述技术方案中，将放置晶锭的容器放置于平台，在激光束形成改质层的过程中，激光束相对于晶锭运动，从而使激光束能够在晶锭中加工出连续的多个改质点，连续的多个改质点形成改质层。进液口用于向晶锭的上表面通入液体水。激光束在形成改质层的过程中作用于晶锭的不同位置，选择远离激光束作用点的进液口向裸露的晶锭的上表面通入液体水。进气口用于向晶锭的上侧通入冷却气体，冷却气体能够使液体水固化成冰，进而对激光束作用点周边的未加工区域进行有效保护，增强晶锭内部诱导的内应力，提高改质层的可控性，提高剥离晶圆的质量。
结合第二方面，在本申请的第二方面的第一种可能的示例中，上述平台包括精密运动平台。
在上述示例中，激光束不运动，由精密运动平台使得晶锭运动，从而使激光束能够在晶锭中加工出连续的多个改质点。精密运动平台能够严格控制激光束在晶锭上行走的路径，使形成的改质层的可控性提高。
结合第二方面，在本申请的第二方面的第二种可能的示例中，上述晶圆剥离装置还包括扩束镜、反射镜和聚焦镜，扩束镜、反射镜和聚焦镜依次设置于激光束的路径上。
结合第二方面，在本申请的第二方面的第三种可能的示例中，上述晶圆剥离装置还包括用于监测改质层的监测装置，监测装置包括红外测温模块、声发射模块和CCD系统。
在上述示例中，监测装置分别通过测量温度、声波传递信号及改质层的影像，实时监测改质层的形成状态。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例的晶圆剥离装置的结构示意图；
图2为本申请实施例的晶圆剥离装置注入液体水的示意图；
图3为本申请实施例的晶圆剥离装置通入冷却气体的示意图；
图4为本申请实施例的晶圆剥离流程的第一示意图；
图5为本申请实施例的晶圆剥离流程的第二示意图；
图6为本申请实施例的晶圆剥离流程的第三示意图；
图7为本申请实施例的晶圆剥离流程的俯视图；
图8为本申请实施例的晶圆剥离的示意图。
图标：10-晶圆剥离装置；100-平台；200-容器；201-进液口；202-进气口；300-激光器；301-激光束；400-晶锭；410-改质层；420-晶圆；430-改质点；500-液体水；600-冰；710-扩束镜；720-反射镜；730-聚焦镜；800-焦平面。
具体实施方式
下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下针对本申请实施例的一种晶圆剥离方法及晶圆剥离装置进行具体说明：
本申请提供一种晶圆剥离方法，其包括：在晶锭表面形成一层固体冷媒，使用激光束从固体冷媒表面开始加工，激光束作用于固体冷媒表面后，固体冷媒与激光束接触的区域被去除，激光束与晶锭直接接触并在晶锭内部加工出改质点，激光束相对于晶锭运动过程中依次在晶锭内部加工出连续的多个改质点，多个改质点形成改质层，当改质层贯穿于晶锭内部，剥离得到晶圆。
为了使形成的改质点或改质层能够得到固体冷媒的有效保护，每加工完预设面积的改质点或改质层后且激光束运动到下一个待加工改质点的区域后，在裸露的晶锭表面重新形成一层固体冷媒。
例如，激光束每形成一个或多个连续的改质点后，并且激光束已经运动到下一个待加工改质点的区域后，在形成的一个或多个连续的改质点上形成一层固体冷媒。
或，激光束每形成单位面积的改质层后，并且激光束已经运动到下一个待加工改质点的区域后，在形成的单位面积的改质层上形成一层固体冷媒。
可选地，每加工完一个改质点后且激光束运动到下一个待加工改质点的区域后，在裸露的晶锭表面重新形成一层固体冷媒。
本申请实施例中，每加工完一个改质点后且激光束运动到下一个待加工改质点的区域后，在裸露的晶锭表面重新形成一层固体冷媒，可以及时的使已经形成的改质点得到有效保护，从而增强晶锭内部诱导的内应力，提高改质层的可控性，提高剥离晶圆的质量。
固体冷媒包括冰。
可选地，先在晶锭表面注入液体水，再通入冷却气体使晶锭表面的液体水凝固成冰。
可选地，同时在晶锭表面注入液体水和通入冷却气体使晶锭表面的液体水凝固成冰。
可选地，冷却气体包括由液氮气化得到的携带冷量的气体。
当激光束接触到冰后，冰受热升华或融化成水后，水气化从而使冰被去除。
需要说明的是，本申请并不限定通入冷却气体和液体水的顺序，只要最终能够在裸露的晶锭表面形成一层冰即可。
在本申请的其他一些实施方式中，固体冷媒还可以为固体酒精等。
可选地，激光束的脉宽为200fs～10ns，波长为355nm～1064nm，功率为1W～10W，扫描速度为50mm/s～500mm/s。
可选地，晶锭包括硅、碳化硅、蓝宝石或氮化镓。
请参阅图1，本申请还提供一种于实施上述晶圆剥离方法的晶圆剥离装置10，其包括平台100、容器200和激光器300。
其中，晶锭400设置于容器200内，容器200设置于平台100上，且容器200上端开口使晶锭400的上表面裸露。
激光器300位于容器200的上侧使激光束301能够作用于固体冷媒或晶锭400表面与内部。
在如图1所示的实施例中，平台100包括精密运动平台。将放置晶锭400的容器200放置于精密运动平台上，精密运动平台可沿X轴、Y轴和Z轴运动，在激光束301形成改质层410的过程中，激光束301不运动，由精密运动平台使得晶锭400运动，从而使激光束301能够在晶锭400中加工出连续的多个改质点，连续的多个改质点形成改质层410。精密运动平台能够严格控制激光束301在晶锭400上行走的路径，使形成的改质层410的可控性提高。在本申请的其他一些实施方式中，也可以是激光束301运动位置，而平台100不运动，实现激光束301相对于晶锭400运动。
容器200的上端部设置有至少两个相对布置的进液口201和至少一个进气口202。
进液口201用于向晶锭400的上表面通入液体水500。激光束301在精密运动平台的运动过程中可能作用于晶锭400的不同位置，这时候需要选择远离激光束301作用点的进液口201向裸露的晶锭400的上表面通入液体水500。进气口202用于向晶锭400的上侧通入冷却气体，冷却气体能够使液体水500固化成冰600。
在如图1所示的实施例中，容器200的上端部设置有两个相对布置的进液口201和两个相对布置的进气口202，其中一个进液口201和一个进气口202设置于容器200的左侧，另一个进液口201和另一个进气口202设置于容器200的右侧，并且在容器200的左侧和右侧，进液口201均设置于进气口202的上侧。在本申请的其他一些实施例中，容器200的上端部还可以设置有三个及以上的进液口201，多个进液口201间隔环绕于容器200的上端部布置；容器200的上端部还可以设置有一个或三个及以上的进气口202，当进气口202的数量为一个时，此进气口202可以设置于容器200的上端部的任意位置，当进气口202的数量为三个及以上时，多个进气口202间隔环绕于容器200的上端部布置。
晶圆剥离装置10还包括扩束镜710、反射镜720和聚焦镜730，扩束镜710、反射镜720和聚焦镜730依次设置于激光束301的路径上。
激光器300发出激光束301后，激光束301依次经过扩束镜710、反射镜720和聚焦镜730后到达晶锭400的上表面，进而对晶锭400的内部进行加工形成改质层410。
晶圆剥离装置10还包括用于监测改质层410的监测装置(图未示)，监测装置包括红外测温模块、声发射模块和CCD系统。
监测装置分别通过测量温度、声波传递信号及改质层410的影像，实时监测改质层410的形成状态。
请参阅图2～3，将待剥离的晶锭400置于容器200中，并将容器200放置于精密运动平台上，移动精密运动平台的X轴和Y轴，以选定加工区域，同时运动Z轴，使得激光束301的焦平面800位于晶锭400内部。通过容器200的进液口201向晶锭400的上表面通入液体水500，并且通过容器200的进气口202向晶锭400上侧通入冷却气体，使得覆盖于晶锭400上表面的液体水500固化成冰600。
请参阅图4～6，开启激光器300，激光束301从冰600的表面开始加工，激光束301作用于冰600的表面后，冰600受热升华或溶解成水后，水蒸发，冰600与激光束301接触的区域被去除后，激光束301与晶锭400直接接触并在晶锭400内部加工出改质点，精密运动平台运动，使得激光束301在晶锭400内部加工出连续的多个改质点，多个改质点形成改质层410。
请参阅图7，随着晶锭400表面的冰600被去除，通过进液口201向晶锭400的上表面通入液体水500，并且通过进气口202向晶锭400的上侧通入冷却气体，液体水500凝固成冰600使的完成加工的改质点430或改质层410的上侧重新覆盖一层冰600。
激光的热作用与液体水500、冷却气体以及固体的相互作用，可在晶锭400内部诱导出更大的应力，利于改质层410的形成。
请参阅图8，当改质层410完全贯穿于晶锭400内部时，即可从晶锭400上剥离得到晶圆420成品。
以下结合实施例对本申请的一种晶圆剥离方法及晶圆剥离装置10作进一步的详细描述。
实施例1
本申请实施例提供一种晶圆剥离方法，其包括：
将待剥离的碳化硅晶锭400置于容器200中，并将容器200放置于精密运动平台上，移动精密运动平台的X轴和Y轴，以选定加工区域，同时运动Z轴，使得激光束301的焦平面800位于碳化硅晶锭400内部。
通过容器200的进液口201向碳化硅晶锭400的上表面通入液体水500，并且通过容器200的进气口202向碳化硅晶锭400上侧通入液氮，使得覆盖于碳化硅晶锭400上表面的液体水500固化成冰600。
开启激光器300，采用脉宽为4ns、波长为1030nm、功率为5W的激光束301以120mm/s的扫描速度从冰600表面开始加工，激光束301作用于冰600的表面后，冰600受热升华或溶解成水后，水蒸发，冰600与激光束301接触的区域被去除后，激光束301与碳化硅晶锭400直接接触并在碳化硅晶锭400内部加工出改质点，精密运动平台运动，使得激光束301在碳化硅晶锭400内部加工出连续的多个改质点，多个改质点形成改质层410。
随着碳化硅晶锭400表面的冰600被去除，通过远离加工区域的进液口201向碳化硅晶锭400的上表面通入液体水500，并且通过进气口202向碳化硅晶锭400的上侧通入液氮，液体水500凝固成冰600使的完成加工的改质点或改质层410的上侧重新覆盖一层冰600。加工过程由监测装置实时监测，当改质层410完全贯穿于碳化硅晶锭400内部时，即可从碳化硅晶锭400上剥离得到碳化硅晶圆420成品。
实施例2
本申请实施例提供一种晶圆剥离方法，其包括：
将待剥离的硅晶锭400置于容器200中，并将容器200放置于精密运动平台上，移动精密运动平台的X轴和Y轴，以选定加工区域，同时运动Z轴，使得激光束301的焦平面800位于硅晶锭400内部。
通过容器200的进液口201向硅晶锭400的上表面通入液体水500，并且通过容器200的进气口202向硅晶锭400上侧通入液氮，使得覆盖于硅晶锭400上表面的液体水500固化成冰600。
开启激光器300，采用脉宽为800fs、波长为1030nm、功率为3W的激光束301以350mm/s的扫描速度从冰600表面开始加工，激光束301作用于冰600的表面后，冰600受热升华或溶解成水后，水蒸发，冰600与激光束301接触的区域被去除后，激光束301与硅晶锭400直接接触并在硅晶锭400内部加工出改质点，精密运动平台运动，使得激光束301在硅晶锭400内部加工出连续的多个改质点，多个改质点形成改质层410。
随着硅晶锭400表面的冰600被去除，通过远离加工区域的进液口201向硅晶锭400的上表面通入液体水500，并且通过进气口202向硅晶锭400的上侧通入液氮，液体水500凝固成冰600使的完成加工的改质点或改质层410的上侧重新覆盖一层冰600。加工过程由监测装置实时监测，当改质层410完全贯穿于硅晶锭400内部时，即可从硅晶锭400上剥离得到硅晶圆420成品。
实施例3
本申请实施例提供一种晶圆剥离方法，其包括：
将待剥离的蓝宝石晶锭400置于容器200中，并将容器200放置于精密运动平台上，移动精密运动平台的X轴和Y轴，以选定加工区域，同时运动Z轴，使得激光束301的焦平面800位于蓝宝石晶锭400内部。
通过容器200的进液口201向蓝宝石晶锭400的上表面通入液体水500，并且通过容器200的进气口202向蓝宝石晶锭400上侧通入液氮，使得覆盖于蓝宝石晶锭400上表面的液体水500固化成冰600。
开启激光器300，采用脉宽为10ps、波长为532nm、功率为2W的激光束301以80mm/s的扫描速度从冰600表面开始加工，激光束301作用于冰600的表面后，冰600受热升华或溶解成水后，水蒸发，冰600与激光束301接触的区域被去除后，激光束301与蓝宝石晶锭400直接接触并在蓝宝石晶锭400内部加工出改质点，精密运动平台运动，使得激光束301在蓝宝石晶锭400内部加工出连续的多个改质点，多个改质点形成改质层410。
随着蓝宝石晶锭400表面的冰600被去除，通过远离加工区域的进液口201向蓝宝石晶锭400的上表面通入液体水500，并且通过进气口202向蓝宝石晶锭400的上侧通入液氮，液体水500凝固成冰600使的完成加工的改质点或改质层410的上侧重新覆盖一层冰600。加工过程由监测装置实时监测，当改质层410完全贯穿于蓝宝石晶锭400内部时，即可从蓝宝石晶锭400上剥离得到蓝宝石晶圆420成品。
对比例1
本申请对比例提供一种晶圆剥离方法，其包括：
将待剥离的碳化硅晶锭400置于容器200中，并将容器200放置于精密运动平台上，移动精密运动平台的X轴和Y轴，以选定加工区域，同时运动Z轴，使得激光束301的焦平面800位于碳化硅晶锭400内部。
开启激光器300，采用脉宽为4ns、波长为1030nm、功率为5W的激光束301以120mm/s的扫描速度从碳化硅晶锭400表面开始加工并在碳化硅晶锭400内部加工出改质点，精密运动平台运动，使得激光束301在碳化硅晶锭400内部加工出连续的多个改质点，多个改质点形成改质层410。
加工过程由监测装置实时监测，当改质层410完全贯穿于碳化硅晶锭400内部时，即可从碳化硅晶锭400上剥离得到碳化硅晶圆420成品。
对比例2
本申请对比例提供一种晶圆剥离方法，其包括：
将待剥离的碳化硅晶锭400置于容器200中，并将容器200放置于精密运动平台上，移动精密运动平台的X轴和Y轴，以选定加工区域，同时运动Z轴，使得激光束301的焦平面800位于碳化硅晶锭400内部。
通过容器200的进液口201向碳化硅晶锭400的上表面通入液体水500，并且通过容器200的进气口202向碳化硅晶锭400上侧通入液氮，使得覆盖于碳化硅晶锭400上表面的液体水500固化成冰600。
开启激光器300，采用脉宽为4ns、波长为1030nm、功率为5W的激光束301以120mm/s的扫描速度从冰600表面开始加工，激光束301作用于冰600的表面后，冰600受热升华或溶解成水后，水蒸发，冰600与激光束301接触的区域被去除后，激光束301与碳化硅晶锭400直接接触并在碳化硅晶锭400内部加工出改质点，精密运动平台运动，使得激光束301在碳化硅晶锭400内部加工出连续的多个改质点，多个改质点形成改质层410。
加工过程由监测装置实时监测，当改质层410完全贯穿于碳化硅晶锭400内部时，即可从碳化硅晶锭400上剥离得到碳化硅晶圆420成品。
试验例1
对比上述各实施例与对比例，采用冷媒并补充冷媒的实施例1～3可控制晶锭400表面几乎无热作用扩散，晶锭400内部受激光束301的热作用范围小于80μm。对比例1因无冷媒的作用，晶锭400表面及内部受激光束301的热作用范围大于100μm。对比例2因有冷媒作用但无冷媒补充，晶锭400表面的热作用扩散显著低于对比1，但晶锭400内部受激光束301的热作用范围仍大于100μm。
综上所述，本申请实施例的晶圆剥离方法及晶圆剥离装置10在激光束301形成改质层410前，先在晶锭400表面形成一层固体冷媒，并且在激光束301对晶锭400进行加工的过程中，不断的补充被去除的固体冷媒。当激光束301对晶锭400进行加工时，固体冷媒能够对激光束301作用点周边的未加工区域进行有效保护，增强晶锭400内部诱导的内应力，提高改质层410的可控性，提高剥离晶圆420的质量。
以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种晶圆剥离方法，其特征在于，所述晶圆剥离方法包括：在晶锭表面形成一层固体冷媒，使用激光束从所述固体冷媒表面开始加工，所述激光束作用于所述固体冷媒表面后，所述固体冷媒与所述激光束接触的区域被去除，所述激光束与所述晶锭直接接触并在所述晶锭内部加工出改质点，所述激光束相对于晶锭运动过程中依次在所述晶锭内部加工出连续的多个改质点，所述多个改质点形成改质层，当所述改质层贯穿于所述晶锭内部，剥离得到晶圆；
每加工完预设面积的改质点或改质层后且所述激光束运动到下一个待加工改质点的区域后，在裸露的所述晶锭表面重新形成一层固体冷媒。
2.根据权利要求1所述的晶圆剥离方法，其特征在于，每加工完一个改质点后且所述激光束运动到下一个待加工改质点的区域后，在裸露的所述晶锭表面重新形成一层固体冷媒。
3.根据权利要求1所述的晶圆剥离方法，其特征在于，所述固体冷媒包括冰；
可选地，先在所述晶锭表面注入液体水，再通入冷却气体使所述晶锭表面的液体水凝固成冰；
可选地，同时在所述晶锭表面注入液体水和通入冷却气体使所述晶锭表面的液体水凝固成冰。
4.根据权利要求3所述的晶圆剥离方法，其特征在于，所述冷却气体包括由液氮气化得到的携带冷量的气体。
5.根据权利要求1～4任一项所述的晶圆剥离方法，其特征在于，所述激光束的脉宽为200fs～10ns，波长为355nm～1064nm，功率为1W～10W，扫描速度为50mm/s～500mm/s。
6.根据权利要求1～4任一项所述的晶圆剥离方法，其特征在于，所述晶锭包括硅、碳化硅、蓝宝石或氮化镓。
7.一种用于实施权利要求1所述的晶圆剥离方法的晶圆剥离装置，其特征在于，所述晶圆剥离装置包括：
平台；
用于放置所述晶锭的容器，所述容器设置于所述平台上且所述容器上端开口，所述容器的上端部设置有至少两个相对布置的进液口和至少一个进气口；
用于发出所述激光束的激光器，所述激光器位于所述容器的上侧使所述激光束能够作用于所述固体冷媒或所述晶锭表面与内部。
8.根据权利要求7所述的晶圆剥离装置，其特征在于，所述平台包括精密运动平台。
9.根据权利要求7或8所述的晶圆剥离装置，其特征在于，所述晶圆剥离装置还包括扩束镜、反射镜和聚焦镜，所述扩束镜、所述反射镜和所述聚焦镜依次设置于所述激光束的路径上。
10.根据权利要求7或8所述的晶圆剥离装置，其特征在于，所述晶圆剥离装置还包括用于监测改质层的监测装置，所述监测装置包括红外测温模块、声发射模块和CCD系统。
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