CN113228232A - 用于沿激光损伤区域分离晶体材料的载体辅助方法 - Google Patents

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CN113228232A CN201980087197.8A CN201980087197A CN113228232A CN 113228232 A CN113228232 A CN 113228232A CN 201980087197 A CN201980087197 A CN 201980087197A CN 113228232 A CN113228232 A CN 113228232A
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Abstract

用于去除晶体材料(例如SiC)衬底的一部分的方法，包括将衬底的表面接合到刚性载体(例如>800μm厚度)，其中在相对于表面的深度处在衬底内提供表面下的激光损伤区域。具有高于25℃的玻璃化转变温度的粘合材料可以将衬底结合到载体。晶体材料沿表面下的激光损伤区域断裂，以产生包括载体和晶体材料的一部分的结合组件。晶体材料的断裂可以通过以下方式促进：(i)接近于至少一个载体边缘施加机械力以在载体中赋予弯曲力矩；(ii)当载体具有比晶体材料更大的热膨胀系数时冷却载体；和/或(iii)向晶体材料施加超声能量。

Description

用于沿激光损伤区域分离晶体材料的载体辅助方法
相关申请的引证
本申请要求于2019年3月5日提交的美国专利申请第16274,045号、于2019年2月8日提交的美国临时专利申请第62803,333号、于2018年12月29日提交的美国临时专利申请号第62786,335号的优先权，其中，前述申请的全部公开内容通过引证结合于此。
技术领域
本公开涉及用于加工晶体材料的方法，并且更具体地涉及用于从其中具有表面下的激光损伤区域的衬底(诸如，晶锭(boule)或晶圆)分离或去除晶体材料的相对薄层的载体辅助方法。
背景技术
各种微电子、光电和微制造应用需要晶体材料的薄层作为用于制造各种有用系统的起始结构。用于从晶体材料的大直径晶体锭切割薄层(例如，晶圆)的传统方法涉及使用线锯。线锯技术已经应用于各种晶体材料，诸如硅、蓝宝石和碳化硅。线锯工具包括通过一个或多个导辊的凹槽的超细钢丝(通常具有0.2mm或更小的直径)。存在两种切片方法，即松散磨料切片和固定磨料切片。松散磨料切片涉及向高速运行的钢丝施加浆料(通常是油中的磨料悬浮液)，由此钢丝与工件之间的磨料的滚动运动导致锭的切割。不幸的是，浆料的环境影响是相当大的。为了减少这种影响，可以在仅需要水溶性冷却液(不是浆料)的固定磨料切片方法中使用用金刚石磨料固定的线。高效率的平行切片允许在单个切片过程中产生大量的晶圆。图1示出了传统的线锯工具1，其包括在辊4A-4C之间延伸并且布置成将锭2同时锯成多个薄段(例如，晶圆8A-8G)的平行线段3，每个薄段具有大致平行于锭2的端面6的面。在锯切工艺期间，由辊4A-4C支撑的线段3可以在向下方向5上朝向锭2下面的保持器7按压。如果端面6平行于锭2的晶体学c平面，并且线段3平行于端面6锯穿锭2，则每个所得晶圆8A-8G将具有平行于晶体学c平面的“同轴”端面6’。
还有可能产生具有不平行于晶体学c平面的端面的邻位(也称为斜切或“离轴”)晶圆。具有4度斜切的(例如，SiC的)邻位晶圆经常用作用于其他材料(例如，AlN和其他III族氮化物)的高质量外延生长的生长衬底。可以通过在远离c轴线的方向上生长锭(例如，在邻位晶种材料上生长)并且垂直于锭侧壁锯切锭来生产邻位晶圆，或者通过以同轴晶种材料开始生长锭并且以偏离垂直于锭侧壁的角度锯切锭来生产邻位晶圆。
晶体材料的线锯涉及各种限制。基于每次切割去除的材料宽度的切口损失是锯切割固有的，并且表示晶体材料的显著损失。线锯切割向晶圆施加适度的高应力，从而导致非零的弯曲和翘曲特性。单个晶锭(或锭)的加工时间非常长，并且像断线之类的的事件会增加加工时间并且导致不期望的材料损失。晶圆强度可以通过在晶圆的切割表面上剥落和开裂而降低。在线锯加工结束时，必须清除所得晶圆上的碎屑。
在具有高耐磨性(以及与金刚石和氮化硼相当的硬度)的碳化硅(SiC)的情况下，线锯可能需要大量的时间和资源，由此需要大量的生产成本。SiC衬底使得能够制造期望的功率电子器件、射频器件和光电子器件。SiC存在于被称为多型体的许多不同的晶体结构中，其中某些多型体(例如，4H-SiC和6H-SiC)具有六方晶体结构。
图2是表示诸如4H-SiC之类的等六方晶体的坐标系的第一立体图，其中，c平面((0001)平面，对应于外延晶体生长的[0001](垂直)方向)垂直于m平面(
Figure BDA0003138148740000021
平面)和a平面(
Figure BDA0003138148740000022
平面)，其中
Figure BDA0003138148740000023
平面垂直于
Figure BDA0003138148740000024
方向，并且
Figure BDA0003138148740000025
平面垂直于
Figure BDA0003138148740000026
方向。图3是六方晶体的第二立体图晶体平面图，示出不平行于c平面的邻位平面9，其中，向量10(与邻位平面9垂直)远离[0001]方向倾斜倾斜角β，其中倾斜角β(略微)朝向
Figure BDA0003138148740000027
方向倾斜。图4A是示出邻位晶圆11A相对于c平面((0001)平面)的取向的透视图晶圆取向图，其中向量10A(垂直于晶圆面9A)远离[0001]方向倾斜角β。该倾斜角β与在(0001)平面与晶圆面9A的投影12A之间跨越的正交倾斜(或取向偏角)β相等。图4B是叠加在从中限定邻位晶圆11A的锭14A(例如，具有平行于(0001)平面的端面6A的同轴锭)的一部分上方的邻位晶圆11A的简化截面图。图4B示出邻位晶圆11A的晶圆面9A相对于(0001)平面错开倾斜角β。
图5是示例性SiC晶圆25的俯视平面图，该晶圆包括上表面26(例如，平行于(0001)平面(c平面)并且垂直于[0001]方向)并且由通常圆形边缘27(具有直径D)横向界定，该圆形边缘包括垂直于
Figure BDA0003138148740000028
平面的主平坦部28(具有长度LF)并且平行于
Figure BDA0003138148740000029
方向。
由于与制造和加工SiC相关的困难，SiC器件晶圆(device wafer)相对于各种其他晶体材料的晶圆成本较高。从线锯SiC获得的典型切口损失可以是每个晶圆约250微米或更大，考虑到由线锯工艺产生的晶圆可以是约350微米厚并且随后变薄(通过研磨)至约100至180微米的最终厚度(取决于最终用途)，这是非常重要的。考虑到线锯和器件制造问题，将晶圆切成薄于约350微米是不切实际的。
为了寻求解决与线锯有关的限制，已经开发了用于从块状晶体去除晶体材料的薄层的替代技术。一种称为控制剥落技术的技术通过在衬底(例如，Ge(001))的表面上沉积拉伸应力层(例如，镍)，在衬底边缘附近引入裂纹，并且机械地引导裂纹(例如，使用柔性处理层，例如胶带)作为沿表面的单个断裂前部(参见Bedell等人，J.Phys.D：Appl.Phys.46(2013))。然而，这种技术可能导致施加非常高的应力和去除层的过度弯曲。另一种涉及从较大晶体中去除碳化硅层的技术在Kim等人的“使用飞秒激光双脉冲切割4H-SiC晶圆(4H-SiC wafer slicing by using femtosecond laser double pulses)”，光学材料快报(Optical Materials Express)2450，第7卷，第7期(2017年)中进行了描述。这种技术涉及通过在碳化硅上进行激光脉冲冲击来形成激光写入轨迹以引起表面下的损伤，随后将晶体粘附到锁定夹具并且施加张力以沿表面下的损伤区域实现断裂。使用激光来弱化材料中的特定区域，随后在这些区域之间断裂，减少了激光扫描时间。然而，令人怀疑的是，前述断裂技术是否可以用于可靠地从锭中去除薄晶圆而不会破裂和/或是否可以按比例扩大到商业规模。本领域中已知的用于沿晶体材料的激光诱导表面下的损伤区域实现断裂的另一技术包括对晶体材料施加超声能量，但是这种用于获得薄晶圆(例如，350微米或更小)的方法的可靠性已经被质疑，因为超声波断裂需要更高程度的激光损伤，并且当应用于薄晶圆时可能导致更高的晶圆断裂率。
美国专利申请公开号2010/0289189A1中公开的另一种技术包括在固态材料上方施加聚合物层(例如，聚(二甲基硅氧烷)(PDMS))，并且将固态材料和聚合物层(最初在不高于300℃)暴露于低于室温的温度(或低于约-20℃的温度)。这种冷却导致聚合物层收缩，由此在固态材料中引起机械应力，该机械应力使材料沿材料中的深度处的平面断裂。PDMS是交联聚合物，并且其硬度可以通过改变交联密度(例如，通过改变固化剂与预聚物的重量比，并且通过改变固化条件)来控制。即使努力提高其机械性能，据报道，PDMS的杨氏模量值也低于约4MPa。参见，例如，Kim等人，J.Micromech.Microeng.23(2013)095024。
美国专利申请公开号2018/0126484A1中公开了一种用于从块状晶体中去除晶体材料的薄层的进一步技术。激光辐射照射在固态材料上以产生脱离区或多个部分脱离区，随后形成聚合物接收层(例如，PDMS)并且冷却(可选地与高速旋转组合)以诱发机械应力，该机械应力使固态材料的薄层沿分离区与材料的其余部分分离。
依赖于聚合物层界面断裂的技术的一个缺点是所得晶圆可能表现出不期望的高水平弯曲。依赖于聚合物层界面断裂的技术的另一缺点是：可能需要相当长的时间(例如，30分钟或更长)来将聚合物层施加和固化在固态材料上，并且需要额外的时间来从所得晶圆上去除聚合物材料。需要聚合物层的技术的另一限制是此类聚合物层可能不适于承受可能需要精确尺寸的后续晶圆加工步骤。
美国专利申请公开号2018/0243944 A1中公开了一种用于从块状晶体中去除晶体材料的薄层的的又一技术。将激光辐射照射在供体衬底上以指定裂纹路径，载体衬底(即，具有小于800微米的厚度)经由结合层、应力产生层(例如，PDMS层)设置在载体衬底上，并且应力产生层被热加载(即，用冷却剂，特别是液氮冷却)以通过载体衬底和结合层传递应力，从而在供体衬底中产生应力以触发在裂纹路径上传播以从供体衬底去除固体层(和结合到其的载体衬底)的裂纹。供体衬底和载体衬底优选由相同的材料组成，但可以由不同的材料组成。载体衬底的有限最大厚度似乎是使应力能够从应力产生层传播到供体衬底所必需的。上述技术的一个限制是需要在供体衬底上提供至少三层。另一限制是该技术似乎限于在非常低(例如，液氮)温度下进行热诱导冷却。又一限制是载体衬底的最大厚度不能超过800微米，由此潜在地限制了结合组件在与供体衬底分离之后的刚性。又一限制是重新使用载体衬底将需要从其相对面去除不同组成的残余材料(即，粘合层材料和应力产生层材料)。
因此，本领域继续寻求解决与常规方法相关的问题的用于从衬底分离或去除相对薄的晶体材料层的改进方法。
发明内容
本公开在各个方面涉及晶体材料加工方法，该方法包括将载体(例如，刚性载体)接合到在相对于表面的非零深度处具有表面下的激光损伤的晶体材料的表面，随后沿表面下的激光损伤区域使晶体材料断裂。这种断裂产生结合组件，该结合组件包括衬底和从衬底去除的晶体材料的一部分。在不需要布置在载体上方的单独的应力产生层的情况下进行断裂。可以重复前述步骤以从锭顺序去除晶体材料的薄层以形成晶圆。在某些实施方式中，载体在性质上可以是结晶的。在某些实施方式中，刚性载体可以通过粘合剂结合(adhesivebonding，粘结)接合到晶体材料的表面，刚性载体可以具有大于800微米的厚度，并且刚性载体可以具有至少20GPa(或本文所公开的另一阈值)的弹性模量。在某些实施方式中，粘合材料具有大于25℃(或本文指定的另一阈值)的玻璃化转变温度Tg。从衬底(其可以体现为晶圆)去除的晶体材料的一部分可用于经受进一步的加工步骤，而该部分仍然是结合组件的部分。在某些实施方式中，第一刚性载体和第二刚性载体可以在断裂之前结合到衬底的相对面。在某些实现方式中，晶体材料的断裂可以通过以下来促进：(i)接近于载体的至少一个边缘施加机械力(例如，任选地定位在一个或多个点处)，以在载体的至少一部分中赋予弯曲力矩；(ii)在载体具有比晶体材料更大的热膨胀系数的情况下，冷却载体；和/或(iii)向晶体材料施加超声能量。
在一方面，本公开涉及一种晶体材料加工方法，该方法包括用中间粘合材料将刚性载体临时结合到晶体材料的表面，其中，晶体材料包括衬底，该衬底在相对于衬底的第一表面的深度处具有表面下的激光损伤区域，并且其中，粘合材料具有大于25℃(或在本文指定的另一阈值)的玻璃化转变温度Tg。方法还包括沿表面下的激光损伤区域或接近于表面下的激光损伤区域断裂使晶体材料断裂，以产生包括刚性载体、粘合材料和从衬底去除的晶体材料的一部分的结合组件。
在某些实施方式中，刚性载体具有大于800微米的厚度；刚性载体具有至少20GPa的弹性模量，并且在结合组件中，从衬底去除的晶体材料的一部分包括至少160μm的厚度。
在某些实施方式中，粘合材料包括热塑性材料。在某些实施方式中，粘合材料具有至少35℃、至少50℃、至少60℃、或本文指定的另一阈值的玻璃化转变温度Tg。
在某些实施方式中，当粘合材料在25℃时，粘合材料具有至少约70的肖氏D硬度值。在某些实施方式中，当粘合材料在25℃时，粘合材料具有至少约7MPa的弹性模量。
在某些实施方式中，刚性载体具有大于800微米的厚度。在某些实施方式中，刚性载体具有至少20GPa、至少100GPa或本文指定的另一阈值的弹性模量。在某些实施方式中，刚性载体包括晶体材料。
在某些实施方式中，刚性载体包括第一面和与第一面相对的第二面；粘合材料布置为与第一面接触；并且第二面不含任何粘合材料并且不含任何应力产生的材料。
在某些实施方式中，在25℃下，刚性载体的热膨胀系数(CTE)大于衬底的CTE。在某些实施方式中，断裂包括至少冷却刚性载体以促进晶体材料沿表面下的激光损伤区域或接近于表面下的激光损伤区域断裂。
在某些实施方式中，断裂包括向刚性载体或衬底中的至少一个施加超声能量。
在某些实施方式中，刚性载体的至少一部分的最大长度或最大宽度中的至少一个超过衬底的对应最大长度或最大宽度。在某些实施方式中，衬底包括沿衬底的至少一个边缘的凹口或平坦部，并且刚性载体的至少一个边缘的至少一部分横向延伸超过凹口或平坦部。在某些实施方式中，断裂包括向接近于刚性载体的至少一个边缘施加机械力，并且其中，机械力被配置为在刚性载体的至少一部分中赋予弯曲力矩。
在某些实施方式中，晶体材料包括六方晶体结构；并且弯曲力矩在垂直于六方晶体结构的
Figure BDA0003138148740000061
方向的±5度内取向。
在某些实施方式中，方法还包括在晶体材料的一部分上执行至少一个附加加工步骤，而晶体材料的一部分仍然是结合组件的部分。
在某些实施方式中，方法还包括在断裂之前，将附加刚性载体结合到与第一表面相对的晶体材料的第二表面。
在某些实施方式中，表面下的激光损伤区域包括多个基本上平行的表面下的激光损伤线。
在某些实施方式中，方法还包括从结合组件去除晶体材料的一部分。
在某些实施方式中，晶体材料包括SiC。
在某些实施方式中，方法还包括在用粘合材料将刚性载体临时结合到晶体材料的第一表面之前，粗糙化、纹理化和/或蚀刻(i)晶体材料的第一表面或(ii)刚性载体的邻近表面中的至少一个。
在某些实施方式中，在沿表面下的激光损伤区域或接近于表面下的激光损伤区域使晶体材料断裂之前，晶体材料包括至少500微米的厚度。
在某些实施方式中，从衬底去除的晶体材料的一部分包括自支撑晶圆，该自支撑晶圆被配置为在其上生长至少一个外延层。在某些实施方式中，从衬底去除的晶体材料的一部分包括器件晶圆，该器件晶圆包括在其上生长的至少一个外延层。
在另一方面，本公开涉及一种晶体材料加工方法，该方法包括：将第一晶体载体结合到晶体材料的第一表面，其中，晶体材料包括衬底，该衬底在相对于衬底的第一表面的深度处具有表面下的激光损伤区域；将第二晶体载体结合到晶体材料的第二表面；以及在结合步骤之后，沿表面下的激光损伤区域或接近于表面下的激光损伤区域使晶体材料断裂，以产生包括第一晶体载体和从衬底去除的晶体材料的一部分的结合组件。
在某些实施方式中，第一晶体载体或第二晶体载体中的至少一个包括至少100GPa的弹性模量。在某些实施方式中，第一晶体载体或第二晶体载体中的至少一个包括大于800微米的厚度。
在某些实施方式中，在25℃下，第一晶体载体的热膨胀系数(CTE)大于衬底的CTE；以及断裂包括至少冷却第一晶体材料载体，以促进晶体材料沿表面下的激光损伤区域或接近于表面下的激光损伤区域的断裂。
在某些实施方式中，沿表面下的激光损伤区域或接近于表面下的激光损伤区域的晶体材料的断裂包括向第一晶体载体或衬底中的至少一个施加超声能量。
在某些实施方式中，第一晶体载体的至少一部分的最大长度或最大宽度中的至少一个超过衬底的对应最大长度或最大宽度。
在某些实施方式中，衬底包括沿衬底的至少一个边缘的凹口或平坦部，并且第一晶体载体的至少一个边缘的至少一部分横向延伸超过凹口或平坦部。
在某些实施方式中，沿表面下的激光损伤区域或接近于表面下的激光损伤区域的晶体材料的断裂包括向接近于第一晶体载体的至少一个边缘施加机械力，并且机械力被配置为在第一晶体载体的至少一部分中赋予弯曲力矩。在某些实施方式中，晶体材料包括六方晶体结构；并且弯曲力矩在垂直于六方晶体结构的
Figure BDA0003138148740000071
方向的±5度内取向，该六方晶体结构平行于衬底表面。
在某些实施方式中，将第一晶体载体结合到晶体材料的第一表面或将第二晶体载体结合到晶体材料的第二表面中的至少一个包括阳极结合。
在某些实施方式中，将第一晶体载体结合到晶体材料的第一表面或将第二晶体载体结合到晶体载体的第二表面中的至少一个包括使用粘合材料的粘合剂结合。
在某些实施方式中，粘合材料具有大于25℃的玻璃化转变温度Tg。
在某些实施方式中，第一晶体载体包括第一面和与第一面相对的第二面；粘合材料布置为与第一面接触；并且第二面不含任何粘合材料并且不含任何应力产生的材料。
在某些实施方式中，粘合材料包括热塑性材料。
在某些实施方式中，当粘合材料在25℃时，粘合材料具有至少约70的肖氏D硬度值。
在某些实施方式中，当粘合材料在25℃时，粘合材料具有至少约7MPa的弹性模量。
在某些实施方式中，方法还包括在晶体材料的一部分上执行至少一个附加加工步骤，而晶体材料的一部分仍然是结合组件的部分。
在某些实施方式中，表面下的激光损伤区域包括多个基本上平行的表面下的激光损伤线。
在某些实施方式中，方法还包括从结合组件去除晶体材料的一部分。
在某些实施方式中，晶体材料包括SiC。
在某些实施方式中，从衬底去除的晶体材料的一部分包括自支撑晶圆，该自支撑晶圆被配置为在其上生长至少一个外延层。在某些实施方式中，从衬底去除的晶体材料的一部分包括器件晶圆，该器件晶圆包括在其上生长的至少一个外延层。
在另一方面，本公开涉及一种晶体材料加工方法，该方法包括：将刚性载体结合到晶体材料的第一表面，其中，晶体材料包括衬底，该衬底在相对于第一表面的深度处具有表面下的激光损伤区域，并且刚性载体的至少一个边缘的至少一部分横向延伸超过衬底的对应至少一个边缘。方法还包括向接近于刚性载体的至少一个边缘施加机械力以在刚性载体的至少一部分中赋予弯曲力矩，并且沿表面下的激光损伤区域或接近于表面下的激光损伤区域使晶体材料断裂以产生包括刚性载体和从衬底去除的晶体材料的一部分的结合组件。
在某些实施方式中，向接近于刚性载体的至少一个边缘施加机械力由在接近于刚性载体的至少一个边缘的单个位置处局部施加机械力组成。
在某些实施方式中，向接近于刚性载体的至少一个边缘施加机械力包括：在接近于刚性载体的至少一个边缘的多个空间划分位置处局部施加机械力；以及在刚性载体的中心位置处施加相反的机械力。
在某些实施方式中，刚性载体的至少一个边缘的至少一部分横向延伸超过衬底的对应至少一个边缘至少约100微米、或至少约500微米(或本文所公开的另一距离阈值)。
在某些实施方式中，衬底包括沿衬底的至少一个边缘的凹口或平坦部，并且刚性载体的至少一个边缘的至少一部分横向延伸超过凹口或平坦部。
在某些实施方式中，晶体材料包括六方晶体结构；并且弯曲力矩在垂直于六方晶体结构的
Figure BDA0003138148740000091
方向的±5度内取向，该六方晶体结构平行于衬底表面。
在某些实施方式中，将刚性载体结合到晶体材料的表面包括利用布置在刚性载体与晶体材料的表面之间的粘合材料的粘合剂粘合。
在某些实施方式中，方法还包括在施加机械力之前，将附加刚性载体结合到与第一表面相对的晶体材料的第二表面。在某些实施方式中，施加机械力包括在第一刚性载体和附加刚性载体之间施加局部牵拉力，以增加第一刚性载体与附加刚性载体之间的间隔。
在某些实施方式中，从衬底去除的晶体材料的一部分包括自支撑晶圆，该自支撑晶圆被配置为在其上生长至少一个外延层。在某些实施方式中，从衬底去除的晶体材料的一部分包括器件晶圆，该器件晶圆包括在其上生长的至少一个外延层。
在另一方面，本公开涉及一种晶体材料加工方法，该方法包括：将刚性载体结合到晶体材料的第一表面，其中，晶体材料包括衬底，该衬底在相对于第一表面的深度处具有表面下的激光损伤区域，刚性载体包括大于850微米的厚度，并且刚性载体包括以下特征(i)或(ii)中的至少一种：(i)载体包括晶体载体；或(ii)载体具有至少20GPa的弹性模量；以及沿表面下的激光损伤区域或接近于表面下的激光损伤区域使晶体材料断裂，以产生包括刚性载体和从衬底去除的晶体材料的一部分的结合组件。
在某些实施方式中，刚性载体包括晶体载体。在某些实施方式中，载体具有至少20GPa、至少100GPa或本文指定的另一阈值的弹性模量。在某些实施方式中，将刚性载体结合到晶体材料包括利用布置在刚性载体与晶体材料之间的粘合材料的粘合剂结合。
在某些实施方式中，粘合材料具有大于25℃的玻璃化转变温度Tg。在某些实施方式中，当粘合材料在25℃时，粘合材料具有至少约70的肖氏D硬度值。在某些实施方式中，当粘合材料在25℃时，粘合材料具有至少约7MPa的弹性模量。
在某些实施方式中，刚性载体包括第一面和与第一面相对的第二面；粘合材料布置为与第一面接触；并且第二面不含任何粘合材料并且不含任何应力产生的材料。
在某些实施方式中，在25℃下，刚体载体的热膨胀系数(CTE)大于衬底的CTE。
在某些实施方式中，断裂包括至少冷却刚性载体以促进晶体材料沿表面下的激光损伤区域或接近于表面下的激光损伤区域的断裂。
在某些实施方式中，其中，断裂包括向刚性载体或衬底中的至少一个施加超声能量。
在某些实施方式中，刚性载体的至少一部分的最大长度或最大宽度中的至少一个超过衬底的对应最大长度或最大宽度。在某些实施方式中，衬底包括沿衬底的至少一个边缘的凹口或平坦部，并且刚性载体的至少一个边缘的至少一部分横向延伸超过凹口或平坦部。
在某些实施方式中，断裂包括向接近于刚性载体的至少一个边缘施加机械力，并且其中，机械力被配置为在刚性载体的至少一部分中赋予弯曲力矩。
在某些实施方式中，晶体材料包括六方晶体结构；并且弯曲力矩在垂直于六方晶体结构的
Figure BDA0003138148740000101
方向的±5度内取向。
在某些实施方式中，方法还包括在晶体材料的一部分上执行至少一个附加加工步骤，而晶体材料的一部分仍然是结合组件的部分。
在某些实施方式中，方法还包括在断裂之前，将附加刚性载体结合到与第一表面相对的晶体材料的第二表面。在某些实施方式中，方法还包括从结合组件去除晶体材料的一部分。
在某些实施方式中，晶体材料包括SiC。
在某些实施方式中，从衬底去除的晶体材料的一部分包括自支撑晶圆，该自支撑晶圆被配置为在其上生长至少一个外延层。
在某些实施方式中，从衬底去除的晶体材料的一部分包括器件晶圆，该器件晶圆包括在其上生长的至少一个外延层。
在另一方面，本公开涉及一种方法，该方法包括：研磨晶体材料的厚晶圆的边缘以消除非垂直边缘轮廓并且形成垂直边缘轮廓，其中，厚晶圆包括第一表面、与第一表面相对的第二表面、以及沉积在第一表面上或上方的至少一个外延层，并且其中，刚性第一载体用布置在刚性第一载体与至少一个外延层之间的粘合材料临时结合在至少一个外延层上方；以及在形成垂直边缘轮廓之后，通过厚晶圆的第二表面撞击激光发射以在厚晶圆内形成表面下的激光损伤区域。
在某些实施方式中，方法还包括将刚性第二载体结合到厚晶圆的第二表面；以及沿表面下的激光损伤区域或接近于表面下的激光损伤区域使厚晶圆断裂以产生：(i)第一结合组件，该第一结合组件包括刚性第一载体、粘合材料、至少一个外延层、以及从厚晶圆分割的第一薄晶圆；以及(ii)第二结合组件，该第二结合组件包括刚性第二载体和从厚晶圆分割的第二薄晶圆。
在某些实施方式中，方法还包括：将刚性的第一载体结合到晶体材料的主表面，其中，晶体材料包括衬底，该衬底在相对于主表面的深度处具有初始表面下的激光损伤区域；沿初始表面下的激光损伤区域或接近于初始表面下的激光损伤区域使晶体材料断裂以产生包括刚性第一载体和从衬底去除的晶体材料的一部分的初始结合组件；以及从第一结合组件去除晶体材料的一部分以产生厚晶圆，其中，厚晶圆包括晶体材料的一部分。
在某些实施方式中，方法还包括：形成厚晶圆的非垂直晶圆边缘；以及在产生非垂直晶圆边缘之后，在厚晶圆的第一表面上或上方外延生长至少一个外延层。
在某些实施方式中，第一薄晶圆或第二薄晶圆中的至少一个包括小于250微米的厚度。在某些实施方式中，晶体材料包括SiC。
在另一方面，本公开涉及用于加工晶体材料晶圆的方法，该晶体材料晶圆包括在其上具有表面损伤的第一表面，第一表面由边缘界定，方法包括：用至少一个第一研磨设备研磨第一表面以去除表面损伤的第一部分；在用至少一个第一研磨设备研磨第一表面之后，对边缘进行边缘研磨以形成斜切或圆化边缘轮廓；以及在边缘研磨之后，用至少一个第二研磨设备研磨第一表面以去除表面损伤的第二部分，该第二部分足以使第一表面适合于通过化学机械平坦化进行进一步加工。
在某些实施方式中，方法还包括：在用至少一个第二研磨设备研磨第一表面之后，通过化学机械平坦化加工第一表面以使第一表面在其上外延生长一层或多层半导体材料。
在某些实施方式中，至少一个第一研磨设备包括具有小于5000粒度(例如，1000粒度、1400粒度、2000粒度、3000粒度、4000粒度等)的研磨表面的至少一个研磨轮，并且至少一个第二研磨设备包括具有至少5000粒度(例如，5000粒度、7000粒度、8000粒度、10,000粒度、15,000粒度、20,000粒度、25,000粒度、30,000粒度等)的研磨表面的至少一个研磨轮。
在某些实施方式中，用至少一个第一研磨设备研磨第一表面包括去除20微米至100微米(例如，20微米至80微米、40微米至80微米、40至60微米等)厚度的晶体材料，并且用至少一个第二研磨设备研磨第二表面包括去除3微米至15微米(例如，5微米至10微米)厚度的晶体材料。
在某些实施方式中，表面损伤包括激光损伤和断裂损伤。
在某些实施方式中，晶体材料包括碳化硅材料，并且第一表面包括碳化硅材料的Si封端面。
在另一方面，本公开涉及用于加工晶体材料晶圆的方法，该晶体材料晶圆包括在其上具有表面损伤的第一表面，第一表面由边缘界定，方法包括：用至少一个第一研磨设备研磨第一表面以去除表面损伤的第一部分；在用至少一个第一研磨设备研磨第一表面之后，用至少一个第二研磨设备研磨第一表面以去除表面损伤的第二部分，该第二部分足以使第一表面适合于通过化学机械平坦化进行进一步加工；在用至少一个第二研磨设备研磨第一表面之后，在第一表面上形成保护涂层；在第一表面上沉积牺牲材料之后，对边缘进行边缘研磨以形成斜切或圆化边缘轮廓；以及在边缘研磨之后，从第一表面去除保护涂层。
在某些实施方式中，方法还包括：在从第一表面去除牺牲材料之后，通过化学机械平坦化加工第一表面以使第一表面用于其上外延生长一层或多层半导体材料。
在某些实施方式中，至少一个第一研磨设备包括具有小于5000粒度的研磨表面的至少一个研磨轮，并且至少一个第二研磨设备包括具有至少5000粒度的研磨表面的至少一个研磨轮。
在某些实施方式中，用至少一个第一研磨设备研磨第一表面包括去除20微米至100微米厚度的晶体材料，并且用至少一个第二研磨设备研磨第二表面包括去除3微米至15微米厚度的晶体材料。
在某些实施方式中，保护涂层包括光致抗蚀剂。
在某些实施方式中，表面损伤包括激光损伤和断裂损伤。
在某些实施方式中，晶体材料包括碳化硅材料，并且第一表面包括碳化硅材料的Si封端面。
在另一方面，本公开涉及一种材料加工设备，包括：激光加工站，该激光加工站被配置为在供应至激光加工站的晶体材料衬底中形成表面下的激光损伤区域；断裂站，该断裂站布置为接收由激光加工站加工的晶体材料衬底，并且被配置为沿表面下的激光损伤区域使晶体材料衬底断裂以形成从晶体材料衬底去除的晶体材料部分，其中，每个晶体材料部分包括表面损伤；多个粗研磨站，该多个粗研磨站平行布置在断裂站的下游，并且被配置为从晶体材料部分去除表面损伤的第一部分，其中，多个粗研磨站中的至少第一粗研磨站和第二粗研磨站被配置为同时操作以去除不同晶体材料部分的表面损伤的第一部分；以及至少一个精研磨站，该至少一个精研磨站布置在多个粗磨站的下游，并且被配置为从晶体材料部分去除表面损伤的第二部分，该第二部分足以使每个晶体材料部分的至少一个表面适合于通过化学机械平坦化进行进一步加工。
在某些实施方式中，设备还包括至少一个化学机械平坦化站，该至少一个化学机械平坦化站布置在至少一个精研磨站的下游，并且被配置为使每个晶体材料部分的至少一个表面适合于通过化学机械平坦化进行进一步加工。
在某些实施方式中，设备还包括至少一个边缘研磨站，该边缘研磨站被配置为研磨每个晶体材料部分的边缘以形成斜切或圆化边缘轮廓。
在某些实施方式中，每个粗研磨站包括具有小于5000粒度的研磨表面的至少一个研磨轮，并且至少一个精研磨站包括具有至少5000粒度的研磨表面的至少一个研磨轮。
在某些实施方式中，每个粗研磨站被配置为从每个晶体材料部分去除20微米至100微米厚度的晶体材料，并且每个精研磨站被配置为从每个晶体材料部分去除3微米至15微米厚度的晶体材料。
在某些实施方式中，激光加工站被配置为在多个晶体材料衬底中同时形成表面下的激光损伤区域。
在另一方面，前述方面中的任一个、和/或如在本文描述的各种单独的方面和特征可以组合用于附加优点。除非本文相反地指出，如本文所公开的各种特征和要素中的任何一个可以与一个或多个其他公开的特征和要素组合。
由随后的公开和所附权利要求书，本公开的其他方面、特征和实施方式将更加显而易见。
附图说明
结合在本说明书中并且形成本说明书的一部分的附图示出了本公开的若干方面，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1包括提供由常规线锯工具接收并且经受线锯工艺的锭的透视图的第一框架以及提供通过线锯工艺获得的多个晶圆的透视图的第二框架。
图2是表示六方晶体(诸如，4H-SiC)的坐标系的第一立体图。
图3是用于六方晶体的第二透视图晶体平面图，示出不平行于c平面的邻位平面。
图4A是示出邻位晶圆相对于c平面的取向的晶圆取向图的透视图。
图4B是叠加在锭的一部分上方的图4A的邻位晶圆的简化截面图。
图5是示例性SiC晶圆的俯视平面图，其中叠加箭头显示结晶取向方向。
图6A是晶体材料的同轴锭的侧视示意图。
图6B是图6A的锭旋转4度的侧视示意图，具有用于切割锭的端部的叠加图案。
图6C是去除端部以提供不垂直于c方向的端面之后的锭的侧视示意图。
图7是被配置为将激光发射聚焦在晶体材料内部以形成表面下的损伤的可移动激光工具的示意性透视图。
图8A至图8D提供了相对于晶体材料的示例性激光工具行进路径，用于在晶体材料内形成表面下的损伤，图8D包括显示表面下的线相对于晶体材料的六方晶体结构的
Figure BDA0003138148740000141
方向的取向的叠加箭头，其中线还平行于晶体材料的表面。
图9是组件的侧截面示意图，该组件包括具有表面下的激光损伤的晶体材料衬底并且通过中间布置的粘合材料接合到刚性载体，并且包括沿与刚性载体的界面围绕晶体材料的周边的至少一部分的暴露的粘合唇部。
图10A是具有接合到其表面的粘合材料的刚性载体的侧截面示意图。
图10B是图10A的刚性载体和粘合材料的组件的截面示意图，该刚性载体和粘合材料接合到具有接近于粘合材料的表面下的激光损伤区域的晶体材料衬底，其中组件类似于图9所示的组件但缺少暴露的粘合唇部。
图10C是图10B的组件的截面示意图，其中刚性载体的表面定位在液体冷却卡盘形式的冷却设备上。
图10D是在沿表面下的激光损伤区域使晶体材料断裂之后，从包括刚性载体和从衬底去除的晶体材料的一部分的结合组件(在液体冷却卡盘顶上)分离的晶体材料衬底的大部分的截面示意图。
图10E是图10D的结合组件在从液体冷却卡盘去除之后的截面示意图，其中沿向上表面存在残余激光损伤。
图10F是由加热真空卡盘支撑的晶体材料的一部分的截面示意图，其中刚性载体和粘合材料在粘合材料热软化和释放之后横向平移远离晶体材料部分。
图11是根据图10C在布置在液体冷却剂浴中的液体冷却卡盘形式的冷却设备上的组件的截面示意图。
图12是冷却设备的透视图，该冷却设备包括接近于布置为接收液体冷却剂的容器的底壁布置的真空卡盘(例如，从蒸发冷却系统接收的甲醇、液氮等)。
图13A至图13E是包括各自接合到晶体材料的衬底的不同形状的载体的结合组件的顶视图。
图13F和图13G分别提供了图13D和图13E的结合组件的侧截面示意图。
图14是具有表面下的激光损伤且结合到刚性载体的晶体材料的截面示意图，其中晶体材料和载体布置在超声波发生器的液浴中。
图15A至图15D是示出用于使具有表面下的激光损伤的晶体材料断裂的步骤的截面示意图，包括在向接近于载体的一个边缘施加机械力以在载体的至少一部分中赋予弯曲力矩。
图16A是用于通过沿载体的相对边缘施加机械力以在载体的部分中赋予弯曲力矩来使具有表面下的激光损伤的衬底结合到其的晶体材料断裂的设备的截面示意图。
图16B是使用图16A的设备从块状晶体材料分离的包括刚性载体和衬底的结合组件的截面示意图。
图17A至图17D分别是通过将激光发射聚焦到裸衬底中、通过由载体支撑的衬底的表面、通过载体和粘合剂层进入衬底中以及通过载体进入衬底中而在晶体材料的衬底中形成表面下的激光损伤的截面示意图。
图18A至图18O是示出器件晶圆分裂工艺的步骤的截面示意图，根据该工艺，厚晶圆从晶体材料断裂，至少一个外延层生长在厚晶圆上，并且使厚晶圆断裂以形成第一结合组件和第二结合组件，第一结合组件和第二结合组件各自包括载体和从厚晶圆分割的薄晶圆，其中第一结合组件包括作为可操作的基于半导体器件的一部分的至少一个外延层。
图19是示意地示出用于产生表面下的激光损伤和将刚性载体结合到晶体(例如SiC)材料锭的步骤，随后对包括载体和晶体材料的一部分的结合组件进行激光分离，随后进一步加工结合组件并且在器件晶圆上形成外延层，使铸锭和刚性载体返回到过程的开始的流程图。
图20是图19的晶体材料衬底的一部分的截面示意图，其显示具有叠加的虚线的表面下的激光损伤，该叠加的虚线识别了归因于激光损伤和随后的表面加工(例如，研磨和抛光)的预期切口损失材料区域。
图21是根据一个实施方式的材料加工设备的示意图，该设备包括激光加工站、材料断裂站、平行布置的多个粗研磨站、精研磨站、以及CMP站。
图22是根据与图21类似的一个实施方式的材料加工设备的示意图，但是其中边缘研磨站布置在精研磨站与粗研磨站之间。
图23是根据一个实施方式的材料加工设备的示意图，该设备包括激光加工站、材料断裂站、平行布置的多个粗研磨站、精研磨站、表面涂覆站、边缘研磨站、涂层去除站、以及CMP站。
图24A是根据一个实施方式的用于保持具有非垂直于其侧壁的端面的锭的第一设备的示意性侧视截面图。
图24B是根据一个实施方式的用于保持具有非垂直于其侧壁的端面的锭的第二设备的示意性侧视截面图。
图25是绘制用于蓝宝石的线性热膨胀系数随温度变化的线图。
图26是绘制用于SiC的线性热膨胀系数随温度变化的线图。
图27是提供用于各种晶体材料和金属的线性热膨胀系数的比较的柱状图。
图28是绘制用于划分成以下三组的各种材料的弹性模量(杨氏模量)值的图：(1)金属和合金；(2)石墨、陶瓷和半导体；以及(3)聚合物。
具体实施方式
本公开的各方面提供了晶体材料加工方法，其中载体(例如，刚性载体)粘合到在深度处具有表面下的激光损伤的晶体材料的表面，并且使晶体材料沿表面下的激光损伤区域断裂，提供包括载体和从衬底去除的晶体材料的一部分的结合组件。在不需要布置在载体上方的单独的应力产生层的情况下进行断裂。可以重复前述步骤以从锭顺序去除晶体材料的薄层以形成晶圆。在某些实施方式中，载体包括晶体材料。在某些实施方式中，刚性载体可以通过粘合剂结合接合到晶体材料的表面，并且刚性载体可以具有至少20GPa的弹性模量。粘合材料可以具有大于25℃(或在本文指定的另一阈值)的玻璃化转变温度Tg。从衬底(其可以体现为晶圆)去除的晶体材料的一部分可用于经受进一步的加工步骤，而该部分仍然是结合组件的部分。在某些实现方式中，晶体材料的断裂可以通过以下来促进：(i)接近于载体的至少一个边缘施加机械力(例如，任选地定位在一个或多个点处)，以在载体的至少一部分中赋予弯曲力矩；(ii)在载体具有比晶体材料更大的热膨胀系数的情况下，冷却载体；和/或(iii)向结合组件的至少一部分施加超声能量。
以下阐述的实施方式表示使本领域技术人员能够实践实施方式并且示出实践实施方式的最佳模式的必要信息。在结合附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的概念，并且将认识到本文未具体解决的这些概念的应用。应当理解，这些概念和应用落在本公开和所附权利要求的范围内。
将理解，尽管术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一元件区分开。例如，在不背离本公开的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。
应当理解，当诸如层、区域或衬底之类的元件被称为“在另一元件上”或“延伸到另一元件上”时，其可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件相反，当一个元件被称为“直接在”或“直接延伸到”另一元件时，不存在中间元件。同样地，应当理解，当诸如层、区域或衬底之类的元件被称为“在另一元件上方”或延伸“在另一元件上”时，其可以直接在另一元件上方或直接延伸到另一元件上方，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一元件上方”或“直接延伸到另一元件上方”时，不存在中间元素。应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，不存在中间元件。
诸如“下方”或“上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”的相对术语在本文中可以用于描述一个元件、层或区域与另一元件、层或区域，如图所示。应当理解，这些术语和上文所讨论的那些术语旨在涵盖除了附图中所描绘的取向之外的器件的不同取向。
本文所使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，并不旨在限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。应当进一步理解，术语“包括”、“包含”、“含有”和/或“容纳”在本文中使用时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。
除非另外定义，本文所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。应当进一步理解，本文所使用的术语应被解释为具有与它们在本说明书以及相关领域的背景下的含义一致的含义，并且将不会以理想化或过于正式的意义进行解释，除非在本文明确地如此定义。
如本文所使用的，“衬底”是指可分成至少两个较薄部分的晶体材料(诸如，锭或晶圆)，该至少两个较薄部分具有与衬底基本上相同的横向尺寸(例如，直径、或长度和宽度)，并且具有足够的厚度(i)以进行表面处理(例如，研磨和抛光)来支持一个或多个晶体材料层的外延沉积，并且任选地(ii)如果当与刚性载体分离时是自支撑的。在某些实施方式中，衬底可以具有总体上圆柱形的形状，和/或可以具有至少约一个或多个以下厚度的厚度：300μm、350μm、500μm、750μm、1mm、2mm、3mm、5mm、1cm、2cm、5cm、10cm、20cm、30cm、或更大。在某些实施方式中，衬底可以包括可分成两个较薄的晶圆的较厚的晶圆。在某些实施方式中，衬底可以是较厚晶圆的一部分，该较厚晶圆具有布置在其上的一个或多个外延层(可选地与一个或多个金属触点结合)作为具有多个电操作器件的器件晶圆的一部分。可以根据本公开的各方面分割器件晶圆以产生较薄的器件晶圆和在其上可以随后形成一个或多个外延层(可选地与一个或多个金属触点结合)的第二较薄晶圆。在某些实施方式中，衬底可以包括150mm或更大、或200mm或更大的直径。
本文所公开的方法可以应用于各种晶体材料的衬底，单晶和多晶品种的衬底。在某些实施方式中，本文所公开的方法可以利用立方、六方和其他晶体结构，并且可以涉及具有同轴和离轴晶体取向的晶体材料。在某些实施方式中，本文所公开的方法可以应用于半导体材料和/或宽带隙材料。示例性材料包括但不限于Si、GaAs和金刚石。在某些实施方式中，此类方法可以利用具有六方晶体结构的单晶半导体材料，诸如4H-SiC、6H-SiC或III族氮化物材料(例如，GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、或AlInGaN)。下文描述的各种说明性实施方式通常提及SiC或具体地提及4H-SiC，但是应当理解，可以使用任何合适的晶体材料。在各种SiC多型体中，4H-SiC多型体由于其高导热性、宽带隙和各向同性的电子迁移率而对功率电子器件是特别有吸引力的。块状SiC可以同轴生长(即，与其c平面没有有意的角度偏差，适合于形成未掺杂的或半绝缘材料)或者离轴生长(通常从生长轴线(诸如，c轴线)偏离非零角度，通常在从0.5度至10度的范围内(或其子范围，诸如，2至6度)，如可能适合于形成N掺杂的或高导电材料)。本文所公开的实施方式可应用于轴上和离轴晶体材料，以及掺杂的和无意掺杂的晶体材料。本文所公开的某些实施方式可以利用具有1度至10度、或2度至6度、或约4度范围内的斜切的同轴4H-SiC或邻位(离轴)4H-SiC。
图6A和图6C示意性地示出可以与本文所公开的方法一起使用的锭形式的同轴和离轴晶体衬底。图6A是具有垂直于c方向(即，六方晶体结构材料(诸如，4H-SiC)的[0001]方向)的第一端面16和第二端面17的晶体材料的同轴锭15的侧视示意图。图6B是图6A的锭15旋转四度的侧视示意图，其中具有用于切割和去除锭15接近于端面16、17的端部的叠加图案18(虚线所示)。图6C是在去除端部以提供不垂直于c方向的新端面16A、17A之后，由图6B的锭15形成的离轴锭15A的侧视示意图。如果通过铸锭15的端面16供应第一深度的激光发射以形成表面下的激光损伤，载体(未示出)接合到端面16，并且铸锭15沿着表面下的激光损伤断裂，则可以形成同轴晶圆。相反，如果通过离轴锭15A的端面16A供应第一深度的激光发射以形成表面下的激光损伤，载体(未示出)接合到端面16A，并且锭15A沿表面下的激光损伤断裂，则可以形成离轴晶圆。
尽管本文公开了不同衬底、载体、粘合剂、和断裂技术，但应当理解，取决于衬底、载体、和/或粘合方法的各种排列，可以单独使用一种或多种断裂技术，或者可以同时使用和/或顺序地使用断裂技术的任何组合来实现所期望的分离。
载体特性
预期载体与各种载体辅助方法一起使用，用于沿本文所公开的表面下的激光损伤区域分离晶体材料。鉴于本文所公开的用于分离(即，断裂)晶体材料的不同方法，所需的载体性质可以根据具体的断裂方法而不同。
各种实施方式涉及在性质上刚性的载体。在某些实施方式中，至少一部分接近于待分离的晶体材料或者整个刚性载体包括至少约20GPa、至少约50GPa、至少约100GPa、至少约200GPa、或至少约300GPa的弹性模量(a/k/a杨氏模量)。例如，蓝宝石具有345GPa的弹性模量。弹性模量是测量固体材料的刚度的机械特性。它限定了在单轴变形的线性弹性状态下的材料中的应力(每单位面积的力)与应变(比例变形)之间的关系。
不期望受任何具体理论的束缚，本文所公开的分离方法相对于常规方法(例如，使用诸如PDMS或硅酮等的低刚性界面材料和低温断裂)的改进的结果的原因，据信当相对刚性或硬性(即，高弹性模量)的载体结合到晶体材料以沿表面下的激光损伤区域断裂时，载体可以减少晶圆弯曲和/或断裂，同时提供可重复的晶体材料分离结果。除了用于分离所需的机械方面(例如，通过机械、CTE失配和/或超声手段)，载体还在分离期间和之后提供机械支撑。这对于后分离工艺是有用的，因为分离的晶体材料可以被研磨、抛光等，同时保持附接到刚性载体并且由刚性载体支撑。这避免了为了进行一个或多个后分离加工步骤而在断裂之后将晶圆结合到刚性载体的需要。
当用粘合剂将刚性载体结合到衬底时，在某些实施方式中，载体可以包括更大范围的材料，通常包括半导体、无机材料、金属、准金属、非金属、陶瓷、晶体材料(例如，在性质上的单晶或多晶)、无定形材料、聚合物材料、玻璃、以及复合材料。在某些实施方式中，载体可以包括通过各种常规手段结合或接合在一起的两种或更多种材料。如本领域技术人员将认识到的，可以使用其他材料。
当刚性载体不限于用粘合剂结合到衬底时，可能期望更窄范围的载体材料。在某些实施方式中，不必粘合地结合到刚性载体的载体可以包括单晶材料(例如，在性质上的单晶或多晶)、半导体材料、陶瓷材料、准金属、无机材料、以及复合材料。
在某些实施方式中，刚性载体的厚度可以超过结合到刚性载体的晶体材料的表面下的激光损伤的深度的一倍、两倍、三倍、四倍或五倍。在各种实施方式中，刚性载体可以包括小于、等于或大于结合到刚性载体的(预分离)晶体材料的厚度的厚度。在某些实施方式中，刚性载体可以具有至少500μm、大于800μm、至少850μm、至少900μm、至少1mm、至少1.5mm、至少2mm、或至少3mm的厚度，其中前述范围任选地由1mm、2mm、3mm、4mm或5mm视情况而定的上限界定。在某些实施方式中，刚性载体可以具有在0.5mm至5mm、或0.5mm至3mm、或0.5mm至2mm、或0.8mm至5mm、或0.8mm至3mm、或0.8mm至2mm、或0.85mm至5mm、或0.9mm至5mm、或1mm至4mm、或1mm至3mm、或1至2mm的范围内的厚度。
在某些实施方式中，刚性载体可以理想地具有至少与结合到其的衬底的对应尺寸一样大或超过结合到其的衬底的对应尺寸的横向范围(例如，直径、或长度和宽度)。据信提供直径至少与结晶衬底一样大(或更大)的刚性载体有助于在本文所描述的各种断裂工艺期间引发断裂。
在某些实施方式中，刚性载体的至少一部分的最大长度或最大宽度中的至少一个超过衬底的对应最大长度或最大宽度。在某些实施方式中，刚性载体的至少一个边缘的至少一部分可以横向延伸超出衬底的对应至少一个边缘至少约100微米、至少约200微米、至少约500微米、至少约1mm或至少约2mm。这种横向叠加在利用机械分离的实施方式中可能是特别期望的，因为叠加可以接收适合于在刚性载体上施加力矩以引发断裂的工具的至少一部分。在某些实施方式中，衬底包括沿衬底的至少一个边缘的凹口或平坦部，并且刚性载体的边缘的至少一部分(或至少一个边缘)横向延伸超过凹口或平坦部。
本文公开了包括单载体和双载体的实施方式。随着待分离的衬底变得更薄(例如，厚度低于约5mm)，双载体成为实际需要。接近于表面下的激光损伤区域布置的载体可以称为前侧载体，以区别于远离表面下的激光损伤区域布置的后侧载体。根据本文所公开的某些实施方式，前侧载体具体旨在促进晶体材料沿表面下的激光损伤区域或接近于表面下的激光损伤区域的分离。相反，后侧载体不旨在促进在断裂工艺期间衬底的分离。为此，当载体与衬底之间的CTE失配用于促进衬底沿表面下的损伤区域的断裂时，后侧载体可以具有与前侧载体不同的CTE。在某些实施方式中，后侧载体相对于衬底可以具有比前侧载体小的CTE失配。在某些实施方式中，后侧载体可以与衬底进行CTE匹配或将近CTE匹配。
载体相对于晶体材料的CTE性质
在某些实施方式中，将具有第一热膨胀系数或CTE1的刚性载体结合或接合到具有表面下的激光损伤并且具有第二热膨胀系数或CTE2的晶体材料的表面，其中，在所需温度下(例如，在25℃下)或在所需温度范围内，CTE1大于CTE2。在此之后，至少冷却载体，使得由于CTE差使载体在尺寸上比晶体材料更快速地收缩。这种差异收缩在载体以及晶体材料中产生应力(例如，剪切应力)，并且这种应力导致晶体材料沿表面下的激光损伤区域断裂。虽然发明人已经广泛地测试了组合蓝宝石载体的SiC衬底，但是本领域的技术人员在受益于本公开的情况下可以容易地确定其他CTE失配的材料组合。
为了在衬底上赋予足够的应力，根据本文所公开的各种实施方式的CTE失配的衬底可以在性质上是刚性的，不仅考虑载体材料的机械性能(例如，弹性模量)，还考虑载体厚度。在某些实施方式中，刚性载体可以包括大于800微米、至少850微米、至少900微米、至少1mm、至少1.5mm、或本文所公开的另一阈值的厚度。
对于各种材料，CTE可以随温度变化。对于CTE大于晶体材料的CTE的刚性载体，在某些实施方式中，刚性载体可以包括在所需温度(例如，在25℃、100℃、200℃、300℃、0℃和/或-100℃)下或在所期望的温度范围内(例如，-100℃至300℃的范围、-100℃至200℃的范围、-100℃至100℃的范围、0℃至200℃的范围、50℃至150℃的范围、或本文所公开的任何其他适合的温度范围或子范围)CTE大于晶体材料的CTE的材料。
在某些实施方式中，(要接近于晶体材料衬底中的表面下的损伤区域布置的)刚性载体的CTE比晶体材料衬底的CTE小5倍、不大于约4倍、不大于约3倍、不大于约2倍、不大于约1.5倍。在某些实施方式中，刚性载体的CTE比晶体材料衬底的CTE大约1.25到约4的范围内的倍增因数。据信，前述CTE失配比中的一些或全部显著小于在常规的基于镍或基于聚合物的剥落(分离)技术(例如，在本公开的背景部分中所描述的)中使用的材料的CTE失配比。例如，镍或含镍金属(可用作载体)与SiC(可用作晶体材料)之间的CTE失配比可以是至少5或更大，并且聚合物与SiC之间的CTE失配比可以是约10至100或更大。
虽然已参考具有比具有表面下的损伤的晶体材料的CTE大的CTE并且与其结合的刚性载体，但在某些实施方式中，具有表面下的激光损伤的晶体材料可以布置在第一刚性载体与第二刚性载体之间。在此类实施方式中，第一刚性载体接合到接近于表面下的激光损伤的晶体材料的第一表面，并且第二刚性载体接合到与第一表面相对并且远离表面下的激光损伤的晶体材料的第二表面。在某些实施方式中，第一刚性载体和第二刚性载体均可以具有超过晶体材料的CTE的CTE值。在其他实施方式中，第一刚性载体的CTE大于晶体材料的CTE，而第二刚性载体的CTE小于或等于晶体材料的CTE。例如，在某些实施方式中，用于SiC衬底的前侧载体可以是蓝宝石，其相对于SiC表现出显著的CTE失配，而后侧载体可以是相对于CTE载体没有失配的SiC。或者，用于SiC晶圆的前侧载体可以是蓝宝石(其具有大于SiC的CTE)，而后侧载体可以是(与SiC晶圆没有CTE失配)的SiC。
在利用CTE失配来促进断裂的某些实施方式中，可能期望提供能够实现所需分离所需的最小量的CTE失配，以便减小分离之后结合组件(即，载体和结合到其的断裂的衬底部分)的弯曲。当使用SiC衬底和蓝宝石载体时，对于150mm直径的SiC晶圆，已经观察到约200微米的弯曲。由于在研磨期间使用的真空卡盘施加的机械力和用于在加工期间平坦化结合组件的研磨力两者，这种弯曲程度在可以经由研磨容易地解决的范围内。相反，过度弯曲是现有技术工艺遇到的主要问题。
一种或多种载体与晶体材料的结合或接合
可以使用各种方法将刚性载体结合或接合到具有表面下的损伤的晶体材料的表面，以促进沿表面下的损伤的断裂。一种方法包括粘合剂结合，其可以涉及将粘合材料施加到刚性载体的近端表面，使粘合剂与具有表面下的激光损伤的晶体材料的表面匹配，以及固化粘合剂(例如，通过使载体/粘合剂/晶体材料堆叠经受升高的温度和压力)。
在某些实施方式中，刚性载体和具有表面下的激光损伤的晶体材料之间的粘合在性质上可以是暂时的，诸如通过使用在某些条件(例如，室温)期间将保持粘合但在去除条件期间(例如，在足以引起粘合材料流动的温度和/或暴露于被配置为弱化或溶解粘合材料的化学试剂的温度下)将呈现降低的粘合的粘合材料。临时结合介质的使用允许晶体材料结合到载体以根据本文所公开的方法实现断裂(例如，低温下的热致断裂、通过施加机械力引起的断裂和/或通过施加超声能量引起的断裂)，但是允许在此之后(可选地，在附接到刚性载体的同时在晶体材料部分上执行一个或多个其他加工步骤之后)去除粘附到刚性载体的晶体材料的去除部分。可用于本公开的各种实施方式的粘合材料的期望性质可以部分取决于用于诱导晶体材料断裂的方法。
临时结合材料的重要参数可以包括(a)内聚强度、(b)粘合强度、(c)弹性模量、(d)玻璃化转变温度、以及(e)厚度。合适的临时结合材料(例如，临时粘合剂)应具有前述参数的适当组合以有效地在载体与晶体材料之间转移分离力，从而沿表面下的损伤区域实现断裂，其中并且此类粘合材料仍然容易去除、破坏或在特定条件下无法操作(例如，化学降解、光子降解、热降解等)-最好无需过度努力去除残留物。
就内聚强度而言，所需的粘合材料应具有足够高的内聚强度以使粘合材料保持其完整性，并且当经受破坏具有表面下的激光损伤的晶体材料所需的力时不会分开。粘合材料的粘合强度应该足够高，以便当粘合材料经受破坏具有表面下的激光损伤的晶体材料所需的力时，维持对周围材料(例如，载体或晶体材料)的粘合。应当注意，一些粘合材料在较低温度下表现出降低的粘合强度和内聚强度，因此可能期望采用涉及相对较高温度的断裂技术。
关于粘合材料的弹性模量和厚度，在不需要粘合材料吸收实现晶体材料断裂所需的过度量的应力的情况下，所期望的粘合材料应当用于将适当量的应力从载体适当地转移到晶体材料。这倾向于有利于相对薄层中存在的相对高模量(即，相对硬)的粘合材料以促进应力转移，同时抑制粘合材料对应力的吸收。
关于玻璃化转变温度(Tg)，Tg值越低，当依赖于载体与晶体材料之间的CTE失配时，必须将载体冷却到较低的温度以沿表面下的激光损伤区域实现晶体材料的断裂(例如，自发断裂)的温度越低。例如，如果粘合材料的Tg是0℃，并且70℃的温度变化对于引入足够的应力是期望的，则载体必须被冷却至-70℃。遗憾的是，在非常低的温度下，粘合材料特性(包括应力转移效率)可能劣化。因此，表现出相对较高Tg值的粘合材料可以优选用于本公开的实施方式。
在某些实施方式中，粘合材料可以包括与高温热压粘合剂结合相容的粘合剂。对于高温热压结合，较低的玻璃化转变温度(Tg)是期望的，以避免非常高的温度结合要求并且防止分离的晶体材料部分/刚性载体组件在室温下具有过度弯曲。然而，在某些实施方式中，粘合材料的Tg不应太低，特别是当用于利用冷却结合衬底/载体CTE失配来实现晶体材料断裂的实施方式时，因为低Tg材料可能在Tg交叉之前在冷却时不期望地吸收过多的衬底/载体CTE失配应力。聚合物材料的玻璃化转变温度是聚合物从硬的玻璃状材料转变成软的橡胶状材料的温度区域。
在某些实施方式中，粘合材料可以包括可用紫外(UV)光固化的粘合剂。对于此类粘合剂，可以使用更高的Tg，因为可以在室温(例如，约25℃)下形成粘合剂结合，由此在室温下使得得到的分离的材料中的任何残余应力最小化。在某些实施方式中，可以在室温以上形成UV可固化粘合剂粘合，以便在利用冷却粘合衬底/载体CTE失配来实现晶体材料断裂的实施方式中在室温下产生所需水平的残余应力。在此类实施方式中，残余应力可能是期望以减小通过载体与粘附于其的晶体材料部分之间的CTE失配来实现分离所需的温差。
考虑到不同的粘合剂结合和/或固化过程，在利用载体与粘附于其的晶体材料之间的冷却和CTE失配来实现断裂的某些实施方式中，粘合材料可以具有约25℃或大于25℃、大于50℃、大于75℃、大于100℃、或大于150℃的玻璃化转变温度(Tg)。在某些实施方式中，前述的下限阈值可以由小于约250℃、小于约200℃、小于约150℃、小于约125℃或小于约100℃的上限阈值自上方(在适当情况下)界定。进一步，考虑到不同的粘合剂结合和/或固化过程，在某些实施方式中，粘合材料可以具有大于50℃、大于100℃、大于150℃或大于200℃的熔点。
在某些实施方式中，粘合材料包括热塑性粘合剂。至少某些热塑性粘合剂可以表现出所期望的机械和粘合特性(相对高的Tg、高弹性模量、高内聚强度、对所期望的载体和晶体材料的高粘附强度、以及在所期望的温度范围(例如，接近室温)下的硬度)，同时当加热至升高的温度和/或暴露于溶剂时仍然可以容易地去除。可以适合于与本文所公开的方法一起使用的粘合材料的实例可以包括可从Brewer Science，Inc.(Rolla，Missouri，USA)商购获得的
Figure BDA0003138148740000251
220、
Figure BDA0003138148740000252
HT-10.10和及
Figure BDA0003138148740000253
305热塑性粘合剂以及可从Aremco Products(Valley Cottage，NY，USA)商购获得的CrystalbondTM509热塑性粘合剂。这些粘合剂的选定热性能和机械性能值如下表所示。
Figure BDA0003138148740000254
在上表中，第一粘合剂和第二粘合剂的薄膜的硬度值由制造商提供，其中此类值典型地使用纳米压痕计方法以帕斯卡(例如，MPa或GPa)表示的值来确定，而该第四粘合剂的硬度值表示为由本申请人使用肖氏D方法确定的硬度。本申请人从肖氏D硬度计值计算第四粘合剂的弹性模量值。虽然肖氏模量与杨氏模量的标度之间没有直接的理论关系，但是存在经验上推导出的数学公式，这些公式对于在它们之间的转换是有用的。本申请人(采用Microsoft Excel)使用的公式是“EXP((Durometer+50)*0.0235-0.6403)”，其中，Durometer是指肖氏D硬度计值。第四粘合材料(CrystalbondTM509)的73.2的肖氏D硬度计值介于实心卡车轮胎(具有约50的肖氏D值)和高密度聚乙烯安全盖(具有约75的肖氏D值)与肖氏D硬度计值之间。此外，第四粘合材料的肖氏D硬度值显著高于本申请人测试的蜡(即分别从NIKKASeiko商购获得的SHIFTWAX 7607和从Galaxy Technologies商购的Galaxy Wax)测量的50.51和54.25的肖氏D硬度获得值，并且使用本文所描述的热诱导自发分离方法和机械诱导分离方法确定其不适合于沿表面下的损伤区域诱导晶体材料的断裂。确定蜡材料具有不足以引起断裂的内聚强度，其中观察到蜡材料在蜡本身内分开。这与在线描述一致，表明蜡具有非常弱的分子间吸引力(伦敦力)，使得它不能非常强地保持在其他分子上。
可以使用除以上描述的热塑性材料之外的其他粘合剂，如本领域的普通技术人员在回顾本公开后将认识到的。在某些实施方式中，粘合材料可以包括大于0℃、大于5℃、大于10℃、大于20℃、大于25℃、大于30℃、大于35℃、或任何适合的更高阈值的玻璃化转变温度。在某些实施方式中，前述下限阈值可以由小于约250℃、小于约200℃、小于约150℃、小于约125℃或小于约100℃的上限阈值自上方(在适当情况下)界定。此类粘合材料可以避免对冷却至显著低温(例如，低于-75℃或低于-100℃，需要液氮或类似的冷却剂)的需要。当使用液氮达到低于负100℃的非常低的温度时，发明人已经观察到使用本文先前所公开的热塑性粘合材料的灾难性粘合剂失效，取决于暴露时间。此类热塑性材料似乎在非常低的温度下经受开裂和龟裂，表明应避免显著低的温度(例如，负100℃或更低)。
需要冷却至显著低温的一类粘合材料是硅酮(包括PDMS)，其具有-110℃至-140℃的玻璃化转变温度(Tg)范围。硅酮可能难以容易地去除。硅酮表现出高于其玻璃化转变温度的非常低的弹性模量，但是当将该材料冷却至低于其玻璃化转变温度时，这种模量以数量级变化到GPa范围内。发明人测试了作为SiC锭与蓝宝石载体之间的粘合材料的硅树脂，试图通过将载体冷却到约-110℃的温度来沿表面下的激光损伤区域诱发由于CTE失配的自发断裂。未成功实现断裂。据推测，在蓝宝石载体、粘合材料和SiC锭的冷却期间，硅树脂材料充当应力吸收器，并且当达到硅树脂的Tg时，载体与晶体材料之间的CTE失配不够高。虽然蓝宝石载体与SiC锭之间的CTE失配在室温下是显著的，但CTE失配在-110℃的低温下降低至相对较小的值。也就是说，即使假设假设硅酮确实表现出有效的应力转移特性，但避免用于分离器件晶圆的超低温度(例如，液氮温度)可能仍然是有益的，因为暴露于超低温度可能对器件造成损伤。
在某些实施方式中，粘合材料可以包括化学交联的粘合剂(诸如，环氧树脂)。在某些实施方式中，多部分反应性催化剂型结合剂(例如，两部分环氧树脂)可以用于接合刚性载体和晶体材料衬底。
尽管可以使用任何合适厚度的粘合材料层，但是在某些实施方式中，粘合剂层可以是相对薄的(例如，小于约100微米、小于约50微米、小于约40微米、小于约30微米、小于约20微米、或小于约10微米(其中上述上限阈值中的任何阈值任选地在适当时被至少约2微米、至少约5微米、或至少约10微米的下限阈值限制))。提供薄的粘合剂层可以在断裂期间促进刚性载体与晶体材料之间的剪切应力的更直接转移，由此减少完成断裂所需的力和时间。然而，最佳的粘合剂厚度可以取决于多个因素，诸如，粘合剂的弹性模量、结合方法、分离技术等。
考虑到存在可以用于接合刚性载体和晶体材料的不同类型的粘合剂，可以采用各种粘合剂结合方法。在某些实施方式中，可以使用热压(涉及在高温下施加压缩力)。在一个实例中，在暴露于180℃的温度期间，1800N至3000N的力可以施加到通过粘合剂固定到(例如，单晶蓝宝石的)刚性载体的150mm直径的晶体材料衬底(例如，4HSiC)。在某些实施方式中，可以在UV发射冲击刚性载体与晶体材料衬底之间的UV可固化粘合材料期间施加压缩力。当使用液体或可流动的结合介质时，在某些实施方式中，结合介质可在结合期间的挤压出时部分地沿晶体材料衬底的侧壁向上延伸(并且沿刚性载体的近侧表面)，以形成围绕晶体材料的周边的至少一部分(或全部)的周边唇部，其中，这种周边唇部可以用于稍微增加衬底与载体之间的结合强度。
在某些实施方式中，等离子体激活阳极结合或任何其他合适的阳极结合工艺可以用于结合刚性载体和晶体材料衬底。出于所有的目的，关于晶体材料衬底与载体之间的阳极结合的细节公开于美国专利申请公开号2016/0189954，其中此公开的内容通过引用合并于此。
在某些实施方式中，为了促进粘合，刚性载体和/或晶体材料的近端表面可以在结合(例如，包括粘合剂结合)之前通过任何合适的方法粗糙化、纹理化和/或表面活化。可以进行的表面处理的实例包括但不限于微图案化、机械磨损、化学蚀刻、反应离子蚀刻、以及等离子体处理。在某些实施方式中，刚性载体可以包括具有微图案化表面的单晶蓝宝石。
在某些实施方式中，刚性载体可以包括一个或多个特征件，该特征件被配置为当期望去除粘附于载体的晶体的(先前分离的)一部分时便于脱结合。此类特征件的实例可以包括穿孔和/或微图案化表面，以提供接近于刚性载体的近端表面布置和/或允许与刚性载体的近端表面流体连通的孔或空腔。
可以使用各种工艺来促进晶体材料的(先前分离的)一部分与刚性载体之间的脱结合(de-bonding)。在某些实施方式中，可以采用热脱结合、机械脱结合、化学脱结合和/或光子脱结合。在某些实施方式中，可以通过热滑脱来执行脱结合，热滑脱涉及将粘合结合组件加热到足以使粘合材料软化和/或流动的温度，当刚性载体固定在适当位置(例如，由真空卡盘保持)时，外部剪切应力可以施加到晶体材料的部分以致使该部分横向滑动远离刚性载体。在某些实施方式中，粘合剂可以包含UV吸收材料，由此在分离之后在粘合剂上的UV发射的冲击可以用于引起晶体材料部分与载体之间的粘合剂的降解(例如，通过加热)，从而允许晶体材料部分被去除。粘合剂的化学去除可以利用足以降低粘合性和/或溶解粘合材料的任何适合的一种或多种化学试剂。如果使用化学脱结合，则可以在载体中提供一个或多个进入开口(例如，穿孔)以使化学品能够接触粘合材料。
表面下的激光损伤形成
用于在晶体材料中形成激光表面下的损伤的工具是本领域已知的，并且可从各种供应商(诸如，Disco公司(日本东京))商购获得。这种工具允许激光发射聚焦在晶体材料衬底的内部内，并且使得激光能够相对于衬底横向移动。典型的激光损伤图案包括形成平行线，该平行线在晶体材料衬底内的深度处相对于彼此横向间隔开。可以调整参数(诸如，聚焦深度、激光功率、平移速度和表面下的损伤线间距)以赋予激光损伤，但是某些因素的调整需要权衡。增加激光功率倾向于赋予更大的表面下的损伤，这可能增加断裂的容易性(例如，通过减小完成断裂所需的应力)，但是更大的表面下的损伤增加了沿由于断裂而暴露的表面的表面不规则性，使得可能需要额外的加工以使这些表面足够平滑以用于后续加工(例如，用于结合到电子器件中)。减小表面下的激光损伤线之间的横向间距还可增加断裂的容易性，但减小激光损伤线之间的间距增加衬底与激光之间的平移通过的数量，从而降低工具产量。
图7是激光工具29的一个实例的透视示意图，该激光工具被配置为将激光发射聚焦在晶体材料30内部以形成表面下的损伤40。晶体材料30包括上表面32和相对的下表面34，并且表面下的损伤40形成在位于上表面32与下表面34之间的晶体材料30的内部中。如果晶体材料包括SiC，则激光发射被引导通过的上表面32可以是C封端表面。激光发射36用透镜组件35聚焦以产生聚焦光束38，其中其焦点在晶体材料30的内部。这样的激光发射36可以以任何合适的频率(通常在纳秒、皮秒或飞秒范围内)和光束强度脉冲，其中波长低于晶体材料30的带隙以允许激光发射36聚焦在其表面以下的目标深度处。在焦点处，光束大小和短脉冲宽度导致能量密度高到足以导致形成表面下的损伤的非常局部化的吸收。可以改变透镜组件35的一个或多个特性，以将聚焦光束38的焦点调整到晶体材料30内的期望深度。可以实现透镜组件35与晶体材料30之间的相对横向运动(例如，横向平移)，以沿所需方向传播表面下的损伤40，如虚线42示意性所示。这种横向移动可以以各种模式重复，如图8A至图8D所示。
图8A至图8D提供了相对于晶体材料的示例性激光工具行进路径，用于在晶体材料内形成表面下的损伤。在某些实施方式中，激光工具部分(例如，包括透镜组件)可以被配置为在晶体材料静止时移动；在其他实施方式中，激光工具部分可以保持静止，而晶体材料相对于工具部分移动。图8A示出适合于在第一晶体材料50A内以横向间隔的平行线的图案形成表面下的损伤的y方向线性扫描移动52。图8B示出y方向和x方向线性扫描移动52、54，其适于以与第二晶体材料50B内的第二组横向间隔的平行线交叉的第一组横向间隔的平行线的图案形成表面下的损伤。图8C示出适合于在第三晶体材料50C内以同心圆形图案形成表面下的损伤的圆形移动56。图8D示出在晶体材料50D的整个表面上方(以及超过整个表面)的y方向线性扫描移动56，其足以形成分布通过晶体材料50D的平行表面下的激光损伤线，其中损伤线垂直于晶体材料50D的六方晶体结构的
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方向。如果需要，可以形成其他表面下的损伤图案(例如，螺旋、蜂窝、人字形等)。
在某些实施方式中，如本文所公开的晶体材料加工方法可以包括以下项目和/或步骤中的一些或全部。第二载体晶圆可以附接到晶体材料衬底(例如，锭)的底侧。在此后，研磨或抛光晶体材料衬底的顶侧以提供小于约5纳米的平均表面粗糙度Ra，从而制备用于传输激光能量的表面。然后，可以在晶体材料衬底内所需的一个或多个深度处施加激光损伤，其中激光损伤迹线的间隔和方向视情况取决于晶体材料衬底的晶体取向。将第一载体结合到晶体材料衬底的顶侧。链接到第一载体的识别码或其他信息与将从晶体材料衬底得到的晶圆相关联。或者，可以在分离之前对晶圆(不是载体)施加激光标记，以促进制造期间及制造之后的晶圆的可追溯性。然后沿表面下的激光损伤区域使晶体材料衬底断裂(使用本文所描述的一种或多种方法)，以提供与第一载体结合的晶体材料衬底的一部分和与第二载体结合的晶体材料衬底的其余部分。晶体材料衬底的去除部分和晶体材料衬底的其余部分都被研磨平滑并且根据需要进行清洁以去除残余表面下的激光损伤。晶体材料衬底的去除部分可以与载体分离。在此之后，可以使用晶体材料衬底的其余部分重复该工艺。
虽然SiC晶圆的线锯通常需要每个晶圆至少约250微米的切口损失，但是本文所公开并且应用于SiC的激光和载体辅助分离方法可以实现每个晶圆在80至140微米的范围内的切口损失。
图9是组件58的侧截面示意图，该组件包括具有表面下的激光损伤66的晶体材料衬底60并且通过中间布置的粘合材料层68接合到刚性载体72。组件58适于通过利用本文所公开的任何一种或多种方法沿表面下的激光损伤66使晶体材料衬底60断裂来促进沿表面下的激光损伤66去除晶体材料衬底60的一部分。晶体材料衬底60包括接近于粘合材料68的第一表面62，并且包括相对的第二表面64，其中表面下的激光损伤66比第二表面64更靠近第一表面62。刚性载体72还包括接近于粘合材料68的第一表面73和与第一表面73相对的第二表面74。粘合材料68在晶体衬底60的第一表面62与刚性载体72的第一表面73之间延伸。如所示，暴露的粘合唇部70围绕晶体材料衬底60的周边的至少一部分(或可选地，全部)设置，接近于晶体材料衬底60的第一表面62。在某些实施方式中，刚性载体72包括在期望的温度范围内具有比晶体材料衬底60的CTE大的CTE的材料，并且可以通过暴露于低温介质(例如，冷却液体)或条件来至少冷却刚性载体72(或载体和衬底60)来引发晶体材料60的断裂。
通过冷却具有载体/衬底CTE失配的刚性载体断裂
图10A至图10F示出根据本公开的一个实施方式的半导体加工方法的步骤，其利用接合到晶体材料的CTE失配的刚性载体。图10A是具有接合到刚性载体72的第一表面73的粘合材料层68并且具有与第一表面73相对的第二表面74的刚性载体72的侧截面示意图。为了促进与第一表面73的更好粘合，可以在施加粘合材料68之前蚀刻(例如，通过反应离子蚀刻)这种表面。粘合材料68可以通过任何合适的方法施加，诸如，旋涂、喷涂、浸涂、辊涂等。
图10B是包括图10A的刚性载体72和粘合材料68的组件58’的截面示意图，该组件接合到其中具有表面下的激光损伤区域66的晶体材料衬底60。如图所示，刚性载体72具有比晶体材料衬底60更大的直径或横向范围。图10B的组件58’类似于图9所示的组件，但缺少图9所示的暴露的粘合唇部。继续参考图10B，晶体材料衬底60包括接近于粘合材料68的第一表面62，并且包括相对的第二表面64，其中表面下的激光损伤66比衬底60的第二表面64更靠近第一表面62。刚性载体72还包括接近于粘合材料68的第一表面73，使得粘合材料68在晶体衬底60的第一表面62与刚性载体72的第一表面73之间延伸。粘合材料68可以根据所选择的结合方法(例如，高温热压粘合剂结合、压缩辅助UV结合、化学反应结合等)的要求来固化。虽然晶体材料衬底60的第二表面被示为是裸露的，在某些实施方式中，第二载体(未示出)可以结合(临时或永久)到衬底60的第二表面64，其中第二载体可选地不宽于衬底60和/或与衬底60CTE匹配。
图7C是在将刚性载体72的第二表面74定位在冷却设备的支撑表面78上之后的图10B的组件的截面示意图，该冷却设备是处于被配置为接收冷却液体的冷却卡盘76的形式。刚性载体72与冷却卡盘76之间的接触导致热量从刚性载体72转移到冷却卡盘76，使得刚性载体72快速冷却。在这种冷却过程期间，刚性载体72将横向收缩至比晶体材料衬底60更大的程度，由此在晶体材料衬底60上施加剪切应力。由于在将刚性载体72接合到晶体材料衬底60的粘合剂层68附近存在表面下的激光损伤66，在衬底60上施加剪切应力导致晶体材料沿表面下的激光损伤区域66或接近于表面下的激光损伤区域66断裂。
在某些实施方式中，冷却卡盘76具有比刚性载体72的直径更小的直径。已经发现，仅需要来自刚性载体72的第二表面74，并且可以仅需要覆盖刚性载体72的中心部分方进行图10C的组件的冷却，以在横向(即，从中心到边缘)和垂直(即，从晶体材料衬底60到刚性载体72)两者上产生温差。虽然冷却卡盘76可以被供应有冷却液体，但是刚性载体72不必达到液氮温度(-160℃)以成功地完成晶体材料衬底60的热致断裂。使用维持在-70℃的冷却卡盘断裂由结晶蓝宝石衬底支撑的单个SiC材料已经获得了有利的分离结果。可以使用从两相泵送的蒸发冷却系统接收的各种冷却液体(诸如，液体甲醇，其在-97℃在其冰点以上保持可流动)来维持这样的温度。通过在维持在-20℃的冰箱中冷却载体、粘合剂和衬底也已经获得了有利的分离结果，其中，这样的温度可以使用单相蒸发冷却系统来维持。能够使用单相蒸发冷却系统或双相泵送蒸发冷却系统而不是液氮显著降低了操作成本。
图10D是在沿表面下的激光损伤区域使晶体材料断裂之后，从包括刚性载体72、粘合材料68、以及从衬底60A的其余部分去除的晶体材料80的一部分的结合组件(在液冷卡盘76的顶部)分离的晶体材料衬底60A的其余部分的截面示意图。晶体材料衬底60A的其余部分由与第二表面64相对的新的第一表面63(具有残余激光损伤66A)界定。对应地，晶体材料80的去除部分由与第一表面62相对的新的第二表面82(具有残留激光损伤66B)界定。在此之后，包括刚性载体72、粘合材料68和晶体材料80的去除部分的结合组件85可以从冷却卡盘76抽出。
图10E是图10D的结合组件85在从液体冷却卡盘76抽出之后的截面示意图。保持附接到刚性载体72的晶体材料80的去除部分有利地为晶体材料80的去除部分提供机械支撑，以允许在新表面82上执行一个或多个表面加工步骤(例如，研磨、抛光等)，去除残余激光损伤66B并且实现晶体材料80的期望厚度(例如，通过研磨，可选地随后进行化学机械平坦化(CMP)和/或各种抛光步骤)。在某些实施方式中，激光损伤去除和变薄可以包括用2000粒度抛光垫和7000粒度抛光垫的顺序研磨/抛光操作，以及为后续操作(例如，表面注入、激光标记(例如，接近于晶圆平面)、外延层的形成、金属化等)制备新表面82的任何适当的抛光和清洁步骤。
图10F是由加热的真空卡盘86的上表面88支撑的晶体材料80的去除部分的截面示意图，其中刚性载体72和粘合材料68在升高的温度软化并且释放粘合材料68之后被横向平移远离晶体材料82的去除部分。即，加热的真空卡盘86可以将粘合材料68加热到足够的温度以软化和/或流动，使得在向刚性载体72的第二表面74施加外部剪切应力时，刚性载体72被允许横向平移远离由加热的真空卡盘86临时保持在位的晶体材料82的去除部分。在此此后，加热的真空卡盘86可以被停用，并且晶体材料82的去除的部分体现为自支撑材料。如果期望的话，可以将来自粘合剂68的任何残余物从刚性载体72的第一表面73去除和清洁，并且刚性载体72任选地可以再用于另一断裂操作。所去除的晶体材料然后可以用作用于沉积一个或多个外延层和导电金属层的生长衬底以形成器件晶圆，然后被单片化以形成分立的半导体器件。
在某些实施方式中，冷却的卡盘可以放置在冷却剂浴槽(例如，液氮或其他冷却剂液体(诸如，从泵送的蒸发冷却系统接收的甲醇)的浴)内，以实现由适当的CTE失配的刚性载体支撑的晶体材料衬底的热致断裂。
图11是根据图10C的组件在冷却设备上的截面示意图，该冷却设备处于布置在冷却液体79(例如，从泵送的蒸发冷却系统接收的甲醇或液氮)浴中的冷却卡盘76A的形式。粘合材料68布置在刚性载体72和具有表面下的激光损伤区域66的晶体材料衬底60之间，该表面下的激光损伤区域比衬底60的相对的第二表面64更靠近接触粘合材料68的第一表面62，并且第一表面62接触粘合材料68。刚性载体72包括接触粘合材料68的第一表面73和布置为与冷却卡盘76A的支撑表面78A接触的相对的第二表面74。冷却卡盘76A的直径小于刚性载体72的直径。冷却卡盘76A布置在足以将冷却卡盘76A的温度降低至冷却剂温度或接近冷却剂温度的冷却剂浴(例如，液氮浴)中。在某些实施方式中，冷却卡盘76A和冷却剂浴79可以布置在可关闭的绝缘容器(未示出)中，由此，可选择性地打开容器，以允许具有附接的粘合材料68的刚性载体72和具有表面下的激光损伤66的晶体材料衬底60放置成与冷却卡盘76A接触，以沿表面下的激光损伤区域66使单晶材料衬底60快速断裂。
图12是包括具有由底壁96界定的圆柱形侧壁94的容器92的冷却设备90的透视图，其中卡盘100由导热间隔件98(例如，铝轨)支撑在底壁96上方。虽然卡盘100是足以对工件施加抽吸的类型，但是在冷却操作期间不需要提供真空抽吸功能(由被配置为连接到真空源的抽吸端口102和沿卡盘上表面106布置的穿孔104提供)。在使用中，冷却液体可以被供应到容器92以接触间隔件98，但不必接触卡盘100本身的整个宽度。热量可以通过导热间隔件98从卡盘100转移到冷却液体。在实验中，根据所示设计的真空卡盘100已维持在约-70℃的温度下。如图10B中所示的组件58’的载体侧可以放置在卡盘上表面106上，以使刚性载体被快速冷却。由于载体和粘附于其的晶体材料衬底之间的CTE失配，将沿表面下的激光损伤区域诱导热致断裂。在没有机械干预的情况下，本发明人在高达约-20℃的温度下使用在本文所公开的热塑性粘合剂观察到4H-SiC的自发分离。
载体形状和相对于晶体材料的定位
如前所讨论，(多个)刚性载体可以期望地具有横向尺寸(例如，直径、或长度和宽度)，当与本文所公开的方法一起使用时，横向尺寸至少与结合到其的衬底的对应尺寸一样大或超过结合到其的衬底的对应尺寸。图13A至图13E是包括各自接合到晶体材料的衬底的不同形状的载体的结合组件的顶视图，其中图13F和13G分别提供了图13D和13E的结合组件的侧截面图。图13A示出包括具有平坦部114和与平坦部114相对的圆化部分116的大致圆形衬底112的第一结合组件110，其中衬底112结合到与衬底112大致同心的方形载体118。图13B示出具有平坦部124和与平坦部124相对的圆化部分126的大致圆形衬底122的第二结合组件120，其中衬底122结合到与衬底122大致同心的圆形载体128。由于局部减小衬底122直径的平坦部124的存在，载体128的较大边界部分129设置接近于平坦部124。图13C示出具有平坦部134和与平坦部134相对的圆化部分136的大致圆形衬底132的第三结合组件130，其中衬底132粘合到与衬底132不同心的圆形载体138，使得衬底132的圆化部分136实质上比衬底132的其余部分更靠近载体138的边缘。载体138的较大边界部分139将与圆化部分136相对存在，即使平坦部134不存在，但在平坦部134存在的情况下，载体138的边界部分139甚至比图13B中所示的边界部分129更大。在一个区域处存在局部增大的边界和在一个相对区域处存在局部减小的边界可能有利于允许在某些实施方式中结合到载体138的衬底132的机械断裂，其中局部增大的边界容纳撬动工具(未示出)的存在，以及局部减小的边界提供有限的悬垂，否则可能抵抗上衬底的倾斜运动(取决于分离设备的几何形状)。
图13D和图13F示出包括具有平坦部144和与平坦部144相对的圆化部分146的大致圆形的衬底142的第四结合组件140，其中衬底142结合到基本上与衬底142同心的主要圆形载体148，但是其中载体148包括提供接近于衬底142的平坦部144的局部增大的边界的单个横向突出的凸耳部分149。载体148的横向突出的凸耳部分149可以与平坦部144对准，以允许以这样的方式施加局部机械力，从而在垂直于平坦部144的方向上施加倾向于引发断裂的弯曲力矩。如图13F所示，可以在衬底142下方提供相同或不同形状的第二载体148’，表面下的激光损伤区域143更靠近上载体148。凸耳部分149的存在允许单个撬动工具(未示出)插入载体148、148’之间。
图13E和13G示出包括具有平坦部154和与平坦部154相对的圆化部分156的大致圆形的衬底152的第四结合组件150，其中衬底152结合到基本上与衬底152同心的主要圆形载体158，但是其中载体158包括提供局部增大的边界区域的相对的第一和第二横向突耳部分159A、159B，其中一个局部增加的边界区域接近于衬底152的平坦部154。载体158的横向突出的凸耳部分159A、159B可以与平坦部154对准，以允许以这样的方式施加局部机械力，从而在垂直于平坦部154的方向上施加倾向于引发断裂的弯曲力矩。如图13G所示，可以在衬底152下方提供相同或不同形状的第二载体158’，表面下的激光损伤区域153更靠近上载体158。横向突出的凸耳部分159A、159B的存在允许工具(未示出)插入载体158、158’之间以施加机械力。下文结合图15A至图15D和图16A至图16B讨论了关于施加机械力以沿表面下的激光损伤区域引发晶体材料的断裂的附加细节。
虽然图13F和图13G示出上载体和下载体148、148’、158、158’的横向尺寸超过衬底142、152的横向尺寸，应当理解，在某些实施方式中，下载体148’、158’不大于对应衬底142、152(例如，如果衬底142、152由真空卡盘或其他装置固持)，以提供用于抵抗施加到上载体148、158的机械力的基础。
由超声能量诱导的断裂
用于沿粘合到刚性载体的晶体材料的激光诱导表面下的损伤区域实现断裂的另一种方法涉及在处于结合状态时向晶体材料施加超声能量。图14是组件58A的截面示意图，该组件包括具有表面下的激光损伤66A’的晶体材料60A并且使用中间粘合材料68A结合到刚性载体72A，其中组件58A布置在超声发生器设备160的液浴165中。设备还包括布置为与超声发生元件164接触的容器162，其中容器162容纳液浴165。刚性载体72A的存在可以减少或消除晶体材料60A在受到超声能量时的破裂，特别是如果在分离之前残留应力保留在刚性载体72A与晶体材料60A之间(例如，由于CTE失配)。这种残余应力可以减少引发晶体材料断裂所需的超声能量的量，从而降低材料断裂的可能性。就这一点而言，应当指出的是，特别考虑结合两种或更多种断裂技术(例如，CTE失配和超声诱导的断裂；或CTE失配和机械诱导的断裂；或超声诱导和机械诱导断裂。在某些实施方式中，超声浴的液体可以在施加超声能量之前或期间冷却。
由机械力诱导的断裂
在某些实施方式中，可以通过接近于载体的至少一个边缘施加机械力(例如，可选地定位在一个或多个点处)来促进结合到刚性载体的晶体材料的断裂。这种力可以在载体的至少一部分中赋予弯曲力矩，这种弯曲力矩被转移到表面下的激光损伤区域以引发断裂。
如本文前面所讨论，可以同时或依次使用多种断裂技术。某些实施方式可以利用CTE失配结合机械力。如果衬底与载体之间存在显著的CTE失配并且温度被适当地降低，则可能需要更小(或为零)的机械力来促进分离。相反，如果在衬底与载体之间存在低(或零)程度的CTE失配，则可能需要更多的机械力来完成分离。
在图15A至图15D和图16A至图16B中示出通过施加机械力促进具有表面下的损伤且粘合到刚性载体的晶体材料的断裂的示例性实施方式。
图15A至图15D是截面示意图，示出通过接近于衬底142结合的载体148的一个边缘施加机械力而使具有表面下的激光损伤143的晶体材料衬底142断裂的步骤。这些图利用图13D和图13F中所示的相同结合组件140。结合组件包括具有在刚性载体148、148’之间结合(根据本文所公开的任何结合方法)的表面下的激光损伤区域143的晶体材料衬底142。每个刚性载体148、148’包括与衬底142的平面145对准的横向突出的凸耳部分149、149’，从而提供限定工具166可插入其中的凹部141的局部增大的边界区域。图15A示出将工具166插入凹部141之前的状态。图15B示出当工具166向上倾斜时在将工具166插入凹部中之后的状态，由此在趋向于促进刚性载体148、148’之间的分离的方向上施加撬动力，从而在至少一个载体148上施加弯曲力矩M。在某些实施方式中，衬底142包括具有六方晶体结构的材料(例如，4H-SiC)，并且弯曲力矩M被定向在垂直于六方晶体结构的
Figure BDA0003138148740000361
方向的±5度内(或等效地在平行于[1-100]方向的±5度内)。如果衬底142包括离轴(邻位)材料，则弯曲力矩M的这种取向是特别需要的；如果衬底142包括同轴材料，则这种取向可能不太重要。图15C显示晶体材料衬底142沿表面下的激光损伤区域143初始断裂之后的状态，由此晶体材料的上部分142A仍结合到上载体148，并且晶体材料的下部分142B保持结合到下载体148’，并且上载体148相对于下148’向上倾斜。图15D示出在断裂完成且去除工具166之后的状态，从而产生与第二结合组件168B(包括晶体材料的下载体148’和下部分142B)分离的第一结合组件168A(包括晶体材料的上载体148和上部分142A)。
在某些实施方式中，可以接近于衬底粘合的刚性载体的相对边缘施加机械力，以促进结合到载体的具有表面下的激光损伤的晶体材料的断裂。图16A是用于通过沿刚性载体176(用粘合材料174结合到衬底172)的相对边缘施加机械力来在载体174的部分赋予弯曲力矩M1、M2，从而沿表面下的激光损伤区域173使晶体材料衬底172断裂的设备170的截面示意图。限制元件171(例如，真空卡盘、下衬底或其他支撑件)可以设置在衬底172下方。载体176的横向范围(例如，直径、或长度和宽度)大于衬底172，其中载体176形成相对的横向突出的唇部179A、179A，该唇部可以由提升构件175A、175B接收。载体176的中央部分由限制构件177限制提升(例如，向下下压)。当提升构件175A、175B向横向突出的边缘179A、179B施加竖直提升力，并且限制构件177阻止载体176的中央部分向上移动时，相反的弯曲力矩M1、M2施加在载体176上，并且弯曲力矩M1、M2通过粘合材料174传输到衬底172，以沿表面下的激光损伤区域173引发衬底172的断裂。此后，可以释放限制构件177和提升构件175A、175B，并且可以完成断裂。图16B示出其中断裂完成的状态，从而产生包括刚性载体176、粘合材料174和与晶体材料172的其余部分分离的晶体材料衬底部分172A的结合组件178。晶体材料衬底部分172A的暴露表面173A、173B和晶体材料172的其余部分可以表现可以通过常规表面加工步骤(例如，研磨、CMP和/或抛光)来减少的表面不规则性。在某些实施方式中，可以在晶体材料衬底部分172A上执行此类表面加工步骤，而此类部分保持结合到刚性载体176。
尽管图15A至图15D和16A至图16B提供了促进沿表面下的激光损伤区域机械断裂衬底的具体设备的实例，但应当理解，如本领域普通技术人员所认识到的，可以使用其他设备来实施本文所公开的方法。
在载体粘合之前或之后的表面下的激光损伤形成
虽然本文先前已描述了在结合到刚性载体之前在晶体材料衬底中形成激光表面下的损伤，但在某些实施方式中，在形成表面下的激光损伤之前，可以将对所需波长的激光发射透明的刚性载体结合到晶体材料衬底。在这样的实施方式中，激光发射可以穿过刚性载体传输到晶体材料衬底的内部。图17A至图17C示出不同的载体-衬底表面下的激光形成配置。图17A是激光发射181通过裸衬底182的表面聚焦以在衬底182内形成表面下的激光损伤183，由此在形成表面下的激光损伤之后，可以将刚性载体固定到衬底182的示意图。图17B是通过衬底182的表面聚焦的激光发射181在衬底182内形成表面下的激光损伤183的示意图，其中衬底182先前已经使用粘合材料184结合到刚性载体186。图17C是激光发射181通过刚性载体186和粘合剂184聚焦以在先前结合到刚性载体186的衬底182内形成表面下的激光损伤183的示意图。在某些实施方式中，衬底182的远离载体186的表面可以包括一个或多个外延层和/或金属化层，其中在形成表面下的激光损伤183之前衬底182实施体现可操作的器件。图17D是通过刚性载体186聚焦到衬底182(没有中间粘合剂层)中以在先前结合(例如，经由阳极结合或其他无粘附装置)到刚性载体186的衬底182内形成表面下的激光损伤183的激光发射181的示意图。
器件晶圆分割工艺
在某些实施方式中，可以在晶体材料上形成至少一个外延层(以及可选地至少一个金属层))作为可操作的基于半导体的器件的一部分之后，可以将激光和载体辅助分离方法应用于晶体材料。此器件晶圆分割工艺对于通过显著减少在器件形成之后研磨掉衬底材料的需要而增加晶体材料的产量(且减少浪费)的能力特别有利。
图18A至图18O是示出器件晶圆分裂工艺的步骤的截面示意图，根据该工艺，厚晶圆从晶体材料断裂，至少一个外延层生长在厚晶圆上，并且使厚晶圆断裂以形成第一结合组件和第二结合组件，第一结合组件和第二结合组件各自包括载体和从厚晶圆分割的薄晶圆，其中第一结合组件包括作为可操作的基于半导体器件的一部分的至少一个外延层。
图18A示出具有第一表面191和相对于第一表面布置在预定深度的表面下的激光损伤193的晶体材料衬底190。图18B示出在第一表面191上方添加粘合材料194之后的图18A的衬底190。图18C示出在使用粘合材料194将刚性载体196结合到衬底190上之后图18B中所描绘的项目。图18D示出在衬底190沿表面下的激光损伤193断裂(例如，使用本文所描述的一种或多种方法)之后的图18D的项目，产生衬底190的其余部分，该其余部分与包括载体196、粘合材料194和从衬底190去除的晶体材料部分(例如，厚晶圆)192的结合组件分离。在某些实施方式中，厚晶圆192可以具有在大约350至750微米的范围内的厚度。厚晶圆192的暴露表面193A、193B和衬底190的其余部分可以分别表现出可以通过诸如研磨、CMP、抛光等的表面加工步骤减少的表面不规则性。图18E示出在从载体196脱结合和去除之后的厚晶圆192，其中厚晶圆192包括垂直边缘轮廓。晶圆的垂直边缘容易断裂，在晶圆处理期间产生不可接受的边缘碎片和颗粒。为了降低破裂的风险，晶圆边缘可以被边缘研磨以产生具有斜切或圆化边缘的非垂直晶圆边缘。图18F示出了厚晶圆192由接近于旋转轮廓研磨工具199的转盘198支撑，该旋转轮廓研磨工具199具有凹形切割表面199A(例如，浸渍有金刚石颗粒)，该凹形切割表面199A被配置为向厚晶圆192赋予圆化边缘轮廓197。图18G示出了在边缘研磨(也称为边缘轮廓)之后的厚晶圆192，其中该厚晶圆包括提供第一晶圆表面201与第二晶圆表面202之间的边界的圆化边缘197。
图18H示出了在厚晶圆201的第一表面201上或上方沉积一个或多个外延层203之后的图18G的项目。由于粘合剂与外延固有的高温不相容性，因此不存在图18D中所示的载体。图18I示出了在外延层203上方形成导电(例如，金属)触点204以形成至少一个可操作的半导体器件之后的图18H的结构，其中，厚晶圆192仍具有圆化边缘197。常规地，研磨将在第二表面202上执行以将厚晶圆192减薄至对于所得器件的适当厚度(例如，对于肖特基二极管或MOSFET为100至200微米)。本文所公开的方法减少了对晶圆研磨的需要，而是利用激光和载体辅助分离来去除厚晶圆的一部分，使得其可以被表面精整并且用于制造另一可操作的半导体器件。
发明人发现，厚晶圆192上的圆化边缘197的存在抑制了接近于边缘197的表面下的激光损伤的受控形成，因为圆化轮廓对激光聚焦和深度控制产生负面影响。为了解决这个问题，可以在进一步激光加工之前去除厚晶圆192的圆化边缘197。图18J示出了图18I的结构经受使用边缘研磨机206的研磨以研磨掉圆化边缘197并且赋予在厚晶圆192的第一表面201与第二表面202之间延伸的基本上垂直的边缘205，其中外延层203和触点204布置在第一表面201上方。
图18K示出了在厚晶圆192的第一表面201、外延层203和触点204上方添加临时粘合材料207以准备接收并粘附第一载体之后的图18J的结构。图18L示出了在临时粘合材料207上添加第一载体208之后并且在通过穿过厚晶圆192的第二表面202的聚焦激光发射的冲击而在厚晶圆192内形成表面下的激光损伤209之后的图18K的结构。图18M示出了在将刚性第二载体210结合到接近于表面下的激光损伤209的厚晶圆192的第二表面202之后的图18L的结构。出于分离的目的，刚性第二载体210将充当旨在去除厚晶圆192的一部分(即，层)的前侧载体。
图18N示出了在应用如本文所公开的至少一个断裂工艺以沿表面下的激光损伤209断裂厚晶圆192以产生第一和第二结合子组件212A、212B之后的图18M的项目。第一结合子组件212A包括第一薄晶圆部分192A(与图18M的厚晶圆192分离)、外延层203、触点204、临时粘接剂材料、以及第一载体208。第二结合子组件212B包括第二薄晶圆部分192B(与图18M的厚晶圆192分离)和第二载体210。薄晶圆部分192A、192B的暴露表面209A、209B可能由于激光损伤和/或断裂而表现出通过常规表面加工步骤(例如，研磨、CMP和/或抛光)减少的表面不规则性。图18O示出了通过去除临时粘合剂207和第一载体208而从第一结合的子组件212A得到的可操作的半导体器件214。在去除第二载体210之后，此图还有第二薄晶圆部分192B以制备第二薄晶圆部分192B用于进一步加工(例如，外延生长)。
包括重新使用载体晶圆的示例性方法
图19是示意性示出根据本公开的方法的步骤的流程图。从左上开始，激光器216可以将激光发射聚焦在厚晶体材料衬底220(例如，SiC锭)的第一表面222下方，以产生表面下的激光损伤区域218。如果衬底220是SiC材料，则激光发射可以通过SiC衬底220的C封端面照射。在此之后，载体晶圆224可以结合到晶体材料衬底220的第一表面222，其中载体晶圆224包括第一表面226(接近于衬底220的第一表面222)和与载体晶圆224的第一表面226相对的第二表面228。载体晶圆224与晶体材料衬底220之间的这种结合可以通过本文所公开的任何方法(诸如，粘合剂结合或阳极结合)来执行。在此之后，施加如本文所公开的断裂过程(例如，冷却CTE失配的载体、施加超声能量、和/或施加机械力)，以沿表面下的激光损伤区域218断裂晶体材料220，使得结合到载体晶圆224的晶体材料部分230与晶体材料衬底220A的其余部分分离。具有残余激光损伤的晶体材料衬底220A的其余部分的新暴露表面232A经研磨平滑且清洁，并且返回至工艺开始(在图19的左上方)。此外，去除的晶体材料230的新暴露表面234在附接到载体224的同时被研磨成光滑的。在此之后，载体晶圆224可以从晶体材料230的去除部分分离，并且晶体材料230可以经受一个或多个层的外延生长以形成外延器件230’，同时载体晶圆224被清洁并返回到该过程的开始(在图19的左上部)以实现晶体材料衬底220的另一相对薄的部分的去除。
图20是示出了表面下的激光损伤218的图19的晶体材料衬底(例如，SiC锭)220的一部分的截面示意图，其中叠加的虚线识别预期的切口损失材料区域240。预期的切口损失材料区域240包括激光损伤218以及要从晶体材料部分230(例如，SiC晶圆)的下表面238(例如，Si封端面)机械地去除(例如，通过研磨和抛光)以与衬底220分离的材料234，加上要从衬底220的其余部分220A的上表面232A(例如，C封端)表面机械地去除(例如，通过研磨和抛光)的材料236。晶体材料部分230的下表面238与其上表面222相对。在某些实施方式中，对于SiC，整个切口损失材料区域可以具有在80至120微米范围内的厚度以提供足以进行进一步加工的衬底上表面232A和晶圆下表面238。
具有多个研磨站的材料加工/步骤
在某些实施方式中，经受激光加工和断裂的晶体材料可以进一步用多个表面研磨步骤加工以去除表面下的损伤和边缘研磨以赋予斜切或圆化边缘轮廓，其中，选择研磨步骤的顺序和/或使用保护性表面涂层来降低赋予额外表面损伤的可能性并且使晶体材料晶圆准备好用于化学机械平坦化。这些步骤可以例如使用根据本文所公开的实施方式的材料加工设备来执行，其中，示例性设备包括激光加工站、断裂站、在断裂站下游平行布置的多个粗磨站、以及在粗磨站下游布置的至少一个细磨站。当加工通过线锯切割的晶圆时，通常在表面研磨或抛光之前执行边缘研磨以去除线锯表面损伤。然而，发明人已发现，具有激光损伤结合断裂损伤的衬底部分(例如，晶圆)的边缘研磨增加了衬底部分开裂的可能性。虽然不期望受关于这种现象的原因的任何特定理论的束缚，但据信如果在至少一些表面加工(研磨和/或抛光)之前进行边缘研磨，则由表面断裂产生的暴露的解理平面使表面易于开裂。为此，已发现在边缘研磨之前执行至少一些表面加工(例如，研磨和/或抛光)是有益的。
已经发现，粗研磨步骤(即，沿衬底部分和块衬底的断裂表面去除激光损伤和断裂损伤)往往需要比先前的激光加工和断裂步骤显著更长的时间来完成，并且比后续的细研磨步骤显著更长的时间来完成。为此，平行设置多个粗磨站以消除从块晶体材料(例如，锭)制造多个晶圆中的瓶颈。在某些实施方式中，机器人加工机可以布置在多个粗研磨站的上游和下游，以控制衬底部分的装载和卸载。在某些实施方式中，载体结合站可以设置在激光加工站与去断裂站之间，并且载体除站可以设置在边缘研磨站的上游(直接或间接)。载体可以理想地在至少一些表面研磨步骤期间保持结合到衬底部分以降低破裂的可能性，特别是对于薄衬底部分(例如，晶圆)；然而，优选在边缘研磨之前(或在边缘研磨之前用保护涂层涂覆晶圆之前)去除载体。
在某些实施方式中，载体结合站可以使用预涂覆有临时结合介质的载体，将载体对准并按压到衬底表面，并且使结合介质经受必要的条件(例如，热和压力)以实现载体和衬底之间的结合。或者，载体结合站可以包括可以根据需要用来涂覆载体或衬底的涂覆站。
图21是根据一个实施方式的材料加工设备300的示意图，其包括激光加工站302、载体粘合站303、材料断裂站304、平行布置的多个粗研磨站308A、308B、精研磨站312、载体去除站313、以及CMP站314。激光加工站302包括至少一个激光器和用于至少一个衬底的支架，该支架布置为接收用于在晶体材料(例如，锭)中形成表面下的激光损伤的至少一个激光束。载体结合站303被配置为将晶体材料(在其中具有表面下的激光损伤)结合到至少一个刚性载体。断裂站304布置为从载体结合站303接收一个或多个组件(每个组件包括结合到刚性载体的衬底)，并且沿表面下的激光损伤区域断裂至少一个衬底以去除衬底部分(其可类似于结合到载体的晶圆)。第一和第二粗研磨站308A、308B平行布置在断裂站304的下游，其中第一机械加工机306设置成将从断裂站304接收的衬底部分(作为结合组件的一部分)交替地递送到第一粗研磨站308A或第二粗研磨站3048B。在第一和第二粗研磨站308A、308B的下游，提供第二机械加工机310以将粗研磨的衬底部分(作为结合组件的一部分)递送到精研磨站312。载体去除站313设置在精研磨站312的下游，并且用于将研磨的衬底部分与载体分离。化学机械平坦化(CMP)站314布置在载体去除站313的下游，以制备衬底部分以供进一步加工(诸如，清洁与外延生长)。CMP站314用于去除精磨后残留的损伤，其本身去除粗磨后残留的损伤。在某些实施方式中，每个粗研磨站308A、308B包括具有小于5000粒度的研磨表面的至少一个研磨轮，并且精研磨站312包括具有至少5000粒度的研磨表面的至少一个研磨轮。在某些实施方式中，每个粗研磨站308A、308B被配置为从晶体材料部分(例如，晶圆)去除20微米至100微米的晶体材料的厚度，并且精研磨站312被配置为以去除3微米至15微米的晶体材料的厚度。在某些实施方式中，每个粗研磨站308A、308B和/或精研磨站312可以包括多个研磨子站，其中，不同的子站包括不同粒度的研磨轮。
根据图21的设备可以被修改以适应边缘研磨以赋予晶体衬底部分(诸如，晶圆)的圆化或斜切边缘轮廓。这种边缘轮廓将降低晶圆边缘破裂的风险。当衬底部分结合到载体时，可以不执行边缘研磨；因此，载体去除站可以布置在边缘研磨站的上游(直接或间接)。
图22示出根据类似于图21的一个实施方式的材料加工设备320，但包括边缘研磨站332。材料加工设备320包括激光加工站322、载体结合站323、材料断裂站324、第一机器人加工机326、平行布置的多个粗磨站328A、328B、第二机器人加工机328、载体去除站331、边缘研磨站332、精研磨站334、以及CMP站336。示例性边缘研磨站332可以被布置为接近于具有凹形的旋转研磨工具的转台的上夹持部与下夹持部之间夹持晶圆(例如，如图18F中所示)。以这种方式夹持晶圆可能不期望地对晶圆表面(例如，SiC晶圆的Si封端表面)造成损伤。为此，图22所示的边缘研磨站332布置在精研磨站334的上游，以允许在精研磨站334中去除由边缘研磨站332产生的任何表面损伤。虽然精研磨站334可以去除小程度厚度的晶圆，从而改变由边缘研磨站332产生的圆化或斜切边缘轮廓，但是将保留足够程度的圆化或斜切边缘轮廓以抑制晶圆边缘的断裂。
根据图22的设备320可以用于执行用于加工包括在其上具有表面损伤的第一表面的晶体材料晶圆的方法，该晶体材料晶圆其中第一表面由边缘界定。方法包括用至少一个第一研磨设备研磨第一表面以去除表面损伤的第一部分；在用至少一个第一研磨设备研磨第一表面之后，对边缘进行边缘研磨以形成斜切或圆化边缘轮廓；以及在边缘研磨之后，用至少一个第二研磨设备研磨第一表面以去除表面损伤的第二部分，该第二部分足以使第一表面适合于通过化学机械平坦化进行进一步加工。在某些实施方式中，第一研磨设备可以体现在粗研磨站328A、328B中，边缘研磨可以由边缘研磨站332执行，并且第二研磨设备可以体现在精研磨站312中。在某些实施方式中，可在用至少一个第一研磨设备研磨第一表面之后且在边缘研磨边缘以形成斜切或圆化边缘轮廓之前，执行载体移除步骤。
在某些实施方式中，可以采用保护性表面涂层来降低在边缘研磨期间给予额外的表面损伤的可能性并且使晶体材料晶圆准备好用于化学机械平坦化。这种表面涂层可以包括光致抗蚀剂或任何其他合适的涂层材料，可以在边缘研磨之前施加，并且可以在边缘研磨之后去除。
图23是根据与图21相似的一个实施方式的材料加工设备340的示意图，但在精研磨站352与边缘研磨站356之间结合有表面涂覆站354，并且在边缘研磨站356与CMP站360之间结合有涂层去除站358。材料加工设备340还包括激光加工站342、材料断裂站344、第一机械加工器346、平行布置的多个粗研磨站348A、348B、以及精研磨站352上游的第二机械加工机348。涂覆站354可以被配置为通过例如旋涂、浸涂、喷涂等方法施加保护涂层(例如，光致抗蚀剂)。保护涂层应具有足够的厚度和坚固性，以吸收边缘研磨站365可能产生的任何损伤。对于SiC晶圆，Si封端表面可以涂覆有保护涂层，因为Si封端表面通常是在其上执行外延生长的表面。涂层去除站358可以被配置为通过化学、热和/或机械手段剥离涂层。
根据图23的设备340可以用于执行用于加工包括在其上具有表面损伤的第一表面的晶体材料晶圆的方法，该晶体材料晶圆其中第一表面由边缘界定。该方法包括用至少一个第一研磨设备(例如，粗研磨站348A、348B)研磨第一表面以去除表面损伤的第一部分；然后用至少一个第二研磨设备(例如精研磨站352)研磨第一表面以去除表面损伤的第二部分，该第二部分足以使第一表面适合于通过化学机械平坦化进行进一步加工；在此之后，在第一表面上形成保护性涂层(例如，使用表面涂覆站354)；然后(例如，使用边缘研磨站356)对边缘进行边缘研磨以形成带斜切或圆化边缘轮廓；以及在此之后，从第一表面去除保护涂层(例如，使用涂层去除站)。在此之后，可以通过化学机械平坦化(例如，通过CMP站360)来加工第一表面，从而使第一表面(例如，晶圆的Si封端表面)准备好进行后续加工(诸如，表面清洁和外延生长)。
在某些实施方式中，夹持设备可以被配置为保持具有与其侧壁不垂直的端面的锭，以允许用激光加工端面形成表面下的损伤。在某些实施方式中，夹持效应器可以符合当从上方观察时具有圆形截面的倾斜侧壁。在某些实施方式中，夹持效应器可以包括允许夹持效应器符合倾斜侧壁的接头。
图24A是根据一个实施方式的用于保持锭364的第一夹持设备362的示意性侧视截面图，该锭具有不垂直于其侧壁370的端面366、368。上端面366水平布置以接收激光束376。下端面368可以具有附接至下端面368的载体372，其中卡盘374(例如，真空卡盘)保持载体372。提供具有非垂直面的夹持效应器378以夹持锭364的侧壁370，其中，夹持效应器378相对于水平致动杆380以非垂直角度A1、A2布置。如图所示，使用夹持设备362保持锭364(例如，接近于其底部)使得上端面366和侧壁370的上部可用于使用本文所公开的方法进行加工。
图24B是根据一个实施方式的用于保持锭364’的第二夹持设备362’的示意性侧视截面图，该锭具有不垂直于其侧壁370’的端面366’、368’。上端面366’水平布置为接收激光束376，而下端面368’可以具有与其附接的载体372’，其中载体372’由卡盘374’保持。提供具有非垂直面的夹持效应器378’以夹持锭364’的侧壁370’，其中，夹持效应器378’相对于水平致动杆380’以非垂直角度A1、A2布置。枢轴接头382’设置在致动杆380’与夹持效应器378’之间，从而便于夹持效应器378’与锭364’的侧壁370’之间的自动对准。
图25是绘制蓝宝石的线性热膨胀系数随温度变化的线形图，具有平行于蓝宝石C轴线的CTE和垂直于蓝宝石C轴线的CTE的叠加图。图26是绘制SiC的线性热膨胀系数随温度变化的线形图，具有沿SiC c轴线和SiC a轴线的CTE的叠加图。比较图25和图26，蓝宝石(图25中)在轴线之间表现出比SiC更大的CTE变化。还可以看出，蓝宝石在宽的温度范围内具有比SiC大的CTE。
图27是提供各种晶体材料和金属的线性热膨胀系数的比较的柱状图，据信在25℃下建立。可以看出，SiC具有约3的CTE，而蓝宝石具有约7(约2.3倍大)的CTE。虽然图27中未示出，但是已经单独确立PDMS聚合物的CTE在-55至150℃的温度范围内为3.0x10-4℃。该值比图27所示蓝宝石的约7.0x10-6℃CTE值大两个数量级。
图28是绘制用于划分成以下三组的各种材料的弹性模量(杨氏模量)值的图：(1)金属和合金；(2)石墨、陶瓷和半导体；以及(3)聚合物。弹性模量是测量固体材料的刚度的机械性质，在单轴线变形的线性弹性状态中限定材料的应力和应变之间的关系。如图28中可见，金属和半导体表示出的弹性模量值比聚合物的这些值大至少一个数量级。虽然在图28中未显示确切的值，但已经单独确立蓝宝石的弹性模量为345GPa，而镍具有190GPa的弹性模量。相比之下，聚合物PDMS具有在0.57MPa与3.7MPa之间的弹性模量范围，其中此类变化线性地取决于存在于聚合物中的交联剂的量。
以下实施例公开了本公开的另外的非限制性实施方式。
实施方式1
使用640μm厚度、150mm直径的单晶SiC衬底作为起始材料。在SiC衬底的第一面上生长10μm厚度的SiC外延层，从而提供650μm的SiC结构。激光发射从SiC表面聚焦到240μm的深度，以在该深度处产生多个基本上平行的表面下的激光损伤线。使用
Figure BDA0003138148740000451
HT-10.10热塑性粘合剂(Brewer Science，Inc.，Rolla，Missouri，USA)将单晶蓝宝石载体粘附到SiC衬底的相对的第二面上，并且施加热压缩过程(涉及施加1800N的力并且维持180℃)直到粘合剂固化完成。通过使蓝宝石载体与维持在-70℃的液氮冷却的真空卡盘接触来执行热致断裂。断裂产生粘合到蓝宝石载体的240μm的SiC的厚度部分(形成结合组件)，与410μm的SiC的厚度部分分离。通过研磨和CMP去除SiC的410μm厚度部分上的残余激光损伤，以产生准备用于外延的350μm厚度的SiC晶圆。单独地，包括240μm厚度SiC的结合组件也经受研磨和CMP，由此SiC被减小到180μm厚度。在此之后，使结合组件经受载体去除，包括使载体与加热的真空卡盘接触以在根据热滑脱工艺将横向力施加到SiC的同时使粘合剂软化。所获得的具有SiC外延层的180μm厚度SiC晶圆适合于MOSFET制造。工艺的结果是从用作起始材料的640微米厚度SiC衬底形成准备用于外延的350μm厚度SiC晶圆以及在其上已经具有SiC外延层的180μm厚度SiC晶圆。
实施方式2
使用570μm厚度、150mm直径的单晶SiC衬底作为起始材料。在SiC衬底的第一面上生长2μm厚度的SiC外延层，从而提供572μm的SiC结构。激光发射从SiC表面聚焦到160μm的深度，以在该深度处产生多个基本上平行的表面下的激光损伤线。使用与实例1中相同的粘合剂工艺将单晶蓝宝石载体粘附到SiC衬底的相对的第二面。通过使蓝宝石载体与维持在-70℃的液氮冷却的真空卡盘接触来执行热致断裂。断裂产生粘合到蓝宝石载体的160μm的SiC的厚度部分(形成结合组件)，与412μm的SiC的厚度部分分离。通过研磨和CMP去除SiC的412μm厚度部分上的残余激光损伤，以产生准备用于外延的350μm厚度的SiC晶圆。单独地，包括160μm厚度SiC的结合组件也经受研磨和CMP，由此SiC被减小到100μm厚度。在此之后，使结合组件经受载体去除，包括使载体与加热的真空卡盘接触以在根据热滑脱工艺将横向力施加到SiC的同时使粘合剂软化。所获得的具有SiC外延层的100μm厚度SiC晶圆适合于RF器件制造。工艺的结果是从用作起始材料的570微米厚度SiC衬底形成准备用于外延的350μm厚度SiC晶圆以及在其上已经具有SiC外延层的100μm厚度SiC晶圆。
实施方式3
具有厚度大于10mm的150mm直径的单晶SiC衬底(锭)被用作生产厚度355微米的SiC晶圆的起始材料。激光发射通过SiC衬底的C封端表面照射以形成表面下的激光损伤。使用本文所公开的热塑性粘合材料将蓝宝石载体结合到SiC衬底的上表面，并且执行热致断裂以将SiC的上(晶圆)部分与锭的其余部分分离。使用2000粒度研磨轮(例如，金属、玻璃体或树脂粘合型研磨轮)粗研磨分离的晶圆部分的Si封端面和锭其余部分的C封端表面，以去除所有可见的激光和断裂损伤。在此之后，用7000或更高粒度(例如，高达30,000粒度或更高粒度)对分离的晶圆部分的Si封端面和锭其余部分的C封端面(例如，使用玻璃质研磨表面)进行精细研磨以产生更光滑的表面，优选小于4nm的平均粗糙度(Ra)，更优选在1-2nmRa的范围内。在锭其余部分上，需要光滑的表面以避免对后续激光加工的任何影响。晶圆准备好CMP并且具有足够的光滑度以最小化所需的CMP去除量，因为CMP典型地是更高成本的方法。在精研磨加工期间，典型的材料去除可以在5至10微米的厚度范围内，以从粗研磨中去除所有残留的表面下的损伤和任何剩余的激光损伤(肉眼可见和不可见)。在此之后，锭其余部分返回到激光器用于进一步加工，晶圆被边缘研磨并且经受化学机械平坦化(CMP)以准备用于外延生长。可以在粗表面研磨与精表面研磨之间执行边缘研磨，以避免划伤精密研磨的Si面的任何风险。CMP期间的材料去除可以在约2微米的厚度范围内。从衬底(锭)消耗的总材料可以小于475微米。给定355微米的最终晶圆厚度，切口损失小于120微米。
本公开的一个或多个实施方式可以获得的技术益处可以包括：与线锯相比，减少的晶体材料切口损失；与线锯相比，晶体材料晶圆和所得器件的加工时间减少并且产量增加；与常规的激光断裂后方法相比，所得半导体晶圆的弯曲减小；与常规的激光后断裂方法相比，减少对可消耗液氮的需要；以及通过去除研磨材料(例如，研磨)获得晶体的薄层的增强能力，减少对于变薄的需要。
除非本文相反地指出，如本文所公开的各种特征和要素中的任何一个可以与一个或多个其他公开的特征和要素组合。
本领域的技术人员将认识到对本公开的优选实施方式的改进和修改。所有这些改进和修改都被认为在本文所公开的概念和随后的权利要求的范围内。

Claims (88)

1.一种晶体材料加工方法，包括：
用中间粘合材料将刚性载体临时结合到晶体材料的第一表面，其中，所述晶体材料包括衬底，所述衬底在相对于所述第一表面的深度处具有表面下的激光损伤区域，并且所述粘合材料具有大于25℃的玻璃化转变温度Tg；以及
沿所述表面下的激光损伤区域或接近于所述表面下的激光损伤区域使所述晶体材料断裂，以产生包括所述刚性载体、所述粘合材料和从所述衬底去除的所述晶体材料的一部分的结合组件。
2.根据权利要求1所述的晶体材料加工方法，其中：
所述刚性载体具有大于800微米的厚度；
所述刚性载体具有至少20GPa的弹性模量，并且
在所述结合组件中，从所述衬底去除的所述晶体材料的所述一部分包括至少160μm的厚度。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述粘合材料包括热塑性材料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述粘合材料具有至少35℃的玻璃化转变温度Tg。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，当所述粘合材料在25℃时，所述粘合材料具有至少约70的肖氏D硬度值。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述粘合材料具有小于约50微米的厚度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的晶体材料加工方法，其中：
所述刚性载体包括第一面和与所述第一面相对的第二面；
所述粘合材料布置为与所述第一面接触；并且
所述第二面不含任何粘合材料并且不含任何产生应力的材料。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述刚性载体包括晶体材料。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，在25℃下，所述刚性载体的热膨胀系数(CTE)大于所述衬底的CTE，并且其中，所述断裂包括冷却至少所述刚性载体以促进所述晶体材料沿所述表面下的激光损伤区域的断裂或接近于所述表面下的激光损伤区域的断裂。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述断裂包括向所述刚性载体或所述衬底中的至少一个施加超声能量。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述刚性载体的至少一部分的最大长度或最大宽度中的至少一个超过所述衬底的对应最大长度或最大宽度，所述断裂包括接近于所述刚性载体的至少一个边缘施加机械力，并且所述机械力被配置为在所述刚性载体的至少一部分中赋予弯曲力矩。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的晶体材料加工方法，还包括在所述晶体材料的所述一部分上执行至少一个附加加工步骤，而所述晶体材料的所述一部分仍然是所述结合组件的部分。
13.根据权利要求1至8中任一项所述的晶体材料加工方法，还包括在所述断裂之前，将附加刚性载体结合到与所述第一表面相对的所述晶体材料的第二表面。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述晶体材料包括SiC。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的晶体材料加工方法，还包括在用所述粘合材料将所述刚性载体临时结合到晶体材料的所述第一表面之前，对(i)所述晶体材料的所述第一表面或(ii)所述刚性载体的邻近表面中的至少一个进行粗糙化、纹理化和/或蚀刻。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，从所述衬底去除的所述晶体材料的所述一部分包括自支撑晶圆，所述自支撑晶圆被配置为在其上生长至少一个外延层。
17.根据权利要求1至15中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，从所述衬底去除的所述晶体材料的所述一部分包括器件晶圆，所述器件晶圆包括在其上生长的至少一个外延层。
18.一种晶体材料加工方法，包括：
将第一晶体载体结合到晶体材料的第一表面，其中，所述晶体材料包括衬底，所述衬底在相对于所述衬底的第一表面的深度处具有表面下的激光损伤区域；
将第二晶体载体结合到所述晶体材料的第二表面；并且
在所述结合步骤之后，沿表面下的激光损伤区域使所述晶体材料断裂或接近于所述表面下的激光损伤区域使所述晶体材料断裂，以产生包括所述第一晶体载体和从所述衬底去除的所述晶体材料的一部分的结合组件。
19.根据权利要求18所述的晶体材料加工方法，其中，将所述第一晶体载体结合到所述晶体材料的所述第一表面或将所述第二晶体载体结合到所述晶体材料的所述第二表面中的至少一个包括阳极结合。
20.根据权利要求18所述的晶体材料加工方法，其中，将所述第一晶体载体结合到所述晶体材料的所述第一表面或将所述第二晶体载体结合到所述晶体材料的所述第二表面中的至少一个包括利用粘合材料的粘合剂结合。
21.根据权利要求20所述的晶体材料加工方法，其中：
所述第一晶体载体包括第一面和与所述第一面相对的第二面；
所述粘合材料布置为与所述第一面接触；并且
所述第二面不含任何粘合材料并且不含任何产生应力的材料。
22.根据权利要求20所述的晶体材料加工方法，其中，所述粘合材料包括以下特征(a)至(c)中的至少一种：(a)所述粘合材料包括热塑性材料；(b)当所述粘合材料在25℃时，所述粘合材料具有至少约70的肖氏D硬度值；或(c)当所述粘合材料在25℃时，所述粘合材料具有至少约7MPa的弹性模量。
23.一种晶体材料加工方法，包括：
将刚性载体结合到晶体材料的第一表面，其中，所述晶体材料包括衬底，所述衬底在相对于所述第一表面的深度处具有表面下的激光损伤区域，所述刚性载体包括大于850微米的厚度，并且所述刚性载体包括以下特征(i)或(ii)中的至少一种：所述载体包括晶体载体；或(ii)所述载体具有至少20GPa的弹性模量；以及
沿表面下的激光损伤区域使所述晶体材料断裂或接近于所述表面下的激光损伤区域使所述晶体材料断裂，以产生包括所述刚性载体和从所述衬底去除的所述晶体材料的一部分的结合组件。
24.根据权利要求23所述的晶体材料加工方法，其中，所述刚性载体包括晶体载体。
25.根据权利要求23或24中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，将所述刚性载体结合到所述晶体材料包括利用布置在所述刚性载体与所述晶体材料之间的粘合材料的粘合剂结合。
26.根据权利要求25所述的晶体材料加工方法，其中，所述粘合材料包括以下特性(a)至(d)中的至少一种：(a)所述粘合材料具有大于25℃的玻璃化转变温度Tg；(b)当所述粘合材料在25℃时，所述粘合材料具有至少约70的肖氏D硬度值；(c)当所述粘合材料在25℃时，所述粘合材料具有至少约7MPa的弹性模量；或(d)所述粘合材料包括热塑性材料。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的晶体材料加工方法，还包括在所述晶体材料的所述一部分上执行至少一个附加加工步骤，而所述晶体材料的所述一部分仍然是所述结合组件的部分。
28.根据权利要求23至26中任一项所述的晶体材料加工方法，还包括在所述断裂之前，将附加刚性载体结合到与所述第一表面相对的所述晶体材料的第二表面。
29.一种晶体材料加工方法，包括：
将第一晶体载体结合到晶体材料的第一表面，其中，所述晶体材料包括衬底，所述衬底在相对于所述衬底的第一表面的深度处具有表面下的激光损伤区域；
将第二晶体载体结合到所述晶体材料的第二表面；以及
在所述结合步骤之后，沿表面下的激光损伤区域使所述晶体材料断裂或接近于所述表面下的激光损伤区域使所述晶体材料断裂，以产生包括所述第一晶体载体和从所述衬底去除的所述晶体材料的一部分的结合组件。
30.根据权利要求29所述的晶体材料加工方法，其中，所述第一晶体载体或所述第二晶体载体中的至少一个包括至少100GPa的弹性模量。
31.根据权利要求29或30中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述第一晶体载体或所述第二晶体载体中的至少一个包括大于800微米的厚度。
32.根据权利要求29至31中任一项所述的晶体材料加工方法，其中：
在25℃下，所述第一晶体载体的热膨胀系数(CTE)大于所述衬底的CTE；并且
所述断裂包括至少冷却所述第一晶体载体，以促进所述晶体材料沿所述表面下的激光损伤区域或接近于所述表面下的激光损伤区域的断裂。
33.根据权利要求29至32中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述断裂包括向所述第一晶体载体或所述衬底中的至少一个施加超声能量。
34.根据权利要求29至33中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述第一晶体载体的至少一部分的最大长度或最大宽度中的至少一个超过所述衬底的对应最大长度或最大宽度。
35.根据权利要求34所述的晶体材料加工方法，其中，所述衬底包括沿所述衬底的至少一个边缘的凹口或平坦部，并且所述第一晶体载体的至少一个边缘的至少一部分横向延伸超过所述凹口或平坦部。
36.根据权利要求34或35中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述断裂包括向接近于所述第一晶体载体的至少一个边缘施加机械力，并且其中，所述机械力被配置为在所述第一晶体载体的至少一部分中赋予弯曲力矩。
37.根据权利要求36所述的晶体材料加工方法，其中：
所述晶体材料包括六方晶体结构；并且
所述弯曲力矩在垂直于所述六方晶体结构的
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方向的±5度内取向。
38.根据权利要求29至37中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，将所述第一晶体载体结合到所述晶体材料的所述第一表面或将所述第二晶体载体结合到所述晶体材料的所述第二表面中的至少一个包括阳极结合。
39.根据权利要求29至37中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，将所述第一晶体载体结合到所述晶体材料的所述第一表面或将所述第二晶体载体结合到所述晶体材料的所述第二表面中的至少一个包括利用粘合材料的粘合剂结合。
40.根据权利要求39所述的晶体材料加工方法，其中，所述粘合材料具有大于25℃的玻璃化转变温度Tg。
41.根据权利要求39所述的晶体材料加工方法，其中：
所述第一晶体载体包括第一面和与所述第一面相对的第二面；
所述粘合材料布置为与所述第一面接触；并且
所述第二面不含任何粘合材料并且不含任何产生应力的材料。
42.根据权利要求39至41中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述粘合材料包括热塑性材料。
43.根据权利要求39至42中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，当所述粘合材料在25℃时，所述粘合材料具有至少约70的肖氏D硬度值。
44.根据权利要求39至43中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，当所述粘合材料在25℃时，所述粘合材料具有至少约7MPa的弹性模量。
45.根据权利要求29至44中任一项所述的晶体材料加工方法，还包括在所述晶体材料的所述一部分上执行至少一个附加加工步骤，而所述晶体材料的所述一部分仍然是所述结合组件的部分。
46.根据权利要求29至45中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述表面下的激光损伤区域包括多个基本上平行的表面下的激光损伤线。
47.根据权利要求29至46中任一项所述的晶体材料加工方法，还包括从所述结合组件去除所述晶体材料的所述一部分。
48.根据权利要求39至47中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述晶体材料包括SiC。
49.根据权利要求39至48中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，从所述衬底去除的所述晶体材料的所述一部分包括自支撑晶圆，所述自支撑晶圆被配置为在其上生长至少一个外延层。
50.根据权利要求39至48中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，从所述衬底去除的所述晶体材料的所述一部分包括器件晶圆，所述器件晶圆包括在其上生长的至少一个外延层。
51.一种晶体材料加工方法，包括：
将刚性载体结合到晶体材料的第一表面，其中，所述晶体材料包括衬底，所述衬底在相对于所述第一表面的深度处具有表面下的激光损伤区域，并且所述刚性载体的至少一个边缘的至少一部分横向延伸超过所述衬底的对应至少一个边缘；以及
在向接近于所述刚性载体的所述至少一个边缘施加机械力以在所述刚性载体的至少一部分中赋予弯曲力矩，并且沿所述表面下的激光损伤区域或接近于所述表面下的激光损伤区域使所述晶体材料断裂以产生包括所述刚性载体和从所述衬底去除的所述晶体材料的一部分的结合组件。
52.根据权利要求51所述的晶体材料加工方法，其中，向接近于所述刚性载体的所述至少一个边缘施加机械力由在接近于所述刚性载体的所述至少一个边缘的单个位置处局部施加机械力组成。
53.根据权利要求51所述的晶体材料加工方法，其中，向接近于所述刚性载体的所述至少一个边缘施加机械力包括：在接近于所述刚性载体的所述至少一个边缘的多个空间划分位置处局部施加机械力；以及在所述刚性载体的中心位置处施加相反的机械力。
54.根据权利要求51至53中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述刚性载体的所述至少一个边缘的所述至少一部分横向延伸超过所述衬底的对应至少一个边缘至少约100微米。
55.根据权利要求51至53中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述刚性载体的所述至少一个边缘的所述至少一部分横向延伸超过所述衬底的对应至少一个边缘至少约500微米。
56.根据权利要求51至55中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述衬底包括沿所述衬底的所述至少一个边缘的凹口或平坦部，并且所述刚性载体的所述至少一个边缘的所述至少一部分横向延伸超过所述凹口或平坦部。
57.根据权利要求51至56中任一项所述的晶体材料加工方法，其中：
所述晶体材料包括六方晶体结构；并且
─
所述弯曲力矩在垂直于所述六方晶体结构的<1120>方向的±5度内取向。
58.根据权利要求51至57中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，将所述刚性载体结合到所述晶体材料的所述表面包括利用布置在所述刚性载体与所述晶体材料的所述表面之间的粘合材料的粘合剂粘合。
59.根据权利要求51至58中任一项所述的晶体材料加工方法，还包括在所述施加机械力之前，将附加刚性载体结合到与所述第一表面相对的所述晶体材料的第二表面。
60.根据权利要求59所述的晶体材料加工方法，其中，所述施加机械力包括在第一刚性载体和所述附加刚性载体之间施加局部牵拉力，以增加所述第一刚性载体与所述附加刚性载体之间的间隔。
61.根据权利要求51至60中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述晶体材料包括SiC。
62.根据权利要求51至61中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，从所述衬底去除的所述晶体材料的所述一部分包括自支撑晶圆，所述自支撑晶圆被配置为在其上生长至少一个外延层。
63.根据权利要求51至61中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，从所述衬底去除的所述晶体材料的所述一部分包括器件晶圆，所述器件晶圆包括在其上生长的至少一个外延层。
64.一种方法，包括：
研磨晶体材料的厚晶圆的边缘以消除非垂直边缘轮廓并且形成垂直边缘轮廓，其中，所述厚晶圆包括第一表面、与所述第一表面相对的第二表面、以及沉积在所述第一表面之上或上方的至少一个外延层，并且其中，刚性第一载体用布置在所述刚性第一载体与所述至少一个外延层之间的粘合材料临时结合在所述至少一个外延层上方；以及
在形成所述垂直边缘轮廓之后，通过所述厚晶圆的所述第二表面撞击激光发射以在所述厚晶圆内形成表面下的激光损伤区域。
65.根据权利要求64所述的方法，还包括：
将所述刚性第一载体结合到所述晶体材料的主表面，其中，所述晶体材料包括衬底，所述衬底在相对于所述主表面的预定深度处具有初始表面下的激光损伤区域；
沿所述初始表面下的激光损伤区域或接近于所述初始表面下的激光损伤区域使所述晶体材料断裂以产生包括所述刚性第一载体和从所述衬底去除的所述晶体材料的一部分的初始结合组件；以及
从所述第一结合组件去除所述晶体材料的所述一部分以产生所述厚晶圆，其中，所述厚晶圆包括所述晶体材料的所述一部分。
66.根据权利要求64或65中任一项所述的方法，还包括：
将刚性第二载体结合到所述厚晶圆的所述第二表面；以及
沿所述表面下的激光损伤区域或接近于所述表面下的激光损伤区域使所述厚晶圆断裂以产生：(i)第一结合组件，所述第一结合组件包括所述刚性第一载体、所述粘合材料、所述至少一个外延层、以及从所述厚晶圆分割的第一薄晶圆；以及(ii)第二结合组件，所述第二结合组件包括所述刚性第二载体和从所述厚晶圆分割的第二薄晶圆。
67.根据权利要求66所述的方法，还包括：
形成所述厚晶圆的非垂直晶圆边缘；以及
在产生所述非垂直晶圆边缘之后，在所述厚晶圆的所述第一表面之上或上方外延生长所述至少一个外延层。
68.根据权利要求66或67中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述第一薄晶圆或所述第二薄晶圆中的至少一个包括小于250微米的厚度。
69.根据权利要求64至68中任一项所述的晶体材料加工方法，其中，所述晶体材料包括SiC。
70.一种用于加工晶体材料晶圆的方法，所述晶体材料晶圆包括在其上具有表面损伤的第一表面，所述第一表面由边缘界定，所述方法包括：
用至少一个第一研磨设备研磨所述第一表面以去除所述表面损伤的第一部分；
在用所述至少一个第一研磨设备研磨所述第一表面之后，对所述边缘进行边缘研磨以形成斜切或圆化边缘轮廓；以及
在所述边缘研磨之后，用至少一个第二研磨设备研磨所述第一表面以去除所述表面损伤的第二部分，所述第二部分足以使所述第一表面适合于通过化学机械平坦化进行进一步加工。
71.根据权利要求70所述的方法，还包括：在用所述至少一个第二研磨设备研磨所述第一表面之后，通过化学机械平坦化加工所述第一表面以使所述第一表面用于在其上外延生长一层或多层半导体材料。
72.根据权利要求70或71中任一项所述的方法，其中，所述至少一个第一研磨设备包括具有小于5000粒度的研磨表面的至少一个研磨轮，并且所述至少一个第二研磨设备包括具有至少5000粒度的研磨表面的至少一个研磨轮。
73.根据权利要求70至72中任一项所述的方法，其中，用所述至少一个第一研磨设备研磨所述第一表面包括去除20微米至100微米厚度的所述晶体材料，并且用所述至少一个第二研磨设备研磨第二表面包括去除3微米至15微米厚度的所述晶体材料。
74.根据权利要求70至73中任一项所述的方法，其中，所述表面损伤包括激光损伤和断裂损伤。
75.根据权利要求70至74中任一项所述的方法，其中，所述晶体材料包括碳化硅材料，并且所述第一表面包括所述碳化硅材料的Si封端面。
76.一种用于加工晶体材料晶圆的方法，所述晶体材料晶圆包括在其上具有表面损伤的第一表面，所述第一表面由边缘界定，所述方法包括：
用至少一个第一研磨设备研磨所述第一表面以去除所述表面损伤的第一部分；
在用所述至少一个第一研磨设备研磨所述第一表面之后，用至少一个第二研磨设备研磨所述第一表面以去除所述表面损伤的第二部分，所述第二部分足以使所述第一表面适合于通过化学机械平坦化进行进一步加工，
在用所述至少一个第二研磨设备研磨所述第一表面之后，在所述第一表面上形成保护涂层；
在所述第一表面上沉积牺牲材料之后，对所述边缘进行边缘研磨以形成斜切或圆化边缘轮廓；以及
在所述边缘研磨之后，从所述第一表面去除所述保护涂层。
77.根据权利要求76所述的方法，还包括：在从所述第一表面去除所述牺牲材料之后，通过化学机械平坦化加工所述第一表面以使所述第一表面用于其上外延生长一层或多层半导体材料。
78.根据权利要求76或77中任一项所述的方法，其中，所述至少一个第一研磨设备包括具有小于5000粒度的研磨表面的至少一个研磨轮，并且所述至少一个第二研磨设备包括具有至少5000粒度的研磨表面的至少一个研磨轮。
79.根据权利要求76至78中任一项所述的方法，其中，用所述至少一个第一研磨设备研磨所述第一表面包括去除20微米至100微米厚度的所述晶体材料，并且用所述至少一个第二研磨设备研磨第二表面包括去除3微米至15微米厚度的所述晶体材料。
80.根据权利要求76至79中任一项所述的方法，其中，所述保护涂层包括光致抗蚀剂。
81.根据权利要求76至80中任一项所述的方法，其中，所述表面损伤包括激光损伤和断裂损伤。
82.根据权利要求76至81中任一项所述的方法，其中，所述晶体材料包括碳化硅材料，并且所述第一表面包括所述碳化硅材料的Si封端面。
83.一种材料加工设备，包括：
激光加工站，所述激光加工站被配置为在供应至所述激光加工站的晶体材料衬底中形成表面下的激光损伤区域；
断裂站，所述断裂站布置为接收由所述激光加工站加工的晶体材料衬底，并且被配置为沿所述表面下的激光损伤区域使所述晶体材料衬底断裂以形成从所述晶体材料衬底去除的晶体材料部分，其中，每个晶体材料部分包括表面损伤；
多个粗研磨站，所述多个粗研磨站平行布置在所述断裂站的下游，并且被配置为从所述晶体材料部分去除所述表面损伤的第一部分，其中，所述多个粗研磨站中的至少第一粗研磨站和第二粗研磨站被配置为同时操作以去除不同晶体材料部分的表面损伤的第一部分；以及
至少一个精研磨站，所述至少一个精研磨站布置在所述多个粗磨站的下游，并且被配置为从所述晶体材料部分去除所述表面损伤的第二部分，所述第二部分足以使每个晶体材料部分的至少一个表面适合于通过化学机械平坦化进行进一步加工。
84.根据权利要求83所述的材料加工设备，还包括至少一个化学机械平坦化站，所述至少一个化学机械平坦化站布置在所述至少一个精研磨站的下游，并且被配置为使每个晶体材料部分的至少一个表面适合于通过化学机械平坦化进行进一步加工。
85.根据权利要求83或84中任一项所述的材料加工设备，还包括至少一个边缘研磨站，所述至少一个边缘研磨站被配置为研磨每个晶体材料部分的边缘以形成斜切或圆化边缘轮廓。
86.根据权利要求83至85中任一项所述的材料加工设备，其中，每个粗研磨站包括具有小于5000粒度的研磨表面的至少一个研磨轮，并且所述至少一个精研磨站包括具有至少5000粒度的研磨表面的至少一个研磨轮。
87.根据权利要求83至86中任一项所述的材料加工设备，其中，每个粗研磨站被配置为从每个晶体材料部分去除20微米至100微米厚度的晶体材料，并且每个精研磨站被配置为从每个晶体材料部分去除3微米至15微米厚度的晶体材料。
88.根据权利要求83至87中任一项所述的材料加工设备，其中，所述激光加工站被配置为在多个晶体材料衬底中同时形成表面下的激光损伤区域。
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