CN113972160A - 一种固体材料的激光分片方法 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例属于激光分片技术领域，涉及一种固体材料的激光分片方法。本申请提供的技术方案包括如下步骤：利用激光在在固体材料内部形成剥离面；将固体材料通过热塑性胶水粘结到固体衬底表面；将固体材料沿剥离面分离，获得预定厚度的薄层晶片。利用激光在待分离的固体材料内部形成剥离面，保证薄层晶片厚度的一致性，并且采用热塑性胶水和固体衬底辅助剥离，剥离过程简单可靠，并且剥离后的获得的薄层晶片容易从固体衬底上分离开，降低了生产成本，提高了生产效率。

Description

一种固体材料的激光分片方法
技术领域
本申请涉及激光分片技术领域，更具体的说，特别涉及一种固体材料的激光分片方法。
背景技术
在制备集成电路行业及LED行业中，通常使用碳化硅(SiC)、硅(Si)、蓝宝石(Al2O3)、玻璃等材料的晶片作为制备器件的衬底。传统的晶片制备方法为：使用线锯切割的方式将圆柱状晶锭切开成片，再经过后续的研磨减薄制程以达到特定厚度。但上述分片方法存在严重的材料损耗，分片过程会导致晶锭的大部分(70～80％)被废弃。特别是对于高硬度的SiC材料(莫氏硬度9.5)，锯线切割的方式不仅材料损耗大，还存在效率过低、刀具磨损严重和环境污染等诸多难题，严重制约了SiC产业的发展。
现有的冷分离(coldsplit)的分片方案中，首先，选择对于SiC具有透过性的激光波长，将激光聚焦于SiC材料内部预定的平面形成改质层。接着，将包含改质层的SiC晶锭与具有高热膨胀系数的容纳层(如PDMS)粘结，并对容纳层进行冷却处理。由于容纳层遇冷收缩，将应力导入SiC晶锭中，进而使得SiC晶锭沿着切割预定面分开，达到分片效果。
在冷分离方案中，完成SiC分片后需要通过溶液腐蚀的方法将容纳层与SiC晶片分离。由于溶液腐蚀速率低下，将会导致生产效率降低。另外，上述分离方案中采用液氮制冷，液氮作为耗材会增加额外的生产成本。同时，制冷装置的引入也会使得装备制造过程更为复杂。上述问题限制该方案在工业生产中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固体材料的激光分片方法，解决现有方案生产效率低、生产成本高、装置复杂的问题，利用激光在待分离的固体材料内部形成剥离面，保证薄层晶片厚度的一致性，并且剥离后的获得的薄层晶片容易从固体衬底上分离开，降低了生产成本，提高了生产效率。
为了解决以上提出的问题，本发明实施例提供了如下所述的技术方案：
一种固体材料的激光分片方法，包括如下步骤：
利用激光在在固体材料内部形成剥离面；
将固体材料通过热塑性胶水粘结到固体衬底表面；
将固体材料沿剥离面分离，获得预定厚度的薄层晶片。
进一步地，所述利用激光在在固体材料内部形成剥离面的步骤包括：
将激光光束聚焦到在固体材料内部距离表面为待分离薄层晶片厚度的位置上，通过扫描的方式形成由多组改质点构成的剥离面。
进一步地，所述利用激光在在固体材料内部形成剥离面的步骤还包括：
通过具有调焦环的聚焦物镜对激光的球差进行补偿，以缩减激光改质层的纵向长度。
进一步地，所述利用激光在在固体材料内部形成剥离面的步骤还包括：
采用衍射光学元件实现多光点光束。
进一步地，所述将固体材料通过热塑性胶水粘结到固体衬底表面的步骤包括：
将热塑性胶水涂覆在固体衬底表面；
通过温度控制组件加热固体衬底，使温度达到热塑性胶水的熔化温度或玻璃化转变温度以上，将待分离的固体材料固定于热塑性胶水表面。
进一步地，所述将固体材料沿剥离面分离，获得预定厚度的薄层晶片的步骤包括：
温度控制组件停止加热，使热塑性胶水冷却，并逐渐凝固；
固体材料与热塑性胶水冷却到室温的过程中，利用固体衬底和热塑性胶水与固体材料间热膨胀系数存在的差异，使固体材料沿着剥离面分离，形成预定厚度的薄层晶片与剩余固体材料。
进一步地，所述将固体材料沿剥离面分离，获得预定厚度的薄层晶片的步骤之后，还包括：
通过温度控制组件加热固体衬底，使热塑性胶水温度达到熔点或玻璃化转变温度以上，以降低热塑性胶水的粘性；
将薄层晶片与固体衬底分离。
进一步地，所述将固体材料沿剥离面分离，获得预定厚度的薄层晶片的步骤之后，还包括：
通过抛光设备对分离后的薄层晶片表面和剩余固体材料表面进行抛光处理。
进一步地，所述将固体材料沿剥离面分离，获得预定厚度的薄层晶片的步骤之后，还包括：
通过抛光设备对分离后的固体衬底表面行抛光处理。
进一步地，所述固体材料为柱状晶锭，所述固体材料包括平行的上表面和下表面，并且上表面和下表面中至少一个为抛光平面。
与现有技术相比，本发明实施例主要有以下有益效果：
一种固体材料的激光分片方法，本发明的固体材料的激光分片方法，利用激光在待分离的固体材料内部形成剥离面，保证薄层晶片厚度的一致性，并且采用热塑性胶水和固体衬底辅助剥离，剥离过程简单可靠，并且剥离后的获得的薄层晶片容易从固体衬底上分离开，降低了生产成本，提高了生产效率；通过调节调焦环，可以使得激光外侧光线和外侧光线聚焦到固体材料内部同一深度位置处，对激光在固体材料内部待加工的深度位置的球差进行补偿，提高了聚焦质量，单个改质点的纵向长度得到压缩，改质层的厚度得到压缩，可以有效减少产生废弃材料，提高材料利用率，并提高生产效率；采用衍射光学元件实现多光点光束，可以将加工效率提高多倍。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例中固体材料的激光分片方法的流程框图；
图2为本发明实施例中固体材料的结构示意图；
图3为本发明实施例中使用激光在固体材料内部形成剥离层的原理图；
图4为本发明实施例中形成剥离面时激光扫描路径示意图，A、B、C表示三种不同扫描路径；
图5A为本发明实施例中未进行球差校正时，固体材料内部改质层状态示意图，B为进行球差校正后，固体材料内部改质层状态示意图；
图6为本发明实施例中获得多光点激光原理图；
图7为本发明实施例中对形成有剥离面的固体材料进行剥离流程的示意图；
图8A、B为对剥离后的薄层晶片表面抛光示意图，C为分离抛光后的薄层晶片与固体衬底示意图。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排它的包含。本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将参照相关附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例
一种固体材料的激光分片方法，如图1所示，包括如下步骤：
利用激光在在固体材料内部形成剥离面；
将固体材料通过热塑性胶水粘结到固体衬底表面；
将固体材料沿剥离面分离，获得预定厚度的薄层晶片。
本发明的固体材料的激光分片方法，利用激光在待分离的固体材料内部形成剥离面，保证薄层晶片厚度的一致性，并且采用热塑性胶水和固体衬底辅助剥离，剥离过程简单可靠，并且剥离后的获得的薄层晶片容易从固体衬底上分离开，降低了生产成本，提高了生产效率。
所述固体材料为柱状晶锭，所述固体材料包括平行的上表面和下表面，并且上表面和下表面中至少一个为抛光平面。
如图2所示，待分离的固体材料可为SiC、Si、Al2O3、玻璃等。本发明实施例以SiC材料为例进行说明，需要注意的是，本发明提供的固体材料的激光分片方法不仅适用于SiC，对硅、蓝宝石、砷化镓、钽酸锂等材料也同样适用。并且该方法不仅适用于单晶态材料，对于多晶及非晶态材料同样适用。
本发明实施例中，SiC固体100通常为圆柱状SiC晶锭，且具有上、下两个平行平面：上表面103和下表面104，其中至少上表面103为抛光平面。SiC晶锭具有第一定位边101和第二定位边102。第一定位边101的长度为L1，第二定位边的长度为L2，L1>L2。定位边的作用是用来确定SiC晶体晶向，平行于第一定位边的晶向为
Figure BDA0002601127410000061
平行于第二定位边的晶向为
Figure BDA0002601127410000062
所述利用激光在在固体材料内部形成剥离面的步骤包括：
将激光光束聚焦到在固体材料内部距离表面为待分离薄层晶片厚度的位置上，通过扫描的方式形成由多组改质点构成的剥离面。
如图3所示，所述利用激光在在固体材料内部形成剥离面的步骤中，选择对固体SiC晶锭具有透过性波长的激光光束201。对于固体SiC晶锭，所选用的激光波长为200～2000nm，其中，优选的波长为200nm、532nm、800nm、1030nm、1064nm、1500nm、2000nm等。所选的激光为脉冲激光，可为0.5ps～500ns，频率为10～1000kHz，单个聚焦光点的能量为1～100μJ。利用透镜202将激光光束201聚焦到在固体SiC晶锭100内部距离上表面103为待分离薄层晶片厚度D1的位置上。通过激光扫描，在固体SiC晶锭100内部形成由多组改质点构成的剥离面203。
如图4所示，图4A、4B、4C为三种不同的激光路径。图4A为逐行线扫描的加工路径，由多组平行的扫描路径301组成。其中，扫描路径301的方向可以与晶圆的CH1方向平行或者呈现任一0～180°的夹角。相邻两组扫描路径301间距为0.1～1000μm。图4B为一种圆扫描的加工路径302；图4C为一种线扫描的加工路径303。同一组扫描路径301、302或303中，点间距(一个聚焦光点于SiC晶锭100内部两次打点的距离)d＝v/f，d＝0.01～50μm。v为SiC晶锭110与聚焦光点的相对移动速度，在激光不移动时为平移载台移动的速度，f为激光脉冲的频率。
所述利用激光在在固体材料内部形成剥离面的步骤还包括：
通过具有调焦环的聚焦物镜对激光的球差进行补偿，以缩减激光改质层的纵向长度。
如图5所示，展示了在剥离面203的形成过程中，未装配调焦环(correctioncollar)的物镜聚焦效果(图5A1)和加工效果(图5A2)，以及装配有调焦环物镜的聚焦效果(图5B1)和加工效果(图5B2)。如图5A1所示，激光光束201经过没有调焦环的物镜202聚焦。由于SiC晶锭与空气的折射率不同，当激光经过晶锭的上表面103后，会发生折射。由于靠近外侧的光束401与靠近内测的光束402在材料表面103入射角不同，导致在材料内部聚焦的位置也不相同，即由于界面折射率失配引入了球差。外侧光线401会聚焦到深度为D2位置上，内测光线402会聚焦到深度为D3位置上。D2与D3间差值|D2-D3|越大，则聚焦效果越差。如图5A2所示，使用无聚焦环透镜聚焦后，单个脉冲会在SiC晶锭内部形成改质点403。在采用图4A的路径扫描实施扫描后，会由一组改质点构成改质层，改质点的间距d1＝v/f，改质层厚度L3。L3的大小与|D2-D3|成正比，即透镜聚焦效果越差，改质层厚度L3越大。由于包含改质层L3的材料最终需要通过研磨抛光去除，L3越大，需要研磨掉的材料越多，造成材料浪费，并影响加工效率。
如图5B1所示，使用的透镜404装配有调焦环405。通过调节调焦环，可以使得外侧光线401和外侧光线402聚焦到SiC晶锭内部同一深度位置(或近似同一深度位置)D4处，对激光在固体材料内部待加工的深度位置的球差进行补偿，提高了聚焦质量。单个改质点406的纵向长度得到压缩，因此，改质层406的厚度L4得到压缩。通过上述对激光的球差进行补偿方法，可以有效减少产生废弃材料，提高材料利用率，并提高生产效率。
所述利用激光在在固体材料内部形成剥离面的步骤还包括：
采用衍射光学元件实现多光点光束。
本发明实施例中，在剥离面203的形成过程中，使用光束整形方法提高形成效率，例如采用衍射光学元件(DOE)实现多光点光束(光点数目n≥2)，以此可以将加工效率提高n倍。如图6所示，以三光点加工为例进行说明。在激光光束201与透镜404间加入DOE 501。激光光束201经过DOE501后分成三束光，其中任意一束光502的能量为激光光束201的1/3，三束光同时经过透镜404，形成三束聚焦光束503，并在材料内部形成3个改质点504。改质点分布的方向与扫描路径301/302/303的方向垂直。同时，使激光光束201的能量提高到原来的3倍，使得分光后每束光的能量与单光点加工时使用的能量相同，保证每个光点的加工效果不变。并且使相邻两个聚焦光点的点间距设置为d2为距离扫描行间距，这样可以提高速度v到3×v，加工速度理论上提高了3倍。通过调节调焦环405，可以使得光点504的球差得到校正，压缩改质点长度。
在其他实施例中，也可以采用其他方案实现多光点的方法，如无衍射的物理分光方案等。
所述将固体材料通过热塑性胶水粘结到固体衬底表面的步骤包括：
将热塑性胶水涂覆在固体衬底表面；
通过温度控制组件加热固体衬底，使温度达到热塑性胶水的熔化温度或玻璃化转变温度以上，将待分离的固体材料固定于热塑性胶水表面。
所述将固体材料沿剥离面分离，获得预定厚度的薄层晶片的步骤包括：
温度控制组件停止加热，使热塑性胶水冷却，并逐渐凝固；
固体材料与热塑性胶水冷却到室温的过程中，利用固体衬底和热塑性胶水与固体材料间热膨胀系数存在的差异，使固体材料沿着剥离面分离，形成预定厚度的薄层晶片与剩余固体材料。
如图7所示，将固体SiC晶锭100通过热塑性胶水601粘结到固体衬底602表面。所用的固体衬底602通常为金属，如金属铜(Copper)、钢(Steel)、因瓦合金(Invar)等；也可以为非金属类衬底，如蓝宝石(Al2O3)等。所用热塑性胶水601，在室温时为固体状态，高温加热后呈现液体或熔融状态，理想的熔化温度/玻璃化转变温度为50℃-400℃。温度越低，越有利于SiC晶锭100的剥离过程。粘结时，使SiC晶锭100的上表面103与胶水601接触。固体衬底602下方，固定有一个温度控制组件603。温度控制组件603可以对固体衬底602的温度在室温与一特定温度T间调节，T＞胶水材料601的熔点或玻璃化转变温度。
在SiC晶锭100的粘结过程中，首先将热塑性胶水601涂覆在固体衬底602表面。接着，通过温度控制组件603加热衬底使温度达到胶水601的熔化温度或玻璃化转变温度以上，将待分离的固体SiC晶锭100上表面103固定于胶水601表面(如图7A所示)。接着，通过温度控制组件603热塑性胶水601和固体衬底602冷却到室温，冷却过程中胶水601逐渐凝固(如图7B所示)。在热塑性胶水601及固体衬底602的冷却过程中，由于两者与待分离固体SiC晶锭100间热膨胀系数存在差异，将导致固体SiC晶锭100沿着剥离面203形成裂痕604(如图7C所示)，随着冷却过程继续进行，裂纹604沿着剥离面203逐渐扩展，最终形成预定厚度的薄层SiC晶片608与剩余固体SiC晶锭607。通常，实现上述的分离过程只需要待分离的SiC晶锭材料100的热膨胀系数与热塑性胶水601和固体衬底602的热膨胀系数具有微小差异(0～10ppm/K)即可实现；而选用的热膨胀系数差异更大(>10ppm/K)，则分离过程更容易实现。
所述将固体材料沿剥离面分离，获得预定厚度的薄层晶片的步骤之后，还包括：
通过抛光设备对分离后的薄层晶片表面和剩余固体材料表面进行抛光处理。
固体材料剥离后，薄层SiC晶片608会形成暴露的粗糙表面606，剩余固体SiC晶锭材料607形成暴露的粗糙表面605。为了后续使用，通常需要对粗糙表面606及605进行抛光。
所述将固体材料沿剥离面分离，获得预定厚度的薄层晶片的步骤之后，还包括：
通过抛光设备对分离后的固体衬底表面行抛光处理。
如图8A所示，实行薄层SiC晶片608粗糙表面606的抛光工序。通过抛光设备700对分离后的薄层SiC晶片608表面进行平滑处理。平滑后的SiC薄层晶片608的具有光滑的表面701(如图8B所示)。平滑表面701的粗糙度通常按SiC晶片的出厂标准进行，如，总厚度变化(TTV)≤15μm，弯曲度(Bow)≤40μm，翘曲度(Warp)≤60μm，表面粗糙度(Roughness)Ra≤0.5～1nm。对分离后的剩余固体SiC晶锭材料607的粗糙表面605实施同样的抛光工序，以备再次使用激光在剩余SiC晶锭607内部形成另一剥离层203，并再次剥离形另一成薄层SiC晶片608。
所述将固体材料沿剥离面分离，获得预定厚度的薄层晶片的步骤之后，还包括：
通过温度控制组件加热固体衬底，使热塑性胶水温度达到熔点或玻璃化转变温度以上，以降低热塑性胶水的粘性；
将薄层晶片与固体衬底分离。
如图8C所示，实行薄层SiC晶片608与固体衬底602的分离工序。通过温度控制组件603再次加热固体衬底602，使热塑性胶水601温度达到熔点/玻璃化转变温度以上，从而使得胶水601的粘性降低。此时，由于薄层SiC晶片608与固体衬底602粘结性变差，因此很容易可以将两者分离。使用上述方法，很容易得到独立的SiC薄层晶片701，以备后续使用。当再次对剩余SiC晶锭材料607实施剥离工序时，热塑性胶水601可以重复使用。需要注意的是，图8A、8B所示的抛光过程，可以在图8C所示的分离过程之前进行，也可以在图8C所示的分离过程之后进行。
本发明实施例提供的固体材料的激光分片方法，采用激光在待分离的固体材料(如SiC等)内部形成剥离面，剥离面的作用是保证剥离得到的薄层晶片厚度一致，并且可以提供剥离的初始应力。采用热塑性胶水和固体衬底辅助剥离，与其他剥离方案相比，优点是剥离过程简单可靠，并且剥离后的获得的薄层晶片容易从固体衬底上分离开，降低了生产成本，提高了生产效率；通过调节调焦环，可以使得激光外侧光线和外侧光线聚焦到固体材料内部同一深度位置处，对激光在固体材料内部待加工的深度位置的球差进行补偿，提高了聚焦质量，单个改质点的纵向长度得到压缩，改质层的厚度得到压缩，可以有效减少产生废弃材料，提高材料利用率，并提高生产效率；采用衍射光学元件实现多光点光束，可以将加工效率提高多倍。
显然，以上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，附图中给了本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围。本发明可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种固体材料的激光分片方法，其特征在于，包括如下步骤：
利用激光在在固体材料内部形成剥离面；
将固体材料通过热塑性胶水粘结到固体衬底表面；
将固体材料沿剥离面分离，获得预定厚度的薄层晶片。
2.根据权利要求1所述的固体材料的激光分片方法，其特征在于，
所述利用激光在在固体材料内部形成剥离面的步骤包括：
将激光光束聚焦到在固体材料内部距离表面为待分离薄层晶片厚度的位置上，通过扫描的方式形成由多组改质点构成的剥离面。
3.根据权利要求2所述的固体材料的激光分片方法，其特征在于，
所述利用激光在在固体材料内部形成剥离面的步骤还包括：
通过具有调焦环的聚焦物镜对激光的球差进行补偿，以缩减激光改质层的纵向长度。
4.根据权利要求3所述的固体材料的激光分片方法，其特征在于，
所述利用激光在在固体材料内部形成剥离面的步骤还包括：
采用衍射光学元件实现多光点光束。
5.根据权利要求1所述的固体材料的激光分片方法，其特征在于，
所述将固体材料通过热塑性胶水粘结到固体衬底表面的步骤包括：
将热塑性胶水涂覆在固体衬底表面；
通过温度控制组件加热固体衬底，使温度达到热塑性胶水的熔化温度或玻璃化转变温度以上，将待分离的固体材料固定于热塑性胶水表面。
6.根据权利要求5所述的固体材料的激光分片方法，其特征在于，
所述将固体材料沿剥离面分离，获得预定厚度的薄层晶片的步骤包括：
温度控制组件停止加热，使热塑性胶水冷却，并逐渐凝固；
固体衬底与热塑性胶水冷却到室温的过程中，利用固体衬底和热塑性胶水与固体材料间热膨胀系数存在的差异，使固体材料沿着剥离面分离，形成预定厚度的薄层晶片与剩余固体材料。
7.根据权利要求5所述的固体材料的激光分片方法，其特征在于，
所述将固体材料沿剥离面分离，获得预定厚度的薄层晶片的步骤之后，还包括：
通过温度控制组件加热固体衬底，使热塑性胶水温度达到熔点或玻璃化转变温度以上，以降低热塑性胶水的粘性；
将薄层晶片与固体衬底分离。
8.根据权利要求6所述的固体材料的激光分片方法，其特征在于，
所述将固体材料沿剥离面分离，获得预定厚度的薄层晶片的步骤之后，还包括：
通过抛光设备对分离后的薄层晶片表面和剩余固体材料表面进行抛光处理。
9.根据权利要求6所述的固体材料的激光分片方法，其特征在于，
所述将固体材料沿剥离面分离，获得预定厚度的薄层晶片的步骤之后，还包括：
通过抛光设备对分离后的固体衬底表面行抛光处理。
10.根据权利要求1所述的固体材料的激光分片方法，其特征在于，
所述固体材料为柱状晶锭，所述固体材料包括平行的上表面和下表面，并且上表面和下表面中至少一个为抛光平面。
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