CN115223851B - 一种机械式晶片分离方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体加工设备领域，具体为一种机械式晶片分离方法及装置，该分离方法使待剥离晶片产生弹性变形，使改质层开裂实现晶片分离，分离装置包括装置底板，装置底板上固定有支撑立板，支撑立板上固定有压板，压板的下方固定物料承载板，物料承载板和压板之间有插入槽；在装置底板上配置有滑动导轨和滑块，在滑块上方固定有X轴滑动板，顶升电缸固定在X轴滑动板下方，顶升电缸的导杆连接顶升电缸活动板，顶升电缸活动板上装配有顶刀，在装置底板上还配置有平移电缸，平移电缸活动轴与X轴滑动板活动连接。本发明通过机械方式使待剥离晶片发生微量变形，与采用液氮制冷的冷剥离方式相比，工艺方法简单、设备操作简便，易于实现自动化。

Description

一种机械式晶片分离方法及装置
技术领域
本发明属于半导体加工设备领域，涉及一种从SiC等晶体上分离薄晶片的方法，具体为一种机械式晶片分离方法及装置，是一种针对激光照射形成改质层的晶体，通过机械顶压力使待剥离晶片产生微量变形，进而使晶体改质层开裂、分离，实现晶片最终分离的装置及方法。
背景技术
以SiC、GaN为代表的宽禁带半导体已被列入我国“十四五”发展规划，是我国重点发展的高科技新材料产业。受益于 5G 通信、国防军工、新能源汽车和新能源光伏等领域的发展，SiC、GaN需求增速可观。但其晶体硬度高、切割难度高、晶体切割线损耗大，导致单晶衬底材料占器件成本50%以上，限制了器件的广泛应用。
晶体激光剥离技术，是将激光垂直照射于晶体表面，在其内部距离表面指定深度的地方聚焦，此处激光能量达到晶体的破坏阈值，形成晶体改质层，以此改质层作为分离面，再通过各种方法实现晶片从晶体上的分离。该技术被认为是降低晶体衬底成本的有效手段，有望成为第三代半导体衬底加工流程中的核心工艺。
目前工艺上较成熟的剥离方法主要为冷剥离，但冷剥离方法需要预制一种带有多类参杂物的PDMS层，工艺复杂，而且需要将晶体放入液氮中制冷使PDMS产生收缩力，使晶片剥离，该过程收缩力控制难度大，易造成碎片，操作复杂，不易于实现自动化生产。
发明内容
为了解决晶片剥离采用的冷剥离方法存在的工艺、操作复杂、不易于实现自动化生产的问题，本发明针对激光改质工艺已生成改质层的晶体，提出一种通过机械顶压力使待剥离晶片产生微量变形，进而使晶体改质层开裂、分离，实现晶片的最终分离。通过该方法分离晶片，操作简单、效率高、有效避免晶片破碎、易于实现自动化。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种机械式晶片分离方法，包括以下步骤：
S1:使晶体产生改质层：采用激光垂直照射的方法，在晶体指定深度生成一改质层；
S2:晶体粘贴剥离板:采用粘接剂将完成改质的晶体与剥离板粘接在一起，晶体上待剥离晶片朝向剥离板；
S3:机械顶压施力剥离：对剥离板施加顶压作用力，使剥离板产生微量变形，待剥离晶片也随之产生变形使改质层受拉应力而发生断裂，从而实现晶片的分离。
一种机械式晶片分离装置，该分离装置用于实现权利要求1中的分离方法，包括装置底板，装置底板上方一侧固定有左右两根支撑立板，每个支撑立板上固定有压板，每个压板的下方固定有物料承载板，物料承载板和压板之间有间隙，该间隙作为剥离板的插入槽；在装置底板上配置有两根位于支撑立板之间的滑动导轨，滑块置于滑动导轨上方，在两个滑块上方固定有X轴滑动板，装置底板上在两根滑动导轨之间开有滑动口，顶升电缸的顶部穿过滑动口后固定在X轴滑动板下方，顶升电缸的导杆顶部穿过X轴滑动板后连接顶升电缸活动板，顶升电缸活动板上装配有顶刀，在装置底板上还配置有平移电缸，平移电缸上的平移电缸活动轴与X轴滑动板活动连接；
将剥离板插入分离装置的插入槽中，在顶升电缸的驱动下顶刀对剥离板施加顶压作用力，在平移电缸的驱动下，X轴滑动板带动顶升电缸左右运动，使顶刀作用于剥离板下方各个位置，实现整个晶体的改质层的受力开裂。
上述的一种机械式晶片分离装置，顶升电缸活动板上固定有左右两个顶刀侧板，左右两个顶刀侧板之间的间隙为顶刀的装配槽，顶刀装配于两个顶刀侧板之间的装配槽中，实现顶刀在顶升电缸活动板上的装配。
上述的一种机械式晶片分离装置，在两个顶刀侧板中部还配置有一支撑转轴，顶刀中部的凹槽落于支撑转轴上。顶刀可绕支撑转轴小角度灵活转动，该结构可保证顶刀在顶压剥离板时，其接触面与剥离板间自适应贴平，使剥离板受力均匀。
上述的一种机械式晶片分离装置，顶刀的上表面设计为圆弧结构，该结构利于避免剥离板局部受力。
本发明提出的机械式晶片分离方法及装置，与同行业文献所述冷剥离方式相比，其有益效果主要体现在：（1）通过机械方式使待剥离晶片发生微量且可精确控制的变形，实现简单且控制更精确，易于避免剥离过程碎片；（2）与采用液氮制冷的冷剥离方式相比，工艺方法简单、设备操作简便，易于实现自动化，大大降低工艺实现成本。
附图说明
图1是剥离过程原理图。
图2是晶体粘接于剥离板模型图。
图3是晶片分离装置正视图。
图4是晶片分离装置俯视图。
图5是晶片分离装置侧视图。
图6是顶刀部件装配关系示意图。
图7是图6的A-A剖视图。
图8是顶刀结构示意图。
图中：1-晶体，2-改质层，3-待剥离晶片，4-剥离板，5-压板，6-物料承载板，7-支撑立板，8-装置底板，9-滑动导轨，10-滑块，11-X轴滑动板，12-顶升电缸，13-顶升电缸活动板，14-顶刀侧板，15-顶刀，16-平移电缸，17-平移电缸活动轴，18-转接件，19-支撑转轴。
具体实施方式
本发明实现原理如附图1所示，图1中a图表示将完成改质的晶体1通过粘接剂（例：502胶水）与剥离板4（剥离板可以是金属钣金或其它材料）粘接在一起，粘接时待剥离晶片3朝向剥离板4；完成粘接后，通过机械方式，在剥离板4上施加顶压力（如附图1中b所示），使剥离板4产生变形，由于剥离板4与待剥离晶片3牢固粘合，在剥离板4变形过程中，待剥离晶片3也随之产生变形（其变形量要控制在弹性变形范围内），使改质层2受拉应力而发生断裂，从而实现晶片的分离。
机械顶压位移量可以轻松地定量控制在微米级精度，使待剥离晶片3产生适量的弹性变形，使改质层2开裂实现晶片分离，而不会使晶片发生破碎、断裂。
本发明机械式晶片分离方法实现过程主要包括以下步骤：
（1）使晶体1产生改质层2。采用激光垂直照射的方法，在晶体1指定深度生成一改质层2，改质层2与原晶体材料相比，强度大为降低，受较小应力即会断裂。
（2）晶体粘贴剥离板。采用粘接剂将完成改质的晶体1与剥离板4粘接在一起，晶体1居中粘接于剥离板4上，且晶体1上改质后的待剥离晶片3朝向剥离板4。粘接剂应涂布均匀，待粘接剂完全固化或达到使用强度后方可进入下一道工序。作为一个实例，粘接剂可采用环氧树脂胶，涂布厚度0.1mm，剥离板4可采用2毫米厚度的不锈钢钣金材质。
（3）机械顶压施力剥离。将粘接在一起的晶体1与剥离板4如图3、图4所示，放入本发明所述的晶片分离装置中，通过本分离装置中机构对剥离板4施加顶压作用力，使剥离板4产生微量变形，待剥离晶片3也随之产生变形使改质层2受拉应力而发生断裂，从而实现晶片的分离。
一种机械式晶片分离装置，通过机械顶压力使待剥离晶片产生微量变形，进而使晶体改质层开裂、分离，实现晶片的最终分离。一种机械式晶片分离装置，包括装置底板8，装置底板8上方一侧固定有左右两根支撑立板7，每个支撑立板7上固定有压板5，每个压板5的下方固定有物料承载板6，物料承载板6和压板5之间有间隙，该间隙作为剥离板4的插入槽；在装置底板8上配置有两根位于支撑立板7之间的滑动导轨9，滑块10置于滑动导轨9上方，在两个滑块10上方固定有X轴滑动板11，X轴滑动板11将两个滑块10固定在一起，同步运动。装置底板8上在两根滑动导轨9之间开有滑动口，带双导杆的顶升电缸12的顶部穿过滑动口后固定在X轴滑动板11下方中部，顶升电缸12的双导杆顶部穿过X轴滑动板11后连接固定长方形的顶升电缸活动板13，顶升电缸活动板13上固定有左右两个顶刀侧板14，左右两个顶刀侧板14之间的间隙为顶刀的装配槽，顶刀15装配于两个顶刀侧板14之间的装配槽中，顶刀15和装配槽呈间隙配合。在两个顶刀侧板14中部还配置有一支撑转轴19，顶刀15中部的凹槽落于支撑转轴19上，顶刀15可绕支撑转轴19小角度灵活转动，该结构可保证顶刀15在顶压剥离板4时，其接触面与剥离板4间自适应贴平，使剥离板4受力均匀，同时，顶刀15的上表面设计为圆弧结构，该结构也利于避免剥离板4局部受力。在装置底板8上还配置有平移电缸16，平移电缸16上的平移电缸活动轴17通过转接件18与X轴滑动板11活动连接。在平移电缸16的驱动下，X轴滑动板11带动顶刀15可左右运动，使顶刀可作用于晶体1下方剥离板4各个位置，实现整个晶体的改质层2的受力开裂。

Claims (4)

1.一种机械式晶片分离方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1:使晶体（1）产生改质层（2）：采用激光垂直照射的方法，在晶体（1）指定深度生成一改质层（2）；
S2:晶体粘贴剥离板:采用粘接剂将完成改质的晶体（1）与剥离板（4）粘接在一起，晶体（1）上待剥离晶片（3）朝向剥离板（4）；
S3:机械顶压施力剥离：对剥离板（4）施加顶压作用力，使剥离板（4）产生微量变形，待剥离晶片（3）也随之产生变形使改质层（2）受拉应力而发生断裂，从而实现晶片的分离，
还包括一种机械式晶片分离装置，该分离装置用于实现分离方法，包括装置底板（8），装置底板（8）上方一侧固定有左右两根支撑立板（7），每个支撑立板（7）上固定有压板（5），每个压板（5）的下方固定有物料承载板（6），物料承载板（6）和压板（5）之间有间隙，该间隙作为剥离板（4）的插入槽；在装置底板（8）上配置有两根位于支撑立板（7）之间的滑动导轨（9），滑块（10）置于滑动导轨（9）上方，在两个滑块（10）上方固定有X轴滑动板（11），装置底板（8）上在两根滑动导轨（9）之间开有滑动口，顶升电缸（12）的顶部穿过滑动口后固定在X轴滑动板（11）下方，顶升电缸（12）的导杆顶部穿过X轴滑动板（11）后连接顶升电缸活动板（13），顶升电缸活动板（13）上装配有顶刀（15），在装置底板（8）上还配置有平移电缸（16），平移电缸（16）上的平移电缸活动轴（17）与X轴滑动板（11）活动连接；
将剥离板（4）插入分离装置的插入槽中，在顶升电缸（12）的驱动下顶刀（15）对剥离板（4）施加顶压作用力，在平移电缸（16）的驱动下，X轴滑动板（11）带动顶升电缸（12）左右运动，使顶刀（15）作用于剥离板（4）下方各个位置，实现整个晶体的改质层（2）的受力开裂。
2.根据权利要求1所述的一种机械式晶片分离方法，其特征在于：顶升电缸活动板（13）上固定有左右两个顶刀侧板（14），左右两个顶刀侧板（14）之间的间隙为顶刀的装配槽，顶刀（15）装配于两个顶刀侧板（14）之间的装配槽中，实现顶刀（15）在顶升电缸活动板（13）上的装配。
3.根据权利要求2所述的一种机械式晶片分离方法，其特征在于：在两个顶刀侧板（14）中部还配置有一支撑转轴（19），顶刀（15）中部的凹槽落于支撑转轴（19）上。
4.根据权利要求2或3所述的一种机械式晶片分离方法，其特征在于：顶刀（15）的上表面设计为圆弧结构。
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