CN115555735A - 一种碳化硅晶锭的激光剥离方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碳化硅晶锭的激光剥离方法及其装置，该激光剥离方法先将超短脉冲激光光束的焦点聚焦在碳化硅晶锭的设定深度层位置，在设定深度层位置的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域，并扫描形成空洞改质层和裂纹改质层。之后将短脉冲激光光束的焦点向设定深度层之上的位置移动一定范围，使短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长，并扫描使相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。减少改质层内的裂纹沿碳化硅晶锭纵向扩展的量和长度，增加横向裂纹生长的数量和裂纹生长长度，减少切割损耗厚度，减少浪费。

Description

一种碳化硅晶锭的激光剥离方法及其装置

技术领域

本发明涉及晶锭技术领域，尤其涉及一种碳化硅晶锭的激光剥离方法及其装置。

背景技术

在第三代半导体材料中，SiC(碳化硅)具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子漂移速度高、热导率大等特点，可应用于1200伏特以上的高压环境，因此在严苛环境中有着明显优势。其中，SiC衬底加工技术是器件制作的重要基础，其表面加工的质量和精度的优劣，直接影响外延薄膜的质量及其器件的性能，因此在其应用中均要求晶片表面超光滑、无缺陷、无损伤，表面粗糙度值达纳米级以下。

然而，由于SiC晶体具有高硬、高脆、耐磨性好、化学性质极其稳定的特点，这使得SiC晶片的加工变得非常困难。SiC单晶片的超精密加工工艺，按照其加工顺序，主要经历以下几个过程：定向切割、研磨(粗研磨、精研磨)、抛光(机械抛光)和超精密抛光(化学机械抛光)。

传统方法中切割是将SiC晶棒沿着一定的方向切割成晶体薄片的过程。将SiC晶棒切割成翘曲度小、厚度均匀、低切损的晶片，对于后续的研磨和抛光至关重要。与传统的内圆、外圆切割相比，多线切割具有大切削速度、高加工精度、高效率和较长的寿命等优点，已广泛应用于晶片的高效切割。多线切割工艺是将晶锭按照一定的晶向，将晶锭切割成厚度不超过1mm、表面平整、厚度均匀一的切割片，以便于后面的研磨加工。其基本原理是优质钢线在晶锭表面高速来回运动，附着在钢丝上的切割液中的金刚石颗粒对晶锭产生剧烈摩擦，使得材料碎裂并从母体表面脱落，达到切割的效果。其缺点是切割磨损高，由于碳化硅的硬度极大，在对其进行切割时加工难度较高且磨损多。昂贵的时间成本和复杂的加工工艺使得碳化硅衬底的成本较高，限制了碳化硅的应用放量。此外，晶片尺寸越大，对应晶体的生长与加工技术难度越大，而下游器件的制造效率越高、单位成本越低。

现有技术中存在使用激光切割硅锭的技术。但是，一方面，碳化硅晶锭相比硅锭，具有高硬、高脆、耐磨性好、化学性质极其稳定的特点，采用现有激光切割工艺，并不能从碳化硅晶锭切割出很薄的晶片。另一方面，现有激光切割硅锭过程中，先使用激光改质在硅锭内的一定厚度处形成改质层，之后使用激光加热改质层处，使改质层内的裂纹生长扩散，再进行剥离。在此过程中，使用激光改质形成的改质层厚度较厚，后续使用激光加热改质层处时，进行使激光焦点聚焦在改质层内即可，激光焦点上下高度差波动较大，且激光焦点聚焦位置没有进行很好的设计，造成改质层内的裂纹沿硅锭纵向扩展的较长也较多，从而切割损耗厚度较多，造成大量浪费。

发明内容

本发明提供了一种碳化硅晶锭的激光剥离方法及其装置，减少改质层内的裂纹沿碳化硅晶锭纵向扩展的量和长度，增加横向裂纹生长的数量和裂纹生长长度，减少切割损耗厚度，减少浪费。

第一方面，本发明提供了一种碳化硅晶锭的激光剥离方法，该激光剥离方法包括：

提供待切割的碳化硅晶锭；

将超短脉冲激光光束的焦点聚焦在碳化硅晶锭的设定深度层位置，以在设定深度层位置的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域；其中，空洞改质形成区域位于设定深度层位置与裂纹改质形成区域之间；

控制超短脉冲激光光束的焦点在碳化硅晶锭的设定深度层扫描，以在设定深度层位置的上方分别形成空洞改质层和裂纹改质层；其中，空洞改质层由多个空洞改质形成区域组成，裂纹改质层由多个裂纹改质形成区域组成，且空洞改质层位于设定深度层与裂纹改质层之间；

将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长；

控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层扫描，以使裂纹改质层中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起；

以裂纹改质层为界面，将碳化硅晶锭的一部分剥离生成晶片。

在上述的方案中，先采用超短脉冲激光，将超短脉冲激光光束的焦点聚焦在碳化硅晶锭的设定深度层位置，以在设定深度层位置的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域，并控制超短脉冲激光光束的焦点在碳化硅晶锭的设定深度层扫描，形成空洞改质层和裂纹改质层。经过超短脉冲级激光隐切加工后，采用短脉冲量级激光，将短脉冲激光光束的焦点向设定深度层之上的位置移动一定范围，使短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，从而使短脉冲激光光束的热量主要作用于裂纹改质形成区域，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长，并控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层扫描，以使裂纹改质层中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。

相比现有采用激光切割硅锭工艺，由于所采用的超短脉冲激光，能够在超短脉冲激光光束焦点所在的设定深度层位置的上方，分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域，并经过扫描分别形成空洞改质层和裂纹改质层，对现有技术中的改质层进行了细化和区分。之后，采用短脉冲激光光束时，将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，短脉冲激光光束焦点位置在超短脉冲激光光束焦点位置的上方，而非现有技术的同一深度位置，从而能够产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长，并经过扫描使裂纹改质层中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。即通过对改质层进行细化区分为空洞改质层和裂纹改质层，之后使短脉冲激光光束聚焦在裂纹改质层处，将短脉冲激光光束的焦点位置进行更准确合理的设计，不仅使短脉冲激光光束的焦点上下高度差波动小(由于裂纹改质形成区域的上下高度差，一定小于裂纹改质形成区域和空洞改质形成区域共同组成的改质层的上下高度差)，而且将短脉冲激光光束的焦点聚焦在改质层优化为聚焦在裂纹改质层，优化了短脉冲激光光束的聚焦位置，减少改质层内的裂纹沿碳化硅晶锭纵向扩展的量和长度，从而将激光能量更多的作用于裂纹的横向向外生长，能够增加横向裂纹生长的数量和裂纹生长长度，能够切割出更薄的碳化硅晶片，而且还减少切割损耗厚度，同一碳化硅晶锭能够切割出更多的碳化硅晶片，减少浪费。

在一个具体的实施方式中，超短脉冲激光光束为皮秒脉宽激光光束或飞秒脉宽激光光束，且超短脉冲激光光束的波长为500-1100nm，便于在超短脉冲激光光束的焦点上方产生效果更好的空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域。

在一个具体的实施方式中，短脉冲激光光束为纳秒脉宽激光光束，且短脉冲激光光束的波长为500-1100nm，便于更好的减少改质层内的裂纹沿碳化硅晶锭纵向扩展的量和长度，从而将激光能量更多的作用于裂纹的横向向外生长，增加横向裂纹生长的数量和裂纹生长长度。

在一个具体的实施方式中，空洞改质形成区域位于超短脉冲激光光束的焦点的上方1-5um区域处，裂纹改质形成区域位于空洞改质形成区域的上方10-30um区域处，使空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域处于不同的深度层，能够清晰的区分出空洞改质层和裂纹改质层。

在一个具体的实施方式中，将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长，包括：将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域的中间高度位置处，更好的优化短脉冲激光光束的聚焦位置。

在一个具体的实施方式中，将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长还包括：调节短脉冲激光光束的偏振状态，使得电子传播方向沿着碳化硅晶锭的碳化硅晶格方向拓展，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，形成3-5°的横向生长裂纹，便于更好的减少改质层内的裂纹沿碳化硅晶锭纵向扩展的量和长度，从而将激光能量更多的作用于裂纹的横向向外生长，增加横向裂纹生长的数量和裂纹生长长度。

在一个具体的实施方式中，控制超短脉冲激光光束的焦点在碳化硅晶锭的设定深度层扫描包括：控制超短脉冲激光光束的焦点在碳化硅晶锭的设定深度层扫描出多个平行的第一切割道，任意相邻两个第一切割道的间隔为20-45um，便于实现较宽的碳化硅爆点间隔。

在一个具体的实施方式中，控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层扫描包括：控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层扫描出多个平行的第二切割道，且每个第二切割道均位于一个第一切割道的正上方，简化扫描难度。

在一个具体的实施方式中，控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层扫描出多个平行的第二切割道包括：控制短脉冲激光光束的焦点在每个第二切割道处扫描的次数大于或等于三次，通过采用纳秒激光光束多次加工持续的热注入实现爆点裂纹连接，提高裂纹改质形成区域的裂纹横向生长的量和长度，使相邻第二切割道延伸出的裂纹更快的连接在一起，便于实现通过隐切裂纹诱导生长方式，达到对碳化硅晶锭分离成多片碳化硅晶片的目的。

第二方面，本发明还提供了一种碳化硅晶锭的激光剥离装置，该激光剥离装置包括：载物台、超短脉冲激光系统、第一扫描系统、短脉冲激光系统、第二扫描系统和剥离系统。其中，载物台用于将待切割的碳化硅晶锭保持在其上。超短脉冲激光系统用于提供超短脉冲激光光束，并将超短脉冲激光光束的焦点聚焦在碳化硅晶锭的设定深度层位置，以在设定深度层位置的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域；其中，空洞改质形成区域位于设定深度层位置与裂纹改质形成区域之间。第一扫描系统用于控制超短脉冲激光光束的焦点在碳化硅晶锭的设定深度层扫描，以在设定深度层位置的上方分别形成空洞改质层和裂纹改质层；其中，空洞改质层由多个空洞改质形成区域组成，裂纹改质层由多个裂纹改质形成区域组成，且空洞改质层位于设定深度层与裂纹改质层之间。短脉冲激光系统用于提供短脉冲激光光束，并将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长。第二扫描系统用于控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层扫描，以使裂纹改质层中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。剥离系统用于以裂纹改质层为界面，将碳化硅晶锭的一部分剥离生成晶片。

在上述的方案中，先采用超短脉冲激光，将超短脉冲激光光束的焦点聚焦在碳化硅晶锭的设定深度层位置，以在设定深度层位置的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域，并控制超短脉冲激光光束的焦点在碳化硅晶锭的设定深度层扫描，形成空洞改质层和裂纹改质层。经过超短脉冲级激光隐切加工后，采用短脉冲量级激光，将短脉冲激光光束的焦点向设定深度层之上的位置移动一定范围，使短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，从而使短脉冲激光光束的热量主要作用于裂纹改质形成区域，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长，并控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层扫描，以使裂纹改质层中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。

相比现有采用激光切割硅锭工艺，由于所采用的超短脉冲激光，能够在超短脉冲激光光束焦点所在的设定深度层位置的上方，分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域，并经过扫描分别形成空洞改质层和裂纹改质层，对现有技术中的改质层进行了细化和区分。之后，采用短脉冲激光光束时，将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，短脉冲激光光束焦点位置在超短脉冲激光光束焦点位置的上方，而非现有技术的同一深度位置，从而能够产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长，并经过扫描使裂纹改质层中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。即通过对改质层进行细化区分为空洞改质层和裂纹改质层，之后使短脉冲激光光束聚焦在裂纹改质层处，将短脉冲激光光束的焦点位置进行更准确合理的设计，不仅使短脉冲激光光束的焦点上下高度差波动小(由于裂纹改质形成区域的上下高度差，一定小于裂纹改质形成区域和空洞改质形成区域共同组成的改质层的上下高度差)，而且将短脉冲激光光束的焦点聚焦在改质层优化为聚焦在裂纹改质层，优化了短脉冲激光光束的聚焦位置，减少改质层内的裂纹沿碳化硅晶锭纵向扩展的量和长度，从而将激光能量更多的作用于裂纹的横向向外生长，能够增加横向裂纹生长的数量和裂纹生长长度，能够切割出更薄的碳化硅晶片，而且还减少切割损耗厚度，同一碳化硅晶锭能够切割出更多的碳化硅晶片，减少浪费。

在一个具体的实施方式中，超短脉冲激光系统所提供的超短脉冲激光光束为皮秒脉宽激光光束或飞秒脉宽激光光束，且超短脉冲激光光束的波长为500-1100nm。短脉冲激光系统所提供的短脉冲激光光束为纳秒脉宽激光光束，且短脉冲激光光束的波长为500-1100nm。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种碳化硅晶锭的激光剥离方法的流程图；

图2～图5为本发明实施例提供的一种碳化硅晶锭的激光剥离方法中各个步骤的结构剖视示意图；

图6为本发明实施例提供的一种碳化硅晶锭的激光剥离装置的结构示意图；

图7为基于图6提供的碳化硅晶锭的激光剥离装置的一种碳化硅晶锭的激光剥离方法的流程图；

图8为本发明实施例提供的一种采用超短脉冲激光光束加工出的空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域的实际样品图。

附图标记：

10-碳化硅晶锭21-设定深度层22-空洞改质层23-裂纹改质层

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

为了方便理解本发明实施例提供的碳化硅晶锭的激光剥离方法，下面首先说明一下本发明实施例提供的激光剥离方法的应用场景，该激光剥离方法应用于从碳化硅晶锭分离出碳化硅晶片过程中。下面结合附图对该碳化硅晶锭的激光剥离方法进行详细的叙述。

参考图1～图5，本发明实施例提供的碳化硅晶锭10的激光剥离方法包括：

Step10：提供待切割的碳化硅晶锭10；

Step20：将超短脉冲激光光束的焦点聚焦在碳化硅晶锭10的设定深度层21位置，以在设定深度层21位置的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域；其中，空洞改质形成区域位于设定深度层21位置与裂纹改质形成区域之间；

Step30：控制超短脉冲激光光束的焦点在碳化硅晶锭10的设定深度层21扫描，以在设定深度层21位置的上方分别形成空洞改质层22和裂纹改质层23；其中，空洞改质层22由多个空洞改质形成区域组成，裂纹改质层23由多个裂纹改质形成区域组成，且空洞改质层22位于设定深度层21与裂纹改质层23之间；

Step40：将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长；

Step50：控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层23扫描，以使裂纹改质层23中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起；

Step60：以裂纹改质层23为界面，将碳化硅晶锭10的一部分剥离生成晶片。

在上述的方案中，先采用超短脉冲激光，将超短脉冲激光光束的焦点聚焦在碳化硅晶锭10的设定深度层21位置，以在设定深度层21位置的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域，并控制超短脉冲激光光束的焦点在碳化硅晶锭10的设定深度层21扫描，形成空洞改质层22和裂纹改质层23。经过超短脉冲级激光隐切加工后，采用短脉冲量级激光，将短脉冲激光光束的焦点向设定深度层21之上的位置移动一定范围，使短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，从而使短脉冲激光光束的热量主要作用于裂纹改质形成区域，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长，并控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层23扫描，以使裂纹改质层23中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。

相比现有采用激光切割硅锭工艺，由于所采用的超短脉冲激光，能够在超短脉冲激光光束焦点所在的设定深度层21位置的上方，分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域，并经过扫描分别形成空洞改质层22和裂纹改质层23，对现有技术中的改质层进行了细化和区分。之后，采用短脉冲激光光束时，将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，短脉冲激光光束焦点位置在超短脉冲激光光束焦点位置的上方，而非现有技术的同一深度位置，从而能够产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长，并经过扫描使裂纹改质层23中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。即通过对改质层进行细化区分为空洞改质层22和裂纹改质层23，之后使短脉冲激光光束聚焦在裂纹改质层23处，将短脉冲激光光束的焦点位置进行更准确合理的设计，不仅使短脉冲激光光束的焦点上下高度差波动小(由于裂纹改质形成区域的上下高度差，一定小于裂纹改质形成区域和空洞改质形成区域共同组成的改质层的上下高度差)，而且将短脉冲激光光束的焦点聚焦在改质层优化为聚焦在裂纹改质层23，优化了短脉冲激光光束的聚焦位置，减少改质层内的裂纹沿碳化硅晶锭10纵向扩展的量和长度，从而将激光能量更多的作用于裂纹的横向向外生长，能够增加横向裂纹生长的数量和裂纹生长长度，能够切割出更薄的碳化硅晶片，而且还减少切割损耗厚度，同一碳化硅晶锭10能够切割出更多的碳化硅晶片，减少浪费。下面结合附图对上述各个步骤进行详细的介绍。

首先，如图3及图6所示，提供待切割的碳化硅晶锭10。

接下来，参考图1、图2及图8，将超短脉冲激光光束的焦点聚焦在碳化硅晶锭10的设定深度层21位置，以在设定深度层21位置的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域，其中，空洞改质形成区域位于设定深度层21位置与裂纹改质形成区域之间。超短脉冲激光光束的焦点体积处强度通过多光子电离、隧道电离和雪崩电离引起材料对激光能量的非线性吸收。因为非线性吸收，焦点位置产生了微小尺寸的高激发的等离子体,这个微小尺寸不同的激光作用于不同晶体材料会有所不同，从纳米到亚微米尺寸范围。因此不会产生激光入射方向上的大尺寸的材料损伤。

在加工过程中设定深度层21具体与剥离出的晶片厚度、剥离损耗厚度等有关。可以通过三轴振镜、测高仪等将超短脉冲激光光束的焦点准确的聚焦在碳化硅晶锭10的设定深度层21位置。参考图2、图3及图8，在设定深度层21位置上方产生的裂纹改质形成区域和空洞改质形成区域均占据了一定的厚度空间，裂纹改质形成区域和空洞改质形成区域的大小与超短脉冲激光光束的能量有关，裂纹改质形成区域和空洞改质形成区域的大小均随激光能量的增大而增大。如图2及图3所示，空洞改质形成区域可以位于超短脉冲激光光束的焦点的上方1-5um区域处，裂纹改质形成区域可以位于空洞改质形成区域的上方10-30um区域处，使空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域处于不同的深度层，能够清晰的区分出空洞改质层22和裂纹改质层23。在选择超短脉冲激光光束时，超短脉冲激光光束可以为皮秒脉宽激光光束或飞秒脉宽激光光束。在更优的实施例中，可以控制超短脉冲激光光束的波长为500-1100nm，具体的，超短脉冲激光光束的波长可以为500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm等介于500-1100nm之间的任意值。便于在超短脉冲激光光束的焦点上方产生效果更好的空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域。

接下来，参考图1及图3，控制超短脉冲激光光束的焦点在碳化硅晶锭10的设定深度层21扫描，以在设定深度层21位置的上方分别形成空洞改质层22和裂纹改质层23；其中，空洞改质层22由多个空洞改质形成区域组成，裂纹改质层23由多个裂纹改质形成区域组成，且空洞改质层22位于设定深度层21与裂纹改质层23之间。

具体控制超短脉冲激光光束的焦点在碳化硅晶锭10的设定深度层21扫描的方式可以采用多种方式，以在碳化硅晶锭10内分别形成空洞改质层22和裂纹改质层23，使空洞改质层22中的空洞改质形成区域间隔式的铺满空洞改质层22区域，裂纹改质层23中的裂纹改质形成区域间隔式的铺满裂纹改质层23区域。例如，可以采用螺旋扫描的方式，也可以采用平行间隔扫描出多个切割道的方式。示例性的，可以控制超短脉冲激光光束的焦点在碳化硅晶锭10的设定深度层21扫描出多个平行的第一切割道，且任意相邻两个第一切割道的间隔为20-45um，具体的，任意相邻两个第一切割道之间的间隔可以为20um、25um、30um、35um、40um、45um等介于20-45um之间的任意值，便于实现较宽的碳化硅爆点间隔。还可以使不同焦点之间的距离约1-3个裂纹改质形成改质区域的尺寸，便于实现较宽的碳化硅爆点间隔。

接下来，参考图1、图4及图5，将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长。即短脉冲激光相对于超短脉冲激光的焦点聚焦位置，有一个上移的动作，从而将短脉冲激光光束的焦点聚焦到裂纹改质形成区域。上述的空洞改质形成区域其实是改质区域，还未形成空洞，后续加载聚焦的可透够材料的短脉冲激光光束时，当短脉冲激光光束的光子能量聚焦在材料，光子能量足够高时，激光光子可能会使样品的化学键直接断裂掉，使局部区域的体积迅速膨胀爆炸。足够长的短脉冲宽度使得光子能量传递给电子后，能马上耦合给碳化硅晶格，光子能将转化成热能，导致样品温度升高。当温度升高后，样品的物理化学性质进一步发生变化，光学系统系数改变并使得样品内部产生应力，并且随着脉冲宽度的延长，应力持续叠加，将前一次超短脉冲激光光束加工出来的裂纹改质形成区域中的化学键打断后，分别形成的碳元素和硅元素之间的裂纹进一步引导向外辐射。

需要解释的是，短脉冲激光光束相比超短脉冲激光光束的脉宽加宽，是希望更多的光停留时间，产生更多的热效应，使裂纹生长更长，经过多次的连续照射短脉冲激光，这里多次可以是1-3次也可以是3到5次，裂纹在水平方向上可以实现200微米以上的生长。根据材料的不同、材料种类、掺杂注入情况，不同的激光参数功率脉宽波长等，生长会有所不同。

在将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长时，参考图4及图5，可以调节短脉冲激光光束的偏振状态，使得电子传播方向沿着碳化硅晶锭10的碳化硅晶格方向拓展，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，形成3-5°的横向生长裂纹，便于更好的减少改质层内的裂纹沿碳化硅晶锭10纵向扩展的量和长度，从而将激光能量更多的作用于裂纹的横向向外生长，增加横向裂纹生长的数量和裂纹生长长度。

在选择短脉冲激光光束时，短脉冲激光光束可以为纳秒脉宽激光光束。在更优的实施方式中，短脉冲激光光束的波长可以为500-1100nm，具体的，短脉冲激光光束的波长可以为500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm等介于500-1100nm之间的任意值。便于更好的减少改质层内的裂纹沿碳化硅晶锭10纵向扩展的量和长度，从而将激光能量更多的作用于裂纹的横向向外生长，增加横向裂纹生长的数量和裂纹生长长度。

在将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长时，在更优的方式中，可以将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域的中间高度位置处，更好的优化短脉冲激光光束的聚焦位置。当然，只要将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域的方式都在本专利的保护范围之内。

在具体实现短脉冲激光光束的焦点相对超短脉冲激光光束的焦点上移时，由于碳化硅的禁带宽度大约为3.2eV，其介质与空气的折射率为2.6。根据折射定律，当激光头NA＝0.42时，激光在通过激光头说产生的入射角为：

U1＝sin(0.42)*180/π＝24.83°

激光经过样品表面产生折射，其折射角为：

U2＝sin(0.42/2.6)*180/π＝9.3°

因此，激光在介质中距离放大的倍率为：

A＝tan(π*24.83/180)/tan(π*9.3/180)＝2.83

所以当加工头沿Z轴进行运动从Z0至Z1时，激光在材料内部运动高度为

h＝2.83*(Z1-Z0)

短脉冲激光相对于超短脉冲激光的加工位置，可以使加工头的Z轴线上移动3.88-12.36um，可以取中移动与8um，实际位置移动22um左右，可取得较好效果。

接下来，参考图1、图4及图5，控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层23扫描，以使裂纹改质层23中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。具体控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层23扫描的方式，与控制超短脉冲激光光束的焦点在设定深度层21扫描的方式有关。例如，在控制超短脉冲激光光束的焦点在设定深度层21扫描的方式采用螺旋扫描的方式时，控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层23扫描的方式也为螺旋扫描的方式。在控制超短脉冲激光光束的焦点在设定深度层21扫描的方式采用多个平行的第一切割道的方式时，控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层23扫描方式具体可以为：控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层23扫描出多个平行的第二切割道，且每个第二切割道均位于一个第一切割道的正上方，简化扫描难度。

另外，在控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层23扫描出多个平行的第二切割道时，可以控制短脉冲激光光束的焦点在每个第二切割道处扫描的次数大于或等于三次。通过采用纳秒激光光束多次加工持续的热注入实现爆点裂纹连接，提高裂纹改质形成区域的裂纹横向生长的量和长度，使相邻第二切割道延伸出的裂纹更快的连接在一起，便于实现通过隐切裂纹诱导生长方式，达到对碳化硅晶锭10分离成多片碳化硅晶片的目的。

接下来，参考图1，以裂纹改质层23为界面，将碳化硅晶锭10的一部分剥离生成晶片。具体以裂纹改质层23为界面将碳化硅晶锭10的一部分剥离生成晶片的方式，可以采用拉伸、旋转等方式，将裂纹改质层23上方的晶片从碳化硅晶锭10上剥离下来。

另外，还可以采用如下的方式，以裂纹改质层23为界面，将碳化硅晶锭10的一部分剥离生成晶片。采用金刚石线锯对裂纹改质层进行线切割，以裂纹改质层为界面，将碳化硅晶锭的一部分剥离生成碳化硅晶片。通过先将激光光束聚焦在距离碳化硅晶锭内部的预定深度层并扫描，在预定深度层位置处形成裂纹改质层。形成裂纹改质层的过程中，在激光焦点处能量密度超过碳化硅烧蚀阈值，材料温度骤升，碳化硅在高温条件下发生分解，生成非晶硅或单晶硅或两者混合以及碳，具体非晶硅和单晶硅由激光能量密度决定。当激光能量较大时生成单晶硅，激光能量较小时生成非晶硅。之后采用金刚石线锯对裂纹改质层进行线切割，以裂纹改质层为界面，将碳化硅晶锭的一部分剥离生成碳化硅晶片。由于裂纹改质层的材料为单晶硅、非晶硅及碳，其硬度均较碳化硅低得多，在采用金刚石线锯对改质层进行线切割的过程中，能够减少金刚石线锯的磨损，从而减小金刚石线锯损耗，减小线切割难度。因此可以选择更细的金刚石线锯，降低碳化硅晶锭的损失，提高碳化硅晶锭的切片产出率。同时，采用金刚石线锯切割方式，不易因受力不均造成碳化硅晶片碎裂。即相比激光切割+机械剥离的方法，本申请采用金刚石线锯切割裂纹改质层，从改质后的碳化硅晶锭上剥离出碳化硅晶片，无需采用机械剥离的方式，从而能够避免出现机械剥离过程中可能会因受力不均造成碳化硅晶片碎裂的现象，提高产品良率及剥离效率。

在从碳化硅晶锭剥离出碳化硅晶片之后，在对碳化硅晶片研磨之前，还可以增加将碳化硅晶片浸泡在化学溶液中，腐蚀碳化硅晶片的改质层界面的步骤，通过使用化学溶液腐蚀碳化硅晶片的改质层界面，能够去除碳化硅晶片剥离步骤产生的残余应力、位错及裂纹等缺陷。之后再研磨碳化硅晶片的改质层界面，由于此时碳化硅晶片的改质层界面上无残余应力或者存在较少的残余应力，避免研磨工序缺陷增值，能够减缓研磨工序的挤压使残余应力增大从而造成裂纹继续生长的现象，从而能够研磨更少材料即可完全去除损伤层，降低晶锭损失，提高晶片的质量。而且采用化学溶液腐蚀后的改质层界面的平整度更好，能够降低后续研磨的难度，提高研磨效率。

在上述示出的各种实施方式中，先采用超短脉冲激光，将超短脉冲激光光束的焦点聚焦在碳化硅晶锭10的设定深度层21位置，以在设定深度层21位置的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域，并控制超短脉冲激光光束的焦点在碳化硅晶锭10的设定深度层21扫描，形成空洞改质层22和裂纹改质层23。经过超短脉冲级激光隐切加工后，采用短脉冲量级激光，将短脉冲激光光束的焦点向设定深度层21之上的位置移动一定范围，使短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，从而使短脉冲激光光束的热量主要作用于裂纹改质形成区域，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长，并控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层23扫描，以使裂纹改质层23中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。

相比现有采用激光切割硅锭工艺，由于所采用的超短脉冲激光，能够在超短脉冲激光光束焦点所在的设定深度层21位置的上方，分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域，并经过扫描分别形成空洞改质层22和裂纹改质层23，对现有技术中的改质层进行了细化和区分。之后，采用短脉冲激光光束时，将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，短脉冲激光光束焦点位置在超短脉冲激光光束焦点位置的上方，而非现有技术的同一深度位置，从而能够产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长，并经过扫描使裂纹改质层23中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。即通过对改质层进行细化区分为空洞改质层22和裂纹改质层23，之后使短脉冲激光光束聚焦在裂纹改质层23处，将短脉冲激光光束的焦点位置进行更准确合理的设计，不仅使短脉冲激光光束的焦点上下高度差波动小(由于裂纹改质形成区域的上下高度差，一定小于裂纹改质形成区域和空洞改质形成区域共同组成的改质层的上下高度差)，而且将短脉冲激光光束的焦点聚焦在改质层优化为聚焦在裂纹改质层23，优化了短脉冲激光光束的聚焦位置，减少改质层内的裂纹沿碳化硅晶锭10纵向扩展的量和长度，从而将激光能量更多的作用于裂纹的横向向外生长，能够增加横向裂纹生长的数量和裂纹生长长度，能够切割出更薄的碳化硅晶片，而且还减少切割损耗厚度，同一碳化硅晶锭10能够切割出更多的碳化硅晶片，减少浪费。

另外，本发明实施例还提供了一种碳化硅晶锭的激光剥离装置，参考图1～图6，该激光剥离装置包括：载物台、超短脉冲激光系统、第一扫描系统、短脉冲激光系统、第二扫描系统和剥离系统。其中，载物台用于将待切割的碳化硅晶锭10保持在其上。超短脉冲激光系统用于提供超短脉冲激光光束，并将超短脉冲激光光束的焦点聚焦在碳化硅晶锭10的设定深度层21位置，以在设定深度层21位置的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域；其中，空洞改质形成区域位于设定深度层21位置与裂纹改质形成区域之间。第一扫描系统用于控制超短脉冲激光光束的焦点在碳化硅晶锭10的设定深度层21扫描，以在设定深度层21位置的上方分别形成空洞改质层22和裂纹改质层23；其中，空洞改质层22由多个空洞改质形成区域组成，裂纹改质层23由多个裂纹改质形成区域组成，且空洞改质层22位于设定深度层21与裂纹改质层23之间。短脉冲激光系统用于提供短脉冲激光光束，并将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长。第二扫描系统用于控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层23扫描，以使裂纹改质层23中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。剥离系统用于以裂纹改质层23为界面，将碳化硅晶锭10的一部分剥离生成晶片。

如图6所示出的一种碳化硅晶锭的激光剥离装置，第一扫描系统和第二扫描系统均可以通过三轴运动台实现，将载物台固定在三轴运动台上。超短脉冲激光系统和短脉冲激光系统可以分别采用不同的激光器，不同的激光系统可以共用部分光学器件，在不同的光路上设置光学开关，从而进行切换。其中，上述的超短脉冲激光系统所提供的超短脉冲激光光束可以为皮秒脉宽激光光束或飞秒脉宽激光光束，且超短脉冲激光光束的波长可以为500-1100nm。上述的短脉冲激光系统所提供的短脉冲激光光束可以为纳秒脉宽激光光束，且短脉冲激光光束的波长可以为500-1100nm。参考图6，还可以在不同的激光系统上设置CCD相机和光源，以实时观察加工位置的情况。

如图7为基于图6示出的碳化硅晶锭的激光剥离装置的激光剥离操作方式流程图，按照图7示出的操作流程，即可完成上述示出的任意一种激光剥离方法的所有操作步骤。

在上述的方案中，先采用超短脉冲激光，将超短脉冲激光光束的焦点聚焦在碳化硅晶锭10的设定深度层21位置，以在设定深度层21位置的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域，并控制超短脉冲激光光束的焦点在碳化硅晶锭10的设定深度层21扫描，形成空洞改质层22和裂纹改质层23。经过超短脉冲级激光隐切加工后，采用短脉冲量级激光，将短脉冲激光光束的焦点向设定深度层21之上的位置移动一定范围，使短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，从而使短脉冲激光光束的热量主要作用于裂纹改质形成区域，产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长，并控制短脉冲激光光束的焦点在裂纹改质层23扫描，以使裂纹改质层23中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。

相比现有采用激光切割硅锭工艺，由于所采用的超短脉冲激光，能够在超短脉冲激光光束焦点所在的设定深度层21位置的上方，分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域，并经过扫描分别形成空洞改质层22和裂纹改质层23，对现有技术中的改质层进行了细化和区分。之后，采用短脉冲激光光束时，将短脉冲激光光束的焦点聚焦在裂纹改质形成区域，短脉冲激光光束焦点位置在超短脉冲激光光束焦点位置的上方，而非现有技术的同一深度位置，从而能够产生垂直于短脉冲激光光束方向的散射，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长，并经过扫描使裂纹改质层23中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。即通过对改质层进行细化区分为空洞改质层22和裂纹改质层23，之后使短脉冲激光光束聚焦在裂纹改质层23处，将短脉冲激光光束的焦点位置进行更准确合理的设计，不仅使短脉冲激光光束的焦点上下高度差波动小(由于裂纹改质形成区域的上下高度差，一定小于裂纹改质形成区域和空洞改质形成区域共同组成的改质层的上下高度差)，而且将短脉冲激光光束的焦点聚焦在改质层优化为聚焦在裂纹改质层23，优化了短脉冲激光光束的聚焦位置，减少改质层内的裂纹沿碳化硅晶锭10纵向扩展的量和长度，从而将激光能量更多的作用于裂纹的横向向外生长，能够增加横向裂纹生长的数量和裂纹生长长度，能够切割出更薄的碳化硅晶片，而且还减少切割损耗厚度，同一碳化硅晶锭10能够切割出更多的碳化硅晶片，减少浪费。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种碳化硅晶锭的激光剥离方法，其特征在于，包括：

提供待切割的碳化硅晶锭；

将超短脉冲激光光束的焦点聚焦在所述碳化硅晶锭的设定深度层位置，以在所述设定深度层位置的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域；其中，所述空洞改质形成区域位于所述设定深度层位置与所述裂纹改质形成区域之间；

控制所述超短脉冲激光光束的焦点在所述碳化硅晶锭的设定深度层扫描，以在所述设定深度层位置的上方分别形成空洞改质层和裂纹改质层；其中，所述空洞改质层由多个所述空洞改质形成区域组成，所述裂纹改质层由多个所述裂纹改质形成区域组成，且所述空洞改质层位于所述设定深度层与所述裂纹改质层之间；

将短脉冲激光光束的焦点聚焦在所述裂纹改质形成区域，产生垂直于所述短脉冲激光光束方向的散射，使所述裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长；

控制所述短脉冲激光光束的焦点在所述裂纹改质层扫描，以使所述裂纹改质层中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起；

以所述裂纹改质层为界面，将碳化硅晶锭的一部分剥离生成晶片。

2.如权利要求1所述的激光剥离方法，其特征在于，所述超短脉冲激光光束为皮秒脉宽激光光束或飞秒脉宽激光光束，且所述超短脉冲激光光束的波长为500-1100nm。

3.如权利要求1所述的激光剥离方法，其特征在于，所述短脉冲激光光束为纳秒脉宽激光光束，且所述短脉冲激光光束的波长为500-1100nm。

4.如权利要求1所述的激光剥离方法，其特征在于，所述空洞改质形成区域位于所述超短脉冲激光光束的焦点的上方1-5um区域处，所述裂纹改质形成区域位于所述空洞改质形成区域的上方10-30um区域处。

5.如权利要求4所述的激光剥离方法，其特征在于，所述将短脉冲激光光束的焦点聚焦在所述裂纹改质形成区域，产生垂直于所述短脉冲激光光束方向的散射，使所述裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长，包括：

将所述短脉冲激光光束的焦点聚焦在所述裂纹改质形成区域的中间高度位置处。

6.如权利要求1所述的激光剥离方法，其特征在于，所述将短脉冲激光光束的焦点聚焦在所述裂纹改质形成区域，产生垂直于所述短脉冲激光光束方向的散射，使所述裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长还包括：

调节所述短脉冲激光光束的偏振状态，使得电子传播方向沿着所述碳化硅晶锭的碳化硅晶格方向拓展，产生垂直于所述短脉冲激光光束方向的散射，形成3-5°的横向生长裂纹。

7.如权利要求1所述的激光剥离方法，其特征在于，所述控制所述超短脉冲激光光束的焦点在所述碳化硅晶锭的设定深度层扫描包括：

控制所述超短脉冲激光光束的焦点在所述碳化硅晶锭的设定深度层扫描出多个平行的第一切割道，任意相邻两个第一切割道的间隔为20-45um。

8.如权利要求7所述的激光剥离方法，其特征在于，所述控制所述短脉冲激光光束的焦点在所述裂纹改质层扫描包括：

控制所述短脉冲激光光束的焦点在所述裂纹改质层扫描出多个平行的第二切割道，且每个第二切割道均位于一个所述第一切割道的正上方。

9.如权利要求8所述的激光剥离方法，其特征在于，所述控制所述短脉冲激光光束的焦点在所述裂纹改质层扫描出多个平行的第二切割道包括：

控制所述短脉冲激光光束的焦点在每个所述第二切割道处扫描的次数大于或等于三次。

10.一种碳化硅晶锭的激光剥离装置，其特征在于，包括：

载物台，用于将待切割的碳化硅晶锭保持在其上；

超短脉冲激光系统，用于提供超短脉冲激光光束，并将所述超短脉冲激光光束的焦点聚焦在所述碳化硅晶锭的设定深度层位置，以在所述设定深度层位置的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域；其中，所述空洞改质形成区域位于所述设定深度层位置与所述裂纹改质形成区域之间；

第一扫描系统，用于控制所述超短脉冲激光光束的焦点在所述碳化硅晶锭的设定深度层扫描，以在所述设定深度层位置的上方分别形成空洞改质层和裂纹改质层；其中，所述空洞改质层由多个所述空洞改质形成区域组成，所述裂纹改质层由多个所述裂纹改质形成区域组成，且所述空洞改质层位于所述设定深度层与所述裂纹改质层之间；

短脉冲激光系统，用于提供短脉冲激光光束，并将短脉冲激光光束的焦点聚焦在所述裂纹改质形成区域，产生垂直于所述短脉冲激光光束方向的散射，使所述裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长；

第二扫描系统，用于控制所述短脉冲激光光束的焦点在所述裂纹改质层扫描，以使所述裂纹改质层中任意相邻的裂纹改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起；

剥离系统，用于以所述裂纹改质层为界面，将碳化硅晶锭的一部分剥离生成晶片。

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