CN115592255A - 一种激光剥离碳化硅晶锭的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种激光剥离碳化硅晶锭的方法及装置，先将激光焦点对准晶锭内部的预设平面，将激光按设定的方向和扫描线间距对预设平面进行二次激光加工，以使平面上形成多个爆点，制备得到改质层，之后使用氙灯对改质层进行辐照加热，加热完成后，在晶锭两端施加方向相反、垂直于端面的拉力将晶圆从碳化硅晶锭剥离。本发明极大减少了剥离所需的拉应力，提高了剥离的稳定性，与此同时使晶圆形成了较为平整的剥离面，降低了剥离面的粗糙度，减少了后续研磨的材料损耗，提高了碳化硅剥离效率的同时也降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明属于晶体的加工技术领域，特别是涉及一种激光剥离碳化硅晶锭的方法及装置。
背景技术
碳化硅微型晶体为第三代宽带隙半导体材料，具有高导热率、高击穿电压、载流子迁移率极高、化学稳定性高等优良性质，是制备在高温、强辐射条件下工作的高频、高功率电子器件和光电子器件的理想材料。但由于SiC有着非常高的硬度，想要获得合格的半导体晶圆需要先进的切割技术。为了获得较薄的晶圆片，传统的加工方法是使用线锯将圆柱体切割成片，再研磨减薄到特定的厚度。但这种加工方法会浪费许多材料，相当大部分的晶圆(70-80％)在研磨过程中被研磨掉造成材料损失。而且对于碳化硅这种莫氏硬度高达9.5的材料而言，线锯法不仅效率低下，还会造成而外的环境污染和刀具损失，制约了碳化硅产业的发展。
随着半导体行业的发展以及节能和绿色环保意识的不断推广，激光剥离技术已经开始运用到碳化硅晶圆剥离中。超快激光具有脉冲时间段、峰值能量高、热效应小等优点，可以对材料进行非接触式加工。激光剥离技术包括材料内部的激光改质和剥离两个过程，首先利用激光在内部进行照射形成改质层，改质层包括激光照射区域和裂纹，再对改质层施加力的作用，使得裂纹扩展并且晶圆沿裂纹从晶锭剥离。
由于碳化硅的高硬度，剥离所需的拉应力大，往往需要其他方式辅助进行剥离。例如现有的冷分离(cold split)剥离技术，需要激光聚焦在内部形成改制层后将含有改制层的SiC晶锭与高膨胀系数材料的牺牲层连接(如PDMS)，对牺牲层进行冷却处理，通过冷却应力实现剥离，完成剥离后还需通过化学溶液将牺牲层与SiC晶片分离，这种方式效率低且有化学污染。也有借助于激光处理和温度诱导的应力的组合的晶片制造法，用激光辐照固体内部产生缺陷层，令目标分离层的温度有异于原固体温度，实现目标分离层的自分离，但单纯加热的方法无法保证改质层应力的均匀稳定性。也有采用液氮进行冷却分离，但额外的耗材造成生产成本的提高，引入制冷装置也会导致生产过程更加复杂。
基于上述现有分离技术存在的缺陷，亟需设计出一种剥离应力小，剥离稳定，且材料损耗小的剥离方式。
发明内容
本发明提供一种激光剥离碳化硅晶锭的方法及装置，通过控制激光扫描的间距与方式，制备了含有爆点的改质层，与常规激光加工形成的改质层相比，本发明使激光改质区域形成了结合松散、易于分断的脆整体分层结构，极大减少了剥离所需的拉应力，提高了剥离的稳定性，与此同时使晶圆形成了较为平整的剥离面，降低了剥离面的粗糙度，减少了后续研磨的材料损耗，提高了碳化硅剥离效率的同时也降低了生产成本。
本发明的技术方案如下：
一种激光剥离碳化硅晶锭的方法，包括以下步骤：
S1、将激光束的焦点对准碳化硅晶锭内部的预设深度处的预设平面；
S2、令激光束以线扫描的方式，按提前设定的第一扫描方向和10-50um的扫描线间距对预设平面进行扫描加工，以使扫描路径覆盖整个预设平面，完成第一次扫描；
S3、只改变激光束的扫描方向，令激光束按与第一扫描方向垂直的第二扫描方向对预设平面再次进行扫描加工，以使扫描路径再次覆盖整个预设平面，完成第二次扫描；
S4、激光加工完成后，第一次扫描路径与第二次扫描路径的多个交点处形成多个平面爆点，以此制备得到结构松散的改质层；
S5、使用氙灯作为热源，对改质层进行辐照加热1-2h；
S6、加热完成后，在碳化硅晶锭的顶部和底部两端施加方向相反、垂直于碳化硅晶锭端面的拉力将晶圆从碳化硅晶锭剥离。
本发明首先使用10-50um的扫描线间距的激光进行二次加工，以在晶锭内部形成了结合松散、易于分的脆整体分层结构，有利于减小晶圆的剥离拉应力，提高碳化硅晶圆的剥离效果，在改质层形成后，再采用大功率氙灯对改质层进行辐照加热1-2h，氙灯光斑较大，能够有效覆盖整片加工区域，实现对改质区域的均匀加热，使改质层内部应力分布均匀，让初始裂纹进一步扩展，最后在晶锭两端施加相反拉力可以实现晶圆的剥离。本发明的方法简单可行，剥离的晶圆表面平整，质量可靠。
在本发明中，激光扫描的线间距越小，两次激光扫描重叠的地方形成的多个爆点更加密集，以爆点为中心周围裂纹扩展搭接延伸，形成了较为脆弱的改制区，有利于后续剥离工作的进行，使剥离晶圆所需的剥离拉应力减少，且降低剥离后晶圆未研磨剥离面的粗糙度。本发明为了提高剥离效果，设计了10-50um的线间距范围，原因是：一般激光线脉宽在10um左右，如果线间距小于10um，由于激光束本身存在一定脉宽，因此当线间距少于一定宽度时，一般两条线之间就进行重叠了，会浪费扫描能量并可能会发生烧蚀，影响剥离效果；而如果线间距超过50um，改质层所形成的爆点会比较松散，造成所需的剥离拉应力过大，也会影响剥离效果。需要说明的是，此处只是一种较为优选的方式，操作人员可根据实际较为理想的剥离拉应力而设置扫描线间距。
本发明通过氙灯对改质层进行辐照加热1-2h的时间设定，是基于在一定时间范围内保证其完成对改质层进行加热均匀的同时，避免加热时间过长而造成热量过高，减少耗能。此时间范围可根据实际的情况进行设定，此处只是一个较为优选的示例。
进一步，所述的预设深度指的是预设平面相对碳化硅晶锭顶面的距离。预设深度的范围一般为300-1000um。由于晶圆的目标厚度范围一般为50um-150um，因此具体的预设深度可依据实际的生产需求进行设定，此处不作出限定，但材料的预设深度必须要大于需剥离晶圆的目标厚度。
进一步，所述的预设深度超出所剥离得到的晶圆厚度至少100um。
保证预设深度超出所需剥离晶圆厚度至少100um，这样设计的目的是为了在进行剥离时，保证晶锭的顶部具有一定的厚度用于承受上方的力，以保证剥离晶圆时的稳定性。
进一步，所述的第一扫描方向相对预设平面的扫描角度范围为0-360度。
激光束可在预设平面上沿任意方向开始进行扫描，只需保证第一扫描方向与第二扫描方向保持相互垂直即可。
进一步，所述的激光束光斑采用高斯光斑、方形平顶光斑、圆形平顶光斑、椭圆平顶光斑、菱形平顶光斑中的一种。
进一步，所述的激光束的波长为150nm-1030nm、脉宽为1-15ps、重复频率为1-10KHz。
进一步，所述氙灯为筒状短弧氙灯，内部装有滤光片，输出光的波长范围为400-600nm，光斑大小为70-150mm，功率大于10kW。
本发明还提供一种激光剥离碳化硅晶锭的装置，用于进行上述激光剥离碳化硅晶锭的方法，该装置包括超快激光器、衰减器、光阑、扩束镜、物镜、CCD照相机、移动工作平台和氙灯；
将碳化硅晶锭固定放置在所述移动工作平台上，所述超快激光器输出高斯激光束，经衰减器、光阑、扩束镜的传输后进入到物镜，由物镜对激光束进行聚焦到碳化硅晶锭内部的预设深度处的预设平面，同时CCD照相机用于对焦点的位置进行调节校正；
聚焦完毕后，移动工作平台带动碳化硅晶锭在X/Y/Z三个维度方向上进行移动，以使激光束能够完成对碳化硅晶锭的预设平面上的扫描加工；
扫描加工完成后，将外置的氙灯移动到碳化硅晶锭的正上方，以使氙灯对扫描加工形成的改质层进行辐照加热；
加热后，将一块基板粘贴在碳化硅晶锭的顶面，拉动基板以使晶圆从碳化硅晶锭剥离。
进一步，用环氧树脂将基板粘贴在碳化硅晶锭的顶面。
进一步，设有机械抓手，通过机械抓手将基板粘贴在碳化硅晶锭的顶面，并通过机械抓手拉动基板以使晶圆从碳化硅晶锭剥离。
此处由于移动工作平台对碳化硅晶锭的底部存在一个固定的向下拉力，因此通过在碳化硅晶锭表面粘接一个基板，以通过机械抓手向上拉动基板，对碳化硅晶锭顶部施加一个向上的拉力，碳化硅晶锭受到施加方向相反、垂直于其端面的拉力，因此可将晶圆从碳化硅晶锭剥离。
本发明的有益效果如下：
(1)相比于线锯技术加工过程，本发明通过激光束扫描对晶锭的预设平面进行加工，使剥离的晶圆形成了具有较为平整的剥离面，降低了剥离面的粗糙度，减少了后续研磨的材料损耗。
(2)现有的激光剥离容易受力不均，严重影响良品率，而本发明通过按一定范围的扫描线间距进行二次交叉激光扫描的方式形成爆点，通过爆点形成的裂纹扩展搭接，形成结合松散、易于分断的脆整体剥离层，降低了晶圆的剥离拉应力；
(3)使用氙灯作为热源，其光斑能够有效覆盖预设平面，通过氙灯实现对改质层进行均匀加热使改质层的内部应力分布均匀，利用温差造成的拉应力进一步减小产生裂纹，形成良好的剥离效果，提高剥离的稳定性。
附图说明
图1是本发明的激光剥离碳化硅晶锭的装置示意图；
图2是激光束照射在碳化硅晶锭的预设平面上的示意图；
图3是激光进行第一次扫描的路径图；
图4是激光进行第二次扫描的路径图；
图5是激光二次加工后预设平面上形成多个爆点的示意图；
图6是氙灯照射在改质层上的示意图；
图7是基板粘贴在碳化硅晶锭顶部的示意图；
图8是扫描线间距为50μm时所形成的预设平面示意图；
图9是扫描线间距为50μm时所形成的改质层示意图；
图10是扫描线间距为50μm时碳化硅晶锭剥离晶圆后的剥离面示意图；
图11是扫描线间距为30μm时所形成的预设平面示意图；
图12是扫描线间距为30μm时所形成的改质层示意图；
图13是扫描线间距为30μm时碳化硅晶锭剥离晶圆后的剥离面示意图；
图14是扫描线间距为10μm时所形成的预设平面示意图；
图15是扫描线间距为10μm时所形成的改质层示意图；
图16是扫描线间距为10μm时碳化硅晶锭剥离晶圆后的剥离面示意图；
图17是扫描线间距为60μm时所形成的预设平面示意图；
图18是扫描线间距为60μm时所形成的改质层示意图；
图19是扫描线间距为8μm时所形成的预设平面示意图；
图20是扫描线间距为8μm时所形成的改质层示意图；
图21是扫描线间距为8μm时碳化硅晶锭剥离晶圆后的剥离面示意图。
图中：超快激光器1、衰减器2、光阑3、扩束镜4、物镜5、CCD照相机6、移动工作平台7、氙灯8、碳化硅晶锭9、改质层10、基板11。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1：
如图1-图7所示，一种激光剥离碳化硅晶锭的装置，由超快激光器1、衰减器2、光阑3、扩束镜4、物镜5、CCD照相机6、移动工作平台7组成，还外置有氙灯8；
将碳化硅晶锭9固定放置在所述移动工作平台7上，所述超快激光器1输出高斯激光束，经衰减器2、光阑3、扩束镜4的传输后进入到物镜5，由物镜5对激光束进行聚焦到碳化硅晶锭9内部的预设深度处的预设平面，同时CCD照相机6用于对焦点的位置进行调节校正；
聚焦完毕后，移动工作平台7带动碳化硅晶锭9在X/Y/Z三个维度方向上进行移动，以使激光束能够完成对碳化硅晶锭9的预设平面上的扫描加工；
扫描加工完成后，将外置的氙灯8移动到碳化硅晶锭9的正上方，以使氙灯8对扫描加工形成的改质层10进行辐照加热；
加热后，用环氧树脂将一块基板11粘贴在碳化硅晶锭9的顶面，拉动基板11以使晶圆从碳化硅晶锭9剥离。
其中，氙灯8可通过一个二维的升降移动架(图中未示出)进行升降及横移，以使氙灯8移动到碳化硅晶锭9的正上方。
其中，该装置还设有机械抓手(图中未示出)，通过机械抓手将基板11粘贴在碳化硅晶锭9的顶面，并通过机械抓手拉动基板11以使晶圆从碳化硅晶锭9剥离。
通过上述的激光剥离碳化硅晶锭9的装置实现剥离晶圆的具体方法如下：
S1、在移动工作平台7上放置好碳化硅晶锭9，启动超快激光器1，以使激光束的焦点对准碳化硅晶锭9内部的预设深度处的预设平面(参见图2)；
S2、设定好激光束的参数，令激光束以线扫描的方式，按提前设定的第一扫描方向和10-50um的扫描线间距对预设平面进行扫描加工，控制移动工作平台7的轨迹，实现碳化硅晶锭9在X/Y/Z三个维度方向上的移动，以使激光的扫描路径覆盖整个预设平面，完成第一次扫描(参见图3)；
S3、保持激光束相同参数，只改变激光束的扫描方向，令激光束按与第一扫描方向垂直的第二扫描方向对预设平面再次进行扫描加工，同样通过控制移动工作平台7实现碳化硅晶锭9的移动，以使激光的扫描路径再次覆盖整个预设平面，完成第二次扫描(参见图4)；
S4、激光加工完成后，第一次扫描路径与第二次扫描路径的多个交点处形成多个平面爆点(参见图5)，以此制备得到结构松散的改质层10；
S5、使用氙灯8作为热源，对改质层10进行辐照加热1-2h(参见图6)；
S6、加热完成后，由于移动工作平台7对碳化硅晶锭9的底部存在一个固定的向下拉力，因此通过在碳化硅晶锭9表面粘接一个基板11，向上拉动基板11，对碳化硅晶锭9顶部施加一个向上的拉力，碳化硅晶锭9受到施加方向相反、垂直于其端面的拉力，即可将晶圆从碳化硅晶锭9剥离。
在本实施例中，超快激光器1采用的是立陶宛LIGHT CONVERSION公司生产的PHAROS型固体激光器，具有良好的光束质量和稳定的振荡状态，脉宽、波长、重复频率为1-15ps、150-1030nm和1-200MHz。物镜5为日本西格玛光机生产的50倍近红外物镜(PAL-50-NIR-HR-LC00)。移动工作平台7采用X/Y/Z三轴精密电动移动工作平台，通过上位机控制移动工作平台7按设定的运动轨迹进行移动，实现样件在X/Y/Z三个维度方向上的移动，以完成激光扫描。
在本实施例中，所述的预设深度指的是预设平面相对碳化硅晶锭9顶面的距离，预设深度的范围一般为300-1000um。由于晶圆的目标厚度范围一般为50um-150um，因此具体的预设深度可依据实际的生产需求进行设定，此处不作出限定，但材料的预设深度必须要大于需剥离晶圆的目标厚度。本发明所设置的预设深度超出所剥离得到的晶圆厚度至少100um，这样设计的目的是为了在进行剥离时，保证晶锭的顶部具有一定的厚度用于承受上方的力，以保证剥离晶圆时的稳定性。例如当晶圆的目标厚度为150um时，预设深度可设置为300um，这样保证所需剥离的晶圆顶面与晶锭顶面之间存在150um的厚度，是较为合理的，上述的预设深度的范围设置，可根据具体所需晶圆厚度进行设计，并不作出限定。
在本实施例中，所述的扫描线间距为10-50um。激光扫描的线间距越小，两次激光扫描重叠的地方形成的多个爆点更加密集，以爆点为中心周围裂纹扩展搭接延伸，形成了较为脆弱的改制区，有利于后续剥离工作的进行，使剥离晶圆所需的剥离拉应力减少，且降低剥离后晶圆未研磨剥离面的粗糙度。本发明为了提高剥离效果，设计了10-50um的线间距范围，原因是：一般激光线脉宽在10um左右，如果线间距小于10um，由于激光束本身存在一定脉宽，因此当线间距少于一定宽度时，一般两条线之间就进行重叠了，会浪费扫描能量并可能会发生烧蚀，影响剥离效果；而如果线间距超过50um，改质层10所形成的爆点会比较松散，造成所需的剥离拉应力过大，也会影响剥离效果。需要说明的是，此处只是一种较为优选的方式，操作人员可根据实际较为理想的剥离拉应力而设置扫描线间距。
本发明通过氙灯8对改质层10进行辐照加热1-2h的时间设定，是基于在一定时间范围内保证其完成对改质层10进行加热均匀的同时，避免加热时间过长而造成热量过高，减少耗能。此时间范围可根据实际的情况进行设定，此处只是一个较为优选的示例。
在本实施例中，所述的第一扫描方向相对预设平面的扫描角度范围为0-360度。即本发明中的激光束可在预设平面上沿任意方向开始进行扫描，只需保证第一扫描方向与第二扫描方向保持相互垂直即可。需要说明的是，该处所描述的扫描方向在预设平面上进行激光路径开设扫描时，激光所在预设平面上路径起点的方向。例如在图3中，第一扫描方向是激光束从预设平面的左上角开始，以在预设平面的180度方向开始进行扫描，呈现矩形路径来回扫描，按设定的扫描线间距对预设平面进行全覆盖；同理，在图4中，当进行第二次扫描时，激光束从预设平面的左下角开始，以在预设平面的270度方向开始进行扫描，呈现矩形路径来回扫描，按设定的扫描线间距对预设平面进行全覆盖，以在预设平面上最终形成如图5所示的具有多个爆点的预设区域。
在本实施例中，所述的激光束光斑可采用高斯光斑、方形平顶光斑、圆形平顶光斑、椭圆平顶光斑、菱形平顶光斑中的一种或多种任意组合。
在本实施例中，所述氙灯8为筒状短弧氙灯，内部装有滤光片，输出光的波长范围为400-600nm，光斑大小为70-150mm，功率大于10kW。
在本实施例中，可将碳化硅晶锭9替换为其他应用广泛的半导体衬底材质，例如晶锭的材质可以为碳化硅、氮化镓、硅或者蓝宝石等。
本发明首先按设定的扫描线间距使用激光二次加工在材料内部形成了结合松散、易于分的脆整体分层结构，有利于减小晶圆的剥离拉应力，提高碳化硅晶圆的剥离效果，在改质层10形成后，再采用大功率氙灯8对改质层10进行辐照加热，氙灯8光斑较大，能够有效覆盖整片加工区域，实现对改质区域的均匀加热，使改质层10内部应力分布均匀，让初始裂纹进一步扩展，最后在晶锭两端施加相反拉力可以实现晶圆的剥离。本发明的方法简单可行，剥离的晶圆表面平整，质量可靠。
实施例2：
本实施例将超快激光器1所发出的激光束的工艺参数设定为：单脉冲能量5.7μJ，重复频率1kHz，扫描速度2mm/s，扫描间距50μm，脉宽15ps。设定所需剥离晶圆的大小为5mmX 5mm。
具体进行激光剥离碳化硅晶锭的过程如下：
S1、将一块碳化硅晶锭9固定放置于移动工作平台7上，超快激光器1发出激光束，控制移动工作平台7往Z方向移动，以使晶锭高度位置改变，使激光束的焦点位于碳化硅晶锭9内部300μm深度的预设平面；
S2、启动超快激光器1，令激光束以线扫描的方式，按图3所示的第一扫描方向和50um的扫描线间距对预设平面进行扫描加工，控制移动工作平台7的轨迹，实现碳化硅晶锭9在X/Y/Z三个维度方向上的移动，以使激光的扫描路径覆盖整个预设平面，完成第一次扫描(参见图3)；
S3、改变激光束的扫描方向，令激光束按图4所示的第二扫描方向对预设平面再次进行扫描加工，同样通过控制移动工作平台7实现碳化硅晶锭9的移动，以使激光的扫描路径再次覆盖整个预设平面，完成第二次扫描(参见图4)；
S4、激光加工完成后，第一次扫描路径与第二次扫描路径的多个交点处形成多个平面爆点(参见图8)，以此制备得到结构松散的改质层10(参见图9)；
S5、使用功率100kW，光斑120mm的短弧氙灯8照射改质层10达到1h；
S6、用环氧树脂将一块基板11粘贴在碳化硅晶锭9的表面，拉动基板11使晶圆从晶锭剥离，得到剥离的晶圆，其中晶圆的剥离面如图10所示。
参见图8-图10，综上所述，当两次激光扫描间距相同且为50μm时，两道扫描重叠的地方形成了爆点，以爆点为中心周围裂纹扩展搭接延伸，形成了较为脆弱的改质层10，有利于后续剥离工作的进行。所需晶圆通过上述方法测得所需剥离拉应力为6.67MPa,且测得晶圆剥离后的未研磨剥离面的粗糙度为6.7μm。因此所需拉应力及粗糙度的数值均很低，可形成良好的剥离效果。
实施例3：
本实施例与实施例2相似，保持相同的激光参数及所需剥离晶圆的大小，只改变扫描线间距为30μm，具体进行激光剥离碳化硅晶锭的过程如下：
S1、将一块碳化硅晶锭9固定放置于移动工作平台7上，超快激光器1发出激光束，控制移动工作平台7往Z方向移动，以使晶锭高度位置改变，使激光束的焦点位于碳化硅晶锭9内部300μm深度的预设平面；
S2、启动超快激光器1，令激光束以线扫描的方式，按图3所示的第一扫描方向和30um的扫描线间距对预设平面进行扫描加工，控制移动工作平台的轨迹，实现碳化硅晶锭9在X/Y/Z三个维度方向上的移动，以使激光的扫描路径覆盖整个预设平面，完成第一次扫描；
S3、改变激光束的扫描方向，令激光束按图4所示的第二扫描方向对预设平面再次进行扫描加工，同样通过控制移动工作平台7实现碳化硅晶锭9的移动，以使激光的扫描路径再次覆盖整个预设平面，完成第二次扫描；
S4、激光加工完成后，第一次扫描路径与第二次扫描路径的多个交点处形成多个平面爆点(参见图11)，以此制备得到结构松散的改质层10(参见图12)；
S5、使用功率100kW，光斑120mm的短弧氙灯8照射改质层10达到1h；
S6、用环氧树脂将一块基板11粘贴在碳化硅晶锭9的表面，拉动基板11使晶圆从晶锭剥离，得到剥离的晶圆，其中晶圆的剥离面如图13所示。
参见图11-图13，综上所述，当两次激光扫描间距相同且为30μm时，两道扫描重叠的地方形成的爆点相对50μm有所增加，交叉扫描形成的爆点相对密集，裂纹扩展效应较强，形成的改质层10更脆弱且明显变窄，有利于后续晶圆的剥离与粗糙度的降低。所需晶圆通过上述方法测得所需剥离拉应力为4.93MPa,且测得晶圆剥离后的未研磨剥离面的粗糙度为3.8μm。本实施例比实施例2中的50μm间距所需拉应力及粗糙度的数值均减少，使剥离效果更加好。
实施例4:
本实施例与实施例2相似，保持相同的激光参数及所需剥离晶圆的大小，只改变扫描线间距为10μm，具体进行激光剥离碳化硅晶锭的过程如下：
S1、将一块碳化硅晶锭9固定放置于移动工作平台7上，超快激光器1发出激光束，控制移动工作平台7往Z方向移动，以使晶锭高度位置改变，使激光束的焦点位于碳化硅晶锭9内部300μm深度的预设平面；
S2、启动超快激光器1，令激光束以线扫描的方式，按图3所示的第一扫描方向和10um的扫描线间距对预设平面进行扫描加工，控制移动工作平台7的轨迹，实现碳化硅晶锭9在X/Y/Z三个维度方向上的移动，以使激光的扫描路径覆盖整个预设平面，完成第一次扫描；
S3、改变激光束的扫描方向，令激光束按图4所示的第二扫描方向对预设平面再次进行扫描加工，同样通过控制移动工作平台7实现碳化硅晶锭9的移动，以使激光的扫描路径再次覆盖整个预设平面，完成第二次扫描；
S4、激光加工完成后，第一次扫描路径与第二次扫描路径的多个交点处形成多个平面爆点(参见图14)，以此制备得到结构松散的改质层10(参见图15)；
S5、使用功率100kW，光斑120mm的短弧氙灯8照射改质层达到1h；
S6、用环氧树脂将一块基板11粘贴在碳化硅晶锭9的表面，拉动基板11使晶圆从晶锭剥离，得到剥离的晶圆，其中晶圆的剥离面如图16所示。
参见图14-图16，综上所述，当两次激光扫描间距相同且为10μm时，激光扫描的线宽和扫描间距重叠，交叉扫描形成的爆点十分密集，碳化硅晶锭9内部的晶体结构被破坏导致裂纹扩展效应进一步增强，此时形成的改质层10非常脆弱，有利于后续晶圆的剥离与粗糙度的降低。所需晶圆通过上述方法测得所需剥离拉应力为4.392MPa,且测得晶圆剥离后的未研磨剥离面的粗糙度为1.678μm。本实施例比实施例3中的30μm间距所需拉应力及粗糙度的数值均减少，使剥离效果非常好。
实施例5：
本实施例与实施例2相似，保持相同的激光参数及所需剥离晶圆的大小，只改变扫描线间距为60μm，具体进行激光剥离碳化硅晶锭的过程如下：
S1、将一块碳化硅晶锭9固定放置于移动工作平台7上，超快激光器1发出激光束，控制移动工作平台7往Z方向移动，以使晶锭高度位置改变，使激光束的焦点位于碳化硅晶锭9内部300μm深度的预设平面；
S2、启动超快激光器1，令激光束以线扫描的方式，按图3所示的第一扫描方向和60um的扫描线间距对预设平面进行扫描加工，控制移动工作平台7的轨迹，实现碳化硅晶锭9在X/Y/Z三个维度方向上的移动，以使激光的扫描路径覆盖整个预设平面，完成第一次扫描；
S3、改变激光束的扫描方向，令激光束按图4所示的第二扫描方向对预设平面再次进行扫描加工，同样通过控制移动工作平台7实现碳化硅晶锭9的移动，以使激光的扫描路径再次覆盖整个预设平面，完成第二次扫描；
S4、激光加工完成后，第一次扫描路径与第二次扫描路径的多个交点处形成多个平面爆点(参见图17)，以此制备得到结构松散的改质层10(参见图18)；
S5、使用功率100kW，光斑120mm的短弧氙灯8照射改质层10达到1h；
S6、用环氧树脂将一块基板11粘贴在碳化硅晶锭9的表面，拉动基板11使晶圆从晶锭剥离，得到剥离的晶圆。
参见图17和图18，综上所述，当两次激光扫描间距相同且为60μm时，即大于50μm时，激光扫描的扫描间距过大，形成的爆点较为松散，可以观测到改质层10内部产生的裂纹较少，改质线间的裂纹不能有效扩展形成连接，结构仍保持初始状态，对结构没有形成破坏，没有为剥离提供有利条件，从而导致剥离成功率的降低。所需晶圆通过上述方法测得所需剥离拉应力为9.172MPa,且测得晶圆剥离后的未研磨剥离面的粗糙度为9.178μm。本实施例的数值明显比实施例2中的50μm间距所需拉应力及粗糙度的数值均增加许多，此外改质层的高度也有所增大，会造成剥离成功率低，且形成不平整的剥离面，需要经过后期一定的研磨打平，耗材较多，生产成本较高。
实施例6：
本实施例与实施例2相似，保持相同的激光参数及所需剥离晶圆的大小，只改变扫描线间距为8μm，具体进行激光剥离碳化硅晶锭的过程如下：
S1、将一块碳化硅晶锭9固定放置于移动工作平台7上，超快激光器1发出激光束，控制移动工作平台7往Z方向移动，以使晶锭高度位置改变，使激光束的焦点位于碳化硅晶锭9内部300μm深度的预设平面；
S2、启动超快激光器1，令激光束以线扫描的方式，按图3所示的第一扫描方向和8um的扫描线间距对预设平面进行扫描加工，控制移动工作平台7的轨迹，实现碳化硅晶锭9在X/Y/Z三个维度方向上的移动，以使激光的扫描路径覆盖整个预设平面，完成第一次扫描；
S3、改变激光束的扫描方向，令激光束按图4所示的第二扫描方向对预设平面再次进行扫描加工，同样通过控制移动工作平台7实现碳化硅晶锭9的移动，以使激光的扫描路径再次覆盖整个预设平面，完成第二次扫描；
S4、激光加工完成后，第一次扫描路径与第二次扫描路径的多个交点处形成多个平面爆点(参见图19)，以此制备得到结构松散的改质层10(参见图20)；
S5、使用功率100kW，光斑120mm的短弧氙灯8照射改质层10达到1h；
S6、用环氧树脂将一块基板11粘贴在碳化硅晶锭9的表面，拉动基板11使晶圆从晶锭剥离，得到剥离的晶圆，其中晶圆的剥离面如图21所示。
参见图19-图21，综上所述，当两次激光扫描间距相同且为8μm时，即小于10μm时，扫描间距已经小于激光烧蚀的线宽，激光烧蚀区域发生了重叠，这种情况下虽然爆点也十分密集，但过小的间距导致了材料内部的严重烧蚀，裂纹区域的材料已经发生断裂，且由于间距过小，相邻的裂纹容易发生错位搭接，这些都对后续的剥离工作十分不利。所需晶圆通过上述方法测得所需剥离拉应力为4.524MPa,且测得晶圆剥离后的未研磨剥离面的粗糙度为2.594μm。相比实施例4中的10μm间距所需拉应力及粗糙度的数值均有所增，因此过低的扫描线间距也不一定会提高剥离效果。
综上，本发明设计了10-50um的线间距范围是合理的，在该范围内，得到较为理想的剥离拉应力和剥离粗糙度，可得到较好的剥离效果。
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光剥离碳化硅晶锭的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将激光束的焦点对准碳化硅晶锭(9)内部的预设深度处的预设平面；
S2、令激光束以线扫描的方式，按提前设定的第一扫描方向和10-50um的扫描线间距对预设平面进行扫描加工，以使扫描路径覆盖整个预设平面，完成第一次扫描；
S3、只改变激光束的扫描方向，令激光束按与第一扫描方向垂直的第二扫描方向对预设平面再次进行扫描加工，以使扫描路径再次覆盖整个预设平面，完成第二次扫描；
S4、激光加工完成后，第一次扫描路径与第二次扫描路径的多个交点处形成多个平面爆点，以此制备得到结构松散的改质层(10)；
S5、使用氙灯(8)作为热源，对改质层(10)进行辐照加热1-2h；
S6、加热完成后，在碳化硅晶锭(9)的顶部和底部两端施加方向相反、垂直于碳化硅晶锭(9)端面的拉力将晶圆从碳化硅晶锭(9)剥离。
2.根据权利要求1所述的一种激光剥离碳化硅晶锭的方法，其特征在于，所述的预设深度指的是预设平面相对碳化硅晶锭(9)顶面的距离。
3.根据权利要求2所述的一种激光剥离碳化硅晶锭的方法，其特征在于，所述的预设深度超出所剥离得到的晶圆厚度至少100um。
4.根据权利要求1所述的一种激光剥离碳化硅晶锭的方法，其特征在于，所述的第一扫描方向相对预设平面的扫描角度范围为0-360度。
5.根据权利要求1所述的一种激光剥离碳化硅晶锭的方法，其特征在于，所述的激光束光斑采用高斯光斑、方形平顶光斑、圆形平顶光斑、椭圆平顶光斑、菱形平顶光斑中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种激光剥离碳化硅晶锭的方法，其特征在于，所述的激光束的波长为150nm-1030nm、脉宽为1-15ps、重复频率为1-10KHz。
7.根据权利要求1所述的一种激光剥离碳化硅晶锭的方法，其特征在于，所述氙灯(8)为筒状短弧氙灯，内部装有滤光片，输出光的波长范围为400-600nm，光斑大小为70-150mm，功率大于10kW。
8.一种激光剥离碳化硅晶锭的装置，用于进行如权利要求1-7任一所述的激光剥离碳化硅晶锭的方法，其特征在于，包括超快激光器(1)、衰减器(2)、光阑(3)、扩束镜(4)、物镜(5)、CCD照相机(6)、移动工作平台(7)和氙灯(8)；
将碳化硅晶锭(9)固定放置在所述移动工作平台(7)上，所述超快激光器(1)输出高斯激光束，经衰减器(2)、光阑(3)、扩束镜(4)的传输后进入到物镜(5)，由物镜(5)对激光束进行聚焦到碳化硅晶锭(9)内部的预设深度处的预设平面，同时CCD照相机(6)用于对焦点的位置进行调节校正；
聚焦完毕后，移动工作平台(7)带动碳化硅晶锭(9)在X/Y/Z三个维度方向上进行移动，以使激光束能够完成对碳化硅晶锭(9)的预设平面上的扫描加工；
扫描加工完成后，将外置的氙灯(8)移动到碳化硅晶锭(9)的正上方，以使氙灯(8)对扫描加工形成的改质层(10)进行辐照加热；
加热后，将一块基板(11)粘贴在碳化硅晶锭(9)的顶面，拉动基板(11)以使晶圆从碳化硅晶锭(9)剥离。
9.根据权利要求8所述的一种激光剥离碳化硅晶锭的装置，其特征在于，用环氧树脂将基板(11)粘贴在碳化硅晶锭(9)的顶面。
10.根据权利要求8所述的一种激光剥离碳化硅晶锭的装置，其特征在于，设有机械抓手，通过机械抓手将基板(11)粘贴在碳化硅晶锭(9)的顶面，并通过机械抓手拉动基板(11)以使晶圆从碳化硅晶锭(9)剥离。
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| CN202211304559.4A CN115592255A (zh) | 2022-10-24 | 2022-10-24 | 一种激光剥离碳化硅晶锭的方法及装置 |
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2022
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