CN115592257B - 一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于晶体的加工领域，具体为一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，包括储存玻璃板的储存盒、搬运机械手、承载搬运机械手行走的X轴滑轨、施加剥离力的剥离电缸、提供压紧力的压紧电缸、真空陶瓷吸盘、承载压紧电缸的X轴滑台、顶升装置、UV照射源、加热源、玻璃板回收盒、龙门架和基台；顶升装置包括电缸转接件、顶升杆、支撑柱、剥离盒、晶体托盘、气缸。本发明涉及的激光垂直改质机械剥离技术是一种先进晶体加工技术，与产业中普遍采用的多线切割技术相比，激光垂直改质机械剥离技术可提升晶体加工效率、减少材料损耗，从而显著降低如硅、碳化硅、氮化镓或蓝宝石等衬底的生产成本、提高成品晶圆产量。

Description

一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置
技术领域
本发明属于晶体的加工领域，具体为一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，是一种用机械剥离技术从激光改质后的晶体上剥离多个微米级晶片的机械剥离装置。
背景技术
在许多技术领域中(例如MEMS、集成电路)，如硅、碳化硅、氮化镓、蓝宝石以及透明材料等的晶片通常需要为50～300μm的薄晶片，以改善芯片散热效果。按目前现有技术，通过线锯切割从晶棒中制造这种晶片，其中会产生相对很大的材料损耗( “kerf-loss(切割损失)” )。因为所使用的初始材料通常是非常昂贵的，所以极为渴求以小的材料耗费并更高效且成本更低地制造这种晶片。
发明内容
为了以小的材料耗费并高效且成本更低地制造晶片，本发明提供一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，能够将硅、碳化硅、氮化镓或蓝宝石等晶体剥离成微米级的晶片。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，包括储存玻璃板的储存盒、搬运机械手、X轴滑轨、剥离电缸、压紧电缸、真空陶瓷吸盘、X轴滑台、顶升装置、UV照射源、加热源、玻璃板回收盒、龙门架和基台；顶升装置包括电缸转接件、顶升杆、支撑柱、晶体托盘和气缸；
储存盒、龙门架、顶升装置、UV照射源、加热源和玻璃板回收盒在基台的台面上固定，X轴滑轨固定在基台的支腿上，搬运机械手固定在X轴滑轨上，承载搬运机械手的X轴滑轨使搬运机械手能够在各个工位之间行走搬运不同的物品，X轴滑台固定在龙门架上，压紧电缸固定在X轴滑台上，可沿着X轴滑台在各个工位之间行走施加不同的功能，压紧电缸的电缸杆上固定真空陶瓷吸盘，剥离电缸固定在基台的支腿上，
顶升装置通过支撑柱固定在基台的台面上，支撑柱上方设置有剥离盒，剥离盒的前侧和后侧开口，剥离盒的顶部开有缺口，气缸是固定在剥离盒内底部，剥离盒的下方设置有顶升杆平板，顶升杆平板上均匀布置有顶升杆，电缸转接件是固定在顶升杆平板的底面，剥离电缸的电缸杆穿过基台的台面后连接电缸转接件。
上述的一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，该剥离装置的剥离过程包括以下步骤：
将晶体进行激光垂直改质，将激光垂直改质过的晶体表面进行等离子活化，将等离子活化过的晶体底部粘接晶体托盘后通过传输带传送到剥离工位；
剥离工位的搬运机械手将等离子活化过的晶体取放到剥离工位的顶升装置的剥离盒内的气缸上，此时晶体底部的晶体托盘支撑在气缸上；
剥离工位的搬运机械手从储存玻璃板的储存盒中取一片带有粘结剂的玻璃板，将玻璃板有粘结剂的一面与晶体改质层表面粘贴在一起，玻璃板是在剥离盒的外部；
提供压紧力的压紧电缸下方真空陶瓷吸盘既可以提供吸附力又可以提供压紧力，压紧电缸带有真空陶瓷吸盘先通过位移控制下降到玻璃板上，接触后通过压力控制对玻璃板施加500-1000N的压紧力，使玻璃板通过粘结剂与晶体表面紧紧贴合；提供压紧力的压紧电缸卸载压紧力，并带着真空陶瓷吸盘上移与玻璃板脱开；
施加剥离力的剥离电缸通过电缸转接件将剥离力传递到顶升杆平板上均布的顶升杆上，顶升杆与玻璃板接触并将剥离力传递到玻璃板上，晶体托盘此时卡在剥离盒顶部缺口处，玻璃板通过粘结剂将晶片从改质后的晶体上剥离下来；
剥离工位的搬运机械手将剥离后的晶体取放到传输带上，传送到下一个工位；
提供压紧力的压紧电缸通过真空陶瓷吸盘吸附粘有晶片的玻璃板，通过X轴滑台将粘有晶片的玻璃板传送到UV照射源上方，开启UV照射源，通过UV照射降低玻璃板上粘结剂的粘结强度，此时晶片与玻璃板还未脱开；
提供压紧力的压紧电缸通过真空陶瓷吸盘吸附粘有晶片的玻璃板，通过X轴滑台将粘有晶片的玻璃板传送到加热源上，通过加热使胶溶解或碳化，使晶片与玻璃板完全脱开；
搬运机械手通过X轴滑轨移动到加热源，通过搬运机械手的手指将玻璃板取放到玻璃板回收盒中，将晶片取放到传输带上，通过传输带传送到下一个工位，完成一个晶片剥离流程。
本发明通过纳米或皮秒或飞秒激光器、光学系统在晶体内部极窄的深度范围内实现双光子共振吸收，从而令硅、碳化硅、氮化镓或蓝宝石等晶体材料发生热致开裂、化学键断裂与分解、激光诱导电离等一系列物理化学过程，形成垂直于激光入射方向的改质层，最终实现晶体的切割或减薄。激光垂直改质的目的是在晶体的内部产生改质层，形成预设剥离面。改质层在预设的剥离面沿裂缝方向延伸，通过超声波使预设剥离面裂缝继续延伸，使改质层的裂缝扩展至整个剥离面，使晶片剥离成为可能。激光垂直改质过的晶体表面进行等离子活化，等离子活化的目的增加表面亲水性，增加聚合物粘结性，等离子使用射频频率。
上述的一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，气缸在支撑晶体后，气缸施加动作使气缸杆伸出将底部粘有晶体托盘的晶体顶起，便于放置一面覆有粘结剂的玻璃板。
上述的一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，玻璃板采用的是钢化玻璃板，厚度10mm～40mm。
上述的一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，粘结剂是双固化型的丙烯酸酯体系，表面涂布到玻璃板上并老化成粘结剂膜，粘结剂膜厚几十微米。
上述的一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，储存玻璃板的储存盒采用铝质材料，储存盒有多层隔板，每层隔板上存放一个玻璃板，可同时存放6个玻璃板。
上述的一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，机械手为四轴或六轴机器人，目的是搬运传送晶体、玻璃板、晶片。
一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的全自动装置，特别涉及的一种激光垂直改质机械剥离技术是一种先进晶体加工技术。与产业中普遍采用的多线切割技术相比，激光垂直改质机械剥离技术可提升晶体加工效率、减少材料损耗，从而显著降低如硅、碳化硅、氮化镓或蓝宝石等衬底的生产成本、提高成品晶圆产量。
附图说明
图1是本发明的总体示意图。
图2是本发明的剥离方式示意图。
图3是本发明的顶升装置示意图。
图中：1- X轴滑轨，2-搬运机械手，3-剥离电缸，4-玻璃板，5-储存盒，6- X轴滑台，7-气缸 ，8-真空陶瓷吸盘，9-压紧电缸，10-晶体，11-晶体托盘，12-电缸转接件，13-支撑柱，14-剥离盒，15-顶升杆，16-UV照射源，17-加热源，18-玻璃板回收盒，19-基台，20-龙门架，21-晶片，22-改质层，23-顶升装置，24-顶升杆平板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
如图1所示，一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，包括储存玻璃板4的储存盒5、搬运机械手2、承载搬运机械手行走的X轴滑轨1、施加剥离力的剥离电缸3、提供压紧力的压紧电缸9、真空陶瓷吸盘8、承载压紧电缸9的X轴滑台6、顶升装置23、UV照射源16、加热源17、玻璃板回收盒18、龙门架20和基台19；顶升装置23包括电缸转接件12、顶升杆15、支撑柱13、剥离盒14、晶体托盘11、气缸7。
储存盒5、龙门架20、顶升装置23 、UV照射源16、加热源17、和玻璃板回收盒18在基台19的台面上固定，基台19提供装置所需的基准承载平台，UV照射源16提供UV照射光源，玻璃板4与晶片21之间的粘结剂经过UV照射，粘结强度降低，易于除胶；加热源17提供一定的热量用于除去玻璃板4和晶片21上的粘结剂，使粘结剂溶解或碳化，晶片21与玻璃板4彻底分离，玻璃板回收盒18用于存放使用过的玻璃板4；X轴滑轨1固定在基台19的支腿上，搬运机械手2固定在X轴滑轨1上，X轴滑台6固定在龙门架20上，压紧电缸9固定在X轴滑台6上，压紧电缸9的电缸杆上固定真空陶瓷吸盘8，剥离电缸3底面固定在基台19的支腿上，剥离电缸3可产生25000N的推力。
顶升装置23通过两个支撑柱13固定在基台19的台面上，支撑柱13上方设置有剥离盒14，剥离盒14的前侧和后侧开口，剥离盒14的顶部开有缺口，2个气缸7是固定在剥离盒14内底部，2个气缸7用于托起晶体方便粘结玻璃板4，剥离盒14的下方设置有顶升杆平板24，顶升杆平板24上设置有四个顶升杆15，顶升杆15通过剥离电缸3提供顶升力使改质层发生变化，结合力逐渐减小，直至将晶片21从晶体上剥离下来；电缸转接件12是固定在顶升杆平板24的底面，剥离电缸3的电缸杆穿过基台19的台面后连接电缸转接件12。
通过搬运机械手2将传输带传送过来的底部粘有晶体托盘11的晶体10取放到顶升装置23中的两个气缸7上托住。气缸7施加动作使气缸杆伸出将底部粘有晶体托盘11的晶体10顶起，便于放置一面覆有粘结剂的玻璃板4。晶体托盘11用于承载晶体10，晶体10与晶体托盘11之间采用具有一定粘结强度的粘结剂粘贴固定。
通过搬运机械手2将储存盒5中的玻璃板4取放粘贴到晶体10上表面上，气缸7中的气缸杆收回原位。
压紧电缸9端头安装有真空陶瓷吸盘8，压紧电缸9动作带动真空陶瓷吸盘8下移并与玻璃板4接触，压紧电缸9施加压紧力将压紧力传递到玻璃板4上，压紧力保持一段时间，通过粘结剂将玻璃板4与晶体10粘结牢固。
压紧力电缸9动作将压紧力卸载，带动真空陶瓷吸盘8上移并与玻璃板4分开。
施加剥离力的剥离电缸3动作通过电缸转接件12将剥离力传递到4个顶升杆15上，4个顶升杆15上移与玻璃板4的底面接触并将剥离力传递到玻璃板4上，晶体托盘11此时卡在剥离盒顶部缺口处，玻璃板4通过粘结剂对改质后的晶体10施加剥离力，剥离力使晶体10的改质层22发生变化，改质层22的结合力随着剥离力的增加逐渐降低直至消失，玻璃板4通过粘结剂将晶片21从晶体10上剥离下来。
压紧电缸9动作带动真空陶瓷吸盘8下移吸附玻璃板4，通过承载压紧电缸的X轴滑台6将粘有晶片21的玻璃板4传送到UV照射源16的上方。
UV照射源16开启UV光源，对粘有晶片21的玻璃板4进行照射30s，降低玻璃板4与晶片21中间粘结剂的粘结强度，便于玻璃板4与晶片21分开。
通过承载压紧力电缸的X轴滑台6将粘有晶片21的玻璃板4传送到加热源17的上方，加热源提供300℃的温度，真空陶瓷吸盘8卸载真空吸附力，将粘有晶片21的玻璃板4放到加热源上加热，保持一段时间，待粘结剂溶解或碳化后，玻璃板4与晶片21分开。
真空陶瓷吸盘8吸附玻璃板4，通过承载压紧力电缸的X轴滑台6将玻璃板4传送到玻璃板回收盒18。承载压紧力电缸的X轴滑台6将压紧电缸9传送到原位。
搬运机械手2通过承载搬运机械手行走的X轴滑轨1将搬运机械手2传送到加热源17位置，通过手指将晶片21取放到传输带上，进行下一个工序处理。

Claims (6)

1.一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，其特征在于：包括储存玻璃板（4）的储存盒（5）、搬运机械手（2）、X轴滑轨（1）、剥离电缸（3）、压紧电缸（9）、真空陶瓷吸盘（8）、X轴滑台（6）、顶升装置（23）、UV照射源（16）、加热源（17）、玻璃板回收盒（18）、龙门架（20）和基台（19）；顶升装置（23）包括电缸转接件（12）、顶升杆（15）、支撑柱（13）、剥离盒（14）、晶体托盘（11）和气缸（7）；
储存盒（5）、龙门架（20）、顶升装置（23）、UV照射源（16）、加热源（17）和玻璃板回收盒（18）在基台（19）的台面上固定，X轴滑轨（1）固定在基台（19）的支腿上，搬运机械手（2）固定在X轴滑轨（1）上，X轴滑台（6）固定在龙门架（20）上，压紧电缸（9）固定在X轴滑台（6）上，压紧电缸（9）的电缸杆上固定真空陶瓷吸盘（8），剥离电缸（3）固定在基台（19）的支腿上，顶升装置（23）通过支撑柱（13）固定在基台（19）的台面上，支撑柱（13）上方设置有剥离盒（14），剥离盒（14）的前侧和后侧开口，剥离盒的顶部开有缺口，气缸（7）是固定在剥离盒（14）内底部，剥离盒（14）的下方设置有顶升杆平板（24），顶升杆平板（24）上均匀布置有顶升杆（15），电缸转接件（12）是固定在顶升杆平板（24）的底面，剥离电缸（3）的电缸杆穿过基台（19）的台面后连接电缸转接件（12），
该剥离装置的剥离过程包括以下步骤：
将晶体（10）进行激光垂直改质，将激光垂直改质过的晶体（10）表面进行等离子活化，将等离子活化过的晶体（10）底部粘接晶体托盘（11）后通过传输带传送到剥离工位；
剥离工位的搬运机械手（2）将等离子活化过的晶体（10）取放到剥离工位的顶升装置（23）的剥离盒内的气缸（7）上，此时晶体（10）底部的晶体托盘（11）支撑在气缸（7）上；
剥离工位的搬运机械手（2）从储存玻璃板的储存盒（5）中取一片带有粘结剂的玻璃板（4），将玻璃板（4）有粘结剂的一面与晶体改质层表面粘贴在一起，此时玻璃板（4）是在剥离盒的外部；
提供压紧力的压紧电缸（9）下方真空陶瓷吸盘（8）既可以提供吸附力又可以提供压紧力，压紧电缸（9）带有真空陶瓷吸盘先通过位移控制下降到玻璃板（4）上，接触后通过压力控制对玻璃板（4）施加500-1000N的压紧力，使玻璃板（4）通过粘结剂与晶体表面紧紧贴合；
提供压紧力的压紧电缸（9）卸载压紧力，并带着真空陶瓷吸盘上移与玻璃板脱开；
施加剥离力的剥离电缸（3）通过电缸转接件（12）将剥离力传递到顶升杆平板（24）上均布的顶升杆（15）上，顶升杆（15）与玻璃板（4）接触并将剥离力传递到玻璃板（4）上，晶体托盘（11）此时卡在剥离盒顶部缺口处，玻璃板（4）通过粘结剂将晶片（21）从改质后的晶体上剥离下来；
剥离工位的搬运机械手（2）将剥离后的晶体取放到传输带上，传送到下一个工位；
提供压紧力的压紧电缸（9）通过真空陶瓷吸盘（8）吸附粘有晶片（21）的玻璃板（4），通过X轴滑台（6）将粘有晶片（21）的玻璃板（4）传送到UV照射源（16）上方，开启UV照射源（16），通过UV照射降低玻璃板（4）上粘结剂的粘结强度；
提供压紧力的压紧电缸（9）通过真空陶瓷吸盘（8）吸附粘有晶片（21）的玻璃板（4），通过X轴滑台（6）将粘有晶片（21）的玻璃板（4）传送到加热源（17）上，通过加热使粘结剂溶解或碳化，使晶片（21）与玻璃板（4）完全脱开；
搬运机械手（2）通过X轴滑轨（1）移动到加热源（17），通过搬运机械手的手指将玻璃板（4）取放到玻璃板回收盒（18）中，将晶片（21）取放到传输带上，通过传输带传送到下一个工位，完成一个晶片（21）剥离流程。
2.根据权利要求1所述的一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，其特征在于：气缸（7）在支撑晶体（10）后，气缸（7）施加动作使气缸杆伸出将底部粘有晶体托盘（11）的晶体（10）顶起，便于放置一面覆有粘结剂的玻璃板（4）。
3.根据权利要求1或2所述的一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，其特征在于：粘结剂是双固化型的丙烯酸酯体系，表面涂布到玻璃板（4）上并老化成粘结剂膜。
4.根据权利要求1或2所述的一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，其特征在于：玻璃板（4）采用的是钢化玻璃板，厚度10mm～40mm。
5.根据权利要求1或2所述的一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，其特征在于：储存玻璃板的储存盒（5）采用铝质材料，储存盒（5）有多层隔板，每层隔板上存放一个玻璃板（4）。
6.根据权利要求1或2所述的一种从激光改质后的晶体上剥离晶片的机械剥离装置，其特征在于：搬运机械手（2）为四轴或六轴机器人。
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