CN116197540A - 一种激光剥离碳化硅片减薄工艺以及碳化硅减薄片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光剥离碳化硅片减薄工艺以及碳化硅减薄片，包括对单个剥离片的单面的至少一部分进行减薄和/或对该单个剥离片的另一单面的至少一部分进行减薄，从而得到减薄片；所述减薄包括粗磨处理和精磨处理，所述细磨处理的粗糙度小于所述粗磨处理的粗糙度。本发明提供的一种激光剥离碳化硅片减薄工艺，能够大幅度提升厚度均匀性，提高减薄片的平整度，降低了SFQR指标，提高碳化硅减薄片的品质。

Description

一种激光剥离碳化硅片减薄工艺以及碳化硅减薄片

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种激光剥离碳化硅片减薄工艺以及碳化硅减薄片。

背景技术

随着产业的发展，对于元器件的性能要求越来越高，逐步逼近硅材料的物理极限。碳化硅衬底由于其优异的物理特性，相比于硅材料，在高压、高频、高温等领域有着无可比拟的优势。目前广泛应用于电力电子，微波射频器件及高端照明等领域。碳化硅晶体莫氏硬度为9.2，仅次于金刚石，物理化学性质及其稳定，是典型的硬脆材料，超精密加工一直是业界面临的难题。

现有技术传统的加工方式是采用端面研磨机，通过抛光盘、游离磨料、晶片之间的相互摩擦作用，实现材料去除。通常在减薄碳化硅过程中会造成深浅不一的划痕。而深划痕将会增加碳化硅衬底后续加工中去除不掉部分划痕的可能，或增加更多的去除量才能去除所有的划痕。如果为了保证衬底表面划痕全部去除而增加后续工序的去除量，这样将会增加后续工序的耗材成本，也同时需要更厚的碳化硅衬底，同样增加了碳化硅衬底的损耗。同时，传统技术是采用多片的加工方式，在一个研磨盘面放置一批晶片进行批量加工，无法实现单片晶片的精确控制。而造成的碳化硅表面产生过深划痕从而造成晶片平整度值较大，影响后续生产加工工艺的进行。

发明专利CN109742017A“一种晶圆减薄工艺”公开了晶圆化学腐蚀减薄工艺通过将晶圆放置在化学腐蚀液内，通过控制腐蚀时间或者其它工艺参数实现对晶圆特定厚度的减薄；现有的化学腐蚀减薄工艺通过厚度测量装置对减薄前后的晶圆的厚度进行测量，而后与目标厚度进行对比，进而判断化学腐蚀后的晶圆的厚度是否符合要求。但是，现有化学腐蚀减薄工艺仅通过厚度测量反馈来控制晶圆的减薄精度，且目前厚度测量设备分辨率较低，对于较高要求的减薄精度，现有减薄工艺很难实现，难以保证晶圆的减薄精度。

机械减薄就是利用砂轮打磨硅圆片表面，通常由单个砂轮打磨完一面，硅圆片翻面后再加工另一面，这种减薄方式对于大尺寸硅圆片而言，单面加工时间较长，而且无法保证两面几何参数的一致性，不仅产能低而且产品表面质量不稳定，无法适应现有生产需求。如何设计一种减薄工艺，保证其平坦度几何参数合格且稳定在一定范围内、减薄质量好、降低破片率且提高生产效率是高质量、低成本加工大尺寸碳化硅晶片的关键。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种激光剥离碳化硅片减薄工艺以及碳化硅减薄片，解决了现有生产技术中减薄工艺设计不合理导致减薄后的硅圆片双面几何参数不一致、表面质量不稳定且生产效率低的技术问题。能够大幅度提升厚度均匀性，提高减薄片的平整度，降低了SFQR指标，提高碳化硅减薄片的品质。

本发明一方面提供了一种激光剥离碳化硅片减薄工艺，所述工艺由以下步骤构成：对单个剥离片的单面的至少一部分进行减薄和/或对该单个剥离片的另一单面的至少一部分进行减薄，从而得到减薄片；

所述减薄包括粗磨处理和精磨处理，所述精磨处理的粗糙度小于所述粗磨处理的粗糙度；

所述剥离片的厚度为100～1000μm，尺寸为8英寸，Bow≤60μm，Sori≤100μm，损伤层深度≤100μm且表面裂纹台阶高度最大值不超过损伤层深度的70％。

本发明另一方面提供了一种8英寸碳化硅减薄片，所述8英寸碳化硅减薄片的尺寸为8英寸，SFQR≤1.2μm，GBIR≤5μm，Bow≤10μm，Sori≤15μm，表面粗糙度≤10nm。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

1、本发明提供的激光剥离碳化硅片减薄工艺，本发明采用的是全单片的加工方式，可以根据剥离片的实际情况进行匹配设计，降低单片衬底内的应力，大幅度提升厚度均匀性；

2、本发明提供的激光剥离碳化硅片减薄工艺，可以提高减薄片的平整度，降低了SFQR指标；

3、本发明提供的激光剥离碳化硅片减薄工艺，可以降低碳化硅晶片的损耗和加工成本，为后续生产加工工艺奠定基础，提高成品率和成品质量。

附图说明

图1示出了本发明的激光剥离碳化硅片减薄工艺的一个示例性实施例的工艺流程示意图；

具体实施方式

为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、机构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、机构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

示例1

图1示出了本发明的激光剥离碳化硅片减薄工艺的一个示例性实施例的工艺流程示意图。在本发明的一个示例性实施例中，如图1所示，一种激光剥离碳化硅片减薄工艺包括以下步骤：

步骤一：粗磨处理

对厚度为100～1000μm，尺寸为8英寸Bow≤60μm，Sori≤100μm，损伤层深度≤100μm且表面裂纹台阶高度最大值不超过损伤层深度的70％的剥离片进行粗磨处理。进一步的，剥离片的Bow为30～57μm，Sori为50～97μm，损伤层深度为60～95μm且表面裂纹台阶高度最大值为损伤层深度的50～70％。

其中，可以对单个剥离片的任意一单面的至少一部分进行减薄，也可以对单个剥离片的两个单面的至少一部分别进行减薄，从而得到晶片。粗磨处理后碳化硅晶片的表面粗糙度达到低于30nm。

粗磨处理时设置的砂轮倾角为0°～0.5°，进刀速度为5～30μm/min，砂轮转速为1000～4000rpm，砂轮目数2000～5000目。进一步的，设置的砂轮倾角为0.1°～0.3°，进刀速度为10～20μm/min，砂轮转速为2000～2500rpm，砂轮目数3000～4000目。

步骤二：精磨处理

将上述经过粗磨处理的晶片进行精磨处理，可以对单个晶片的任意一单面的至少一部分进行减薄，也可以对单个晶片的两个单面的至少一部分别进行减薄，从而得到8英寸碳化硅减薄片。

其中，精磨处理时设置的砂轮倾角为-0.5°～0°，进刀速度3～20μm/min，砂轮转速1000～3000rpm，砂轮目数15000～40000目。进一步的，设置的砂轮倾角为-0.3°～-0.1°，进刀速度5～15μm/min，砂轮转速1500～2500rpm，砂轮目数20000～30000目。

得到的8英寸碳化硅减薄片的尺寸为8英寸，SFQR≤1.2μm，GBIR≤5μm，Bow≤10μm，Sori≤15μm，表面粗糙度≤10nm。进一步的，8英寸碳化硅减薄片的SFQR为0.7～1μm，GBIR为1.5～2.5μm，Bow为2～7μm，Sori为5～12μm，表面粗糙度为3～6nm。

在本发明中局部平整度SFQR(Site flatness front least-squares range)指的是局部平整度，代表单位平方面积内的厚度最大差值。Bow指的是弯曲度，代表晶片中心相对参考平面凹或凸的程度。Sori指的是基于最小二乘法前表面的翘曲度，代表衬底整体相对于中位面的偏差程度。GBIR(Global flatness back ideal range)指的是总厚度偏差，代表基准面与测量范围内各测量点的最大值与最小值的差。

示例2

步骤一：粗磨处理

对厚度为389μm，尺寸为8英寸，Bow为42.394μm，Sori为82.943μm，损伤层深度为80.2μm，表面裂纹台阶高度为48.125μm的剥离片的一个单面的至少一部分进行减薄，设置的砂轮倾角为0.1°，进刀速度为12μm/min，砂轮转速为2000rpm，砂轮目数4000目，得到晶片。

步骤二：精磨处理

将上述经过粗磨处理的晶片进行精磨处理，可以对单个晶片的一个单面的至少一部分进行减薄，设置的砂轮倾角为-0.1°，进刀速度8μm/min，砂轮转速1500rpm，砂轮目数30000目，得到8英寸碳化硅减薄片1#。

示例3

步骤一：粗磨处理

对厚度为155μm，尺寸为8英寸，Bow为35.637μm，Sori为55.163μm，损伤层深度为68.7μm，表面裂纹台阶高度为34.35μm的剥离片的两个单面的至少一部分分别进行减薄，设置的砂轮倾角为0.2°，进刀速度为15μm/min，砂轮转速为2200rpm，砂轮目数3500目，得到晶片。

步骤二：精磨处理

将上述经过粗磨处理的晶片进行精磨处理，可以对单个晶片的两个单面的至少一部分分别进行减薄，设置的砂轮倾角为-0.23°，进刀速度10μm/min，砂轮转速1700rpm，砂轮目数25000目，得到8英寸碳化硅减薄片2#。

示例4

步骤一：粗磨处理

对厚度为556μm，尺寸为8英寸，Bow为56.203μm，Sori为96.656μm，损伤层深度为94.892μm，表面裂纹台阶高度为66.424μm的剥离片的一个单面的至少一部分进行减薄，设置的砂轮倾角为0.3°，进刀速度为20μm/min，砂轮转速为2500rpm，砂轮目数3000目，得到晶片。

步骤二：精磨处理

将上述经过粗磨处理的晶片进行精磨处理，可以对单个晶片的一个单面的至少一部分进行减薄，精磨处理时设置的砂轮倾角为-0.31°，进刀速度14μm/min，砂轮转速2200rpm，砂轮目数20000目，得到8英寸碳化硅减薄片3#。

将上述示例2至示例4所得到的8英寸碳化硅减薄片1#～3#进行性能测试，测试结果如表1所示。

表1碳化硅减薄片性能测试表

如表1所示，采用本发明的激光剥离碳化硅片减薄工艺得到的8英寸碳化硅减薄片的尺寸为8英寸，SFQR为0.7～1μm，GBIR为1.5～2.5μm，Bow为2～7μm，Sori为5～12μm，表面粗糙度为3～6nm。降低了SFQR指标，提高了碳化硅减薄片品质。

本发明所针对的激光剥离碳化硅片(简称剥离片)，可通过激光致裂和振动剥离而得到，例如通过S01至S04的步骤得到，其中，

S01、检测碳化硅晶锭的(0001)晶面，得到晶面位置信息；

S02、计算所述晶面位置信息与第一平面之间的夹角值，判断所述夹角值是否满足预设夹角值的要求，其中，所述第一平面与第一激光束所在的第一方向始终保持垂直；

S03a、如满足，则启动第一激光束扫描碳化硅晶锭，以形成含有多个裂纹且沿所述第一平面延展的待剥离面；S03b、如不满足，则调节碳化硅晶锭的角度和/或第一方向的角度，并返回S02步骤，直至夹角值满足预设夹角值的要求；

S04、对所述待剥离面施加振动，以得到碳化硅剥离片。

S01至S04的步骤也可详细展开描述如下：

S01、检测碳化硅晶锭的(0001)晶面，得到晶面位置信息。

具体来讲，可以利用布拉格衍射的原理进行晶面检测，即碳化硅表面晶体由晶面族A、B、C组成面间距为d，当激光射线以掠射角α投射到碳化硅晶体时，晶面A上点阵的散射和晶面B、C上的点阵的散射相互干涉，对于同一层的激光散射线，当散线与晶面间的夹角等于掠射角时，在这个方向上射线产生相长干涉，对于同一层的散射线，当散射线与晶面间的夹角等于掠射角时，在这个方向上射线产生相长干涉。而对于不同层的散射线，当光程差为波长的整数倍时，各个面的散射线相互加强，形成极大的光强。利用这一原理，完成晶面检测，得到晶面信息。

S02、计算晶面位置信息与第一平面之间的夹角值，判断夹角值是否满足预设夹角值的要求，其中，第一平面与第一激光束所在的第一方向始终保持垂直。

具体来讲，第一平面为与第一激光束基本保持垂直的碳化硅晶锭所在的面。第一方向为第一激光束照射的方向。夹角值为碳化硅晶锭的(0001)晶面与碳化硅晶锭的第一平面的夹角。预设夹角值可以为在0～10°范围内选择的确定值，进一步地，预设夹角值可以为在0.5～3.5°或4.5～7°范围内选择的确定值。例如，也可以为0°或4°。所述预设夹角值的要求可以为等于预设夹角值，也可以为在预设夹角值的上下10％范围内，例如，4±0.1°。

S03a、如满足，则启动第一激光束扫描碳化硅晶锭，以形成含有多个裂纹且沿第一平面延展的待剥离面。

具体来讲，若碳化硅晶锭的(0001)晶面与碳化硅晶锭的第一平面的夹角在预设夹角值范围内，则启动第一激光束对碳化硅晶锭进行激光扫描，以形成含有多个裂纹且沿所述第一平面延展的待剥离面。第一激光束的平均输出功率可以为0.8～3.5W，波长可以为780～1100nm，扫描速度可以为300～700mm/s，扫描间距可以为0.1～0.5mm，扫描时间可以为10～40min，扫描次数可以为2～6次。

S03b、如不满足，则调节碳化硅晶锭的角度和/或第一方向的角度，并返回S02步骤，直至夹角值满足预设夹角值的要求，随后进行S03a步骤。

具体来讲，若碳化硅晶锭的(0001)晶面与碳化硅晶锭的第一平面的夹角不在预设夹角值范围内，则可以通过调节碳化硅晶锭的角度，即调节碳化硅的晶锭的(0001)面，或者可以通过调节第一激光束所在的第一方向。调节完后返回S02步骤中，计算夹角值，并判断是否满足预设夹角值。若满足，则进入S03a；若不满足，则继续调节夹角值，直至满足预设夹角值。

S04、对待剥离面施加振动，以得到碳化硅剥离片。

对S03a步骤中的待剥离面施加振动，以使待剥离面沿裂纹延伸或断开，得到剥离片。振动可以通过机械振动、超声方式等实现。例如，对于超声方式而言，超声的频率可以为100～150KHZ，超声时间可以为10～60s，发射模式可以为连续波或脉冲波。

采用上述加工方法得到的碳化硅剥离片的厚度可以为100～1000μm。尺寸为8英寸，Bow≤60μm，Sori≤100μm，损伤层深度≤100μm且表面裂纹台阶高度最大值不超过损伤层深度的70％。

此外，本发明所针对的激光剥离碳化硅片(简称剥离片)，还可在上述S01至S04步骤的基础上，将步骤S03设置为进一步包括：在所述夹角值满足预设夹角值的要求的情况下，启动第二激光束围绕碳化硅晶锭的圆周方向扫描该碳化硅晶锭，且确保第二激光束所在的第二方向始终处于所述第一平面内。

具体来讲，在S03a步骤，若夹角判定单元通过计算并判断夹角值满足预设夹角值的要求的情况下，可以启动第二激光束围绕碳化硅晶锭的圆周方向扫描该碳化硅晶锭，且确保第二激光束所在的第二方向始终处于第一平面内，即第二激光束可以完全照射到碳化硅晶锭的表面进行圆周方向的剥离。第一激光束的致裂方向垂直于激光入射方向，第二激光束的致裂方向是沿着激光入射方向，可以通过光斑整形对激光致裂方向进行调节。有利于碳化硅晶锭边缘圆周的剥离，还可以进一步优化损伤层深度和表面台阶裂纹的深度。第二激光头被设置为能够与第一激光头联动控制，两个激光头先后对碳化硅晶锭进行剥离，第一激光头产生第一激光束对碳化硅晶锭除圆周边缘以外的区域进行剥离，第二激光头产生第二激光束对碳化硅晶锭圆周边缘区域进行剥离，控制第一激光束的焦点和第二激光束的位置，确保二者在同一平面产生裂纹。设置第二激光束与只有第一激光束剥离的结果相比，可以优化至少10％的损伤层深度和表面台阶裂纹的深度。第二激光束的平均输出功率为设置的第一激光束平均输出功率参数的0.3～0.5倍，波长为780～1100nm，扫描速度为设置的第一激光束扫描速度参数的0.3～0.5倍，扫描间距为0.1～0.5mm，扫描时间为10～40min，扫描次数为2～6次。

采用上述加工方法得到的碳化硅剥离片的Bow可以为30～57μm，Sori可以为50～97μm，损伤层深度可以为60～95μm且表面裂纹台阶高度最大值可以为损伤层深度的50～70％。

本发明源于泰山产业领军人才工程专项经费的资助。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种激光剥离碳化硅片减薄工艺，其特征在于，所述减薄工艺包括以下步骤：

对单个剥离片的单面的至少一部分进行减薄和/或对该单个剥离片的另一单面的至少一部分进行减薄，从而得到减薄片；

所述减薄包括粗磨处理和精磨处理，所述精磨处理的粗糙度小于所述粗磨处理的粗糙度；

所述剥离片通过激光致裂和振动剥离而得到，进一步讲，所述剥离片的厚度为100～1000μm，尺寸为8英寸，Bow≤60μm，Sori≤100μm，损伤层深度≤100μm且表面裂纹台阶高度最大值不超过损伤层深度的70％。

2.根据权利要求1所述的激光剥离碳化硅片减薄工艺，其特征在于，所述剥离片的Bow为30～57μm，Sori为50～97μm，损伤层深度为60～95μm且表面裂纹台阶高度最大值为损伤层深度的50～70％。

3.根据权利要求1所述的激光剥离碳化硅片减薄工艺，其特征在于，所述粗磨处理时设置的砂轮倾角为0°～0.5°，进刀速度为5～30μm/min，砂轮转速为1000～4000rpm，砂轮目数2000～5000目。

4.根据权利要求3所述的激光剥离碳化硅片减薄工艺，其特征在于，所述粗磨处理时设置的砂轮倾角为0.1°～0.3°，进刀速度为10～20μm/min，砂轮转速为2000～2500rpm，砂轮目数3000～4000目。

5.根据权利要求6所述的激光剥离碳化硅片减薄工艺，其特征在于，所述粗磨处理后碳化硅晶片的表面粗糙度达到低于30nm。

6.根据权利要求5所述的激光剥离碳化硅片减薄工艺，其特征在于，所述精磨处理时设置的砂轮倾角为-0.5°～0°，进刀速度3～20μm/min，砂轮转速1000～3000rpm，砂轮目数15000～40000目。

7.根据权利要求6所述的激光剥离碳化硅片减薄工艺，其特征在于，所述精磨处理设置的砂轮倾角为-0.3°～-0.1°，进刀速度5～15μm/min，砂轮转速1500～2500rpm，砂轮目数20000～30000目。

8.一种8英寸碳化硅减薄片，其特征在于，所述碳化硅减薄片的尺寸为8英寸，SFQR≤1.2μm，GBIR≤5μm，Bow≤10μm，Sori≤15μm，表面粗糙度≤10nm。

9.根据权利要求8所述的8英寸碳化硅减薄片，其特征在于，所述碳化硅减薄片的SFQR为0.7～1μm，GBIR为1.5～2.5μm，Bow为2～7μm，Sori为5～12μm，表面粗糙度为3～6nm。

10.根据权利要求8或9所述的8英寸碳化硅减薄片，其特征在于，所述8英寸碳化硅减薄片采用如权利要求1～7中任意一项所述的激光剥离碳化硅片减薄工艺制得。

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