CN117283152A - 一种高效率激光切割碳化硅晶锭的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高效率激光切割碳化硅晶锭的方法及装置，涉及半导体材料激光加工技术和装备技术领域。包括将脉冲激光进行分束，第一束作为改质激光，第二束经过频率变换后作为加热激光；将改质激光与加热激光进行相位延迟和合术，实现改质激光与加热激光同轴同步加工SiC晶锭；改质激光聚焦在SiC晶锭内部进行改质加工，形成改质部与裂纹区；加热激光聚焦在SiC晶锭内部以加热的方式施加热应力，调控裂纹扩展；控制SiC晶锭与激光脉冲的相对移动，按设定路径进行扫描加工，形成改质层与裂纹连结层；以改质层和裂纹连结层为界面，将SiC晶锭的一部分剥离得到晶片。本发明实现了改质激光和加热激光与SiC晶锭的同时空作用，降低了加工耗时、晶圆剥离难度，提高了剥离质量。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料激光加工技术和装备技术领域，特别是一种高效率激光切割碳化硅晶锭的方法及装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
以碳化硅(SiC)为代表的新一代半导体材料禁带宽度大、耐高温、抗高压、抗辐射性能高、热导率和电子饱和速率高，特别适合制作高压、高温、高频、大功率及抗辐射器件，在射频通信、雷达、卫星、电源管理、汽车电子、工业电力电子等领域具有十分广阔的应用前景。
半导体晶圆衬底的切割技术主要包括传统机械切割以及激光切割两种。对于SiC材料，机械切割方法是将金刚石线缠绕成平行线据，以一定的速度切割特定晶向的SiC晶锭生成晶片。SiC的莫氏硬度为9.2～9.8，仅次于金刚石(莫氏硬度为10)，在切割时，切缝宽、切速慢，以6英寸SiC为例，切割一个晶锭需要110-120小时，总厚度变化(TTV)约100μm，材料损耗率达到40％-50％。同时锯切工艺参数、固结磨粒尺寸、工件进给运动、锯丝速度等都会影响线锯切割精度，导致晶片表面损伤严重，后续加工难度增大，良品率降低。
激光加工是一种非接触式加工，无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件的技术，具有加工效率高、易于实现自动化控制、适应性好、环境友好等优点，有望在SiC晶锭切片加工质量、精度和效率等方面带来突破。
激光加工SiC晶锭，目前报道的常见工艺(如发明专利CN115555736A，CN115555735A)是先使用脉宽较短的超快激光在SiC晶锭内部的某个深度聚焦逐点扫描，将SiC改质成无定形Si和C产生裂纹形成改质点、改质部，然后利用脉宽更宽的激光二次扫描，使SiC内部形成的裂纹生长扩展连结形成改质层，从而实现SiC晶锭的切片加工。相比于传统的多线机械切割方法，激光切割有着切缝更窄、浪费更少、非接触式切割等应用优势，但目前的工艺方法是先扫描形成改质层，后扫描加热改质层的先后二次加工方法，无法实现二次同步扫描，存在耗时长、效率低等缺点。
此外，在第二次扫描时，晶锭已经冷却，晶锭需要重新吸热升温达到一定阈值后裂纹才能生长、扩展，使脉冲激光的能量无法全部作用于裂纹的生长，这很大程度上影响了裂纹生长和扩展的效果，因此需要减小扫描线距以实现裂纹的连结，增加了晶锭的加工时间，降低了切割效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效率激光切割碳化硅晶锭的方法及装置，采用双波长激光同轴同步单次加工模式，实现了改质激光和加热激光与SiC晶锭的同时空作用，降低了加工耗时、晶圆剥离难度，提高了剥离质量，规避了二次加工模式中由于两次加工时间间隔过长、材料冷却而使加热激光能量利用率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明第一方面提供了一种高效率激光切割碳化硅晶锭的方法。
一种高效率激光切割碳化硅晶锭的方法，包括以下步骤：
将激光光源发出的脉冲激光进行分束，按照设定比例分成两束光，第一束作为改质激光，第二束经过频率变换后作为加热激光；
将改质激光与加热激光进行相位延迟和合术，实现改质激光与加热激光同轴同步加工SiC晶锭；其中，改质激光聚焦在SiC晶锭内部设定深度进行改质加工，最终在改质激光焦点附近形成改质部与裂纹区；加热激光聚焦在与改质激光相同的深度，在SiC晶锭内部以加热的方式施加热应力，调控裂纹扩展；
控制SiC晶锭与激光脉冲的相对移动，按设定路径进行扫描加工，在设定深度形成改质层与裂纹连结层；
以改质层和裂纹连结层为界面，将SiC晶锭的一部分剥离得到晶片。
优选的，所述改质激光的脉冲激光能量为达到SiC晶锭的损伤阈值，使SiC晶锭内部发生改质，改质激光的脉冲宽度为100fs～100ns，单脉冲能量为10～100μJ。
优选的，通过非线性晶体对第二束激光进行相位匹配，实现倍频得到加热激光，所述加热激光的波长为对单晶碳化硅吸收率较高的波长，加热激光的波长优选为532nm。
优选的，将改质激光与加热激光进行相位延迟和合术，实现改质激光与加热激光同轴同步加工SiC晶锭，具体为：
首先实现改质激光与加热激光的同步：
将改质激光经过多个反射镜反射，调节延迟线中反射镜的位置，改变改质激光的传输光程，最终实现与加热激光的同步加工；
之后实现改质激光与加热激光的同轴：
将与加热激光同步后的改质激光与加热激光一起，通过二向色镜进行合束，实现改质激光与加热激光的同轴加工。
优选的，所述设定深度为SiC晶锭上端面以下100～700μm。
优选的，所述改质层由多个所述改质部组成，所述裂纹连结层由各所述改质部附近的所述裂纹区交连形成。
优选的，控制SiC晶锭与激光脉冲的相对移动，实现所述扫描路径为几字形路径，几字形路径中Y轴相邻改质部间距为10～60μm，X轴相邻扫描间距为10～400μm。
优选的，通过施加外界拉力、扭力、超声振动的方式实现SiC晶圆的剥离。
本发明第二方面提供了一种高效率激光切割碳化硅晶锭的装置。
一种高效率激光切割碳化硅晶锭的装置，包括激光光源模块、分束模块、频率变换模块、同轴同步处理模块、运动模块，其中：
所述激光光源模块用于产生脉冲激光；
所述分束模块用于对脉冲激光进行分束，得到两束激光，其中第一束激光作为改质激光，第二束激光通入频率变换模块中；
所述频率变换模块用于通过非线性光学效应将第二束激光进行频率变换，得到加热激光；
所述同轴同步处理模块用于实现改质激光与加热激光的同步和同轴，得到合束激光，利用合束激光对SiC晶锭的同时空加工；
所述运动模块用于控制合束激光与SiC晶锭的相对运动，实现合束激光在设定深度按照设定路径完成对晶锭扫描加工。
优选的，所述同轴同步处理模块包括双光束同步处理系统和合束模块，所述双光束同步处理系统包括多个反光镜，其中，双光束同步处理系统用于调节延迟线中反射镜的位置，改变改质激光的传输光程，实现与加热激光的同步加工；所述合束模块用于将与加热激光同步后的改质激光与加热激光进行合束。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供了一种实现碳化硅晶锭高效率激光切割的方法及装置，采用双波长光束同轴同步单次加工，避免了传统二次激光加工带来的耗时长、效率低问题，实现了SiC内部裂纹产生与扩展同步进行，使得裂纹扩展的效果达到更佳，裂纹连结效果更好，裂纹良好的连结效果使得晶锭与晶片间的剥离难度降低，剥离后晶片表面的形貌更加均匀，剥离难度降低，剥离质量提高，同时可进一步增大激光扫描线距，提高加工效率。
2、本发明的激光加工晶锭生成晶片系统大致可分为四部分：激光光源系统、频率变换系统、同轴同步处理系统、运动控制系统。与传统的SiC晶锭激光剥离晶片装置相比，本发明仅使用一个激光光源，通过频率变换技术实现双波长脉冲的产生，极大降低了装置的成本。此外，该装置通过延迟线实现了双脉冲精确同步加工SiC晶锭，通过光束合束，实现了双波长脉冲的同轴聚焦加工，与传统前后二次加工装置相比，裂纹扩展连结效果更佳，剥离所需拉力更小，剥离得到的晶片形貌更加均匀，剥离质量更好，同时，扫描线距可设定的更大，加工时长得到进一步缩短，提高加工效率。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为改质激光和加热激光聚焦在SiC晶锭内部后改质、裂纹生长扩展情况示意图；
图2为激光“单向几字形”扫描加工路径示意图；
图3为激光“双向几字形”扫描加工路径示意图；
图4为双波长光束加工结果示意图；
图5为激光切割SiC晶锭装置图；
图6a为激光切片并剥离后的SiC样品剥离面上表面实物图；
图6b为激光切片并剥离后的SiC样品剥离面下表面实物图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
SiC晶锭100、设定位置101、SiC材料上端面102、改质部103、裂纹104、改质激光105、加热激光106、激光光源模块200、分束模块300、频率变换模块400、双光束同步处理系统500、合束模块600、同轴同步处理模块700、光束聚焦模块800、运动模块900。
具体实施方式
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种实现碳化硅晶锭高效率激光切割的方法及装置，该激光切割方法采用双波长激光同轴同步单次加工模式，在单一光源条件下通过频率变换技术实现了双波长激光输出，同时，采用同轴同步系统实现了改质激光和加热激光与SiC晶锭的同时空作用。与传统先改质后加热的二次加工模式相比，单次加工模式大大降低了加工耗时。此外，双波长同轴同步加工规避了二次加工模式中由于两次加工时间间隔过长材料冷却而使加热激光能量利用率降低的问题，在裂纹形成过程中通过入射加热激光施加热应力的方式调控裂纹扩展模式，改善了相邻改质部间裂纹连接效果，降低了晶圆剥离难度，提高了剥离质量。更进一步，良好的裂纹连接效果有利于增大激光扫描间距，进一步提高加工效率。
一种高效率激光切割碳化硅晶锭的方法，包括以下步骤：
将激光光源发出的脉冲激光进行分束，按照设定比例分成两束光，第一束作为改质激光，第二束经过频率变换后作为加热激光；
将改质激光与加热激光进行相位延迟和合术，实现改质激光与加热激光同轴同步加工SiC晶锭；其中，改质激光聚焦在SiC晶锭内部设定深度进行改质加工，最终在改质激光焦点附近形成改质部与裂纹区；加热激光聚焦在与改质激光相同的深度，在SiC晶锭内部以加热的方式施加热应力，调控裂纹扩展；
控制SiC晶锭与激光脉冲的相对移动，按设定路径进行扫描加工，在设定深度形成改质层与裂纹连结层；
以改质层和裂纹连结层为界面，将SiC晶锭的一部分剥离得到晶片。
进一步的，所述改质激光的脉冲激光能量为达到SiC晶锭的损伤阈值，使SiC晶锭内部发生改质，改质激光的脉冲宽度为100fs～100ns，单脉冲能量为10～100μJ。
进一步的，通过非线性晶体对第二束激光进行相位匹配，实现倍频得到加热激光，所述加热激光的波长为对单晶碳化硅吸收率较高的波长，加热激光的波长优选为532nm。
进一步的，将改质激光与加热激光进行相位延迟和合术，实现改质激光与加热激光同轴同步加工SiC晶锭，具体为：
首先实现改质激光与加热激光的同步：
将改质激光经过多个反射镜反射，调节延迟线中反射镜的位置，改变改质激光的传输光程，最终实现与加热激光的同步加工；
之后实现改质激光与加热激光的同轴：
将与加热激光同步后的改质激光与加热激光一起，通过二相色镜进行合束，实现改质激光与加热激光的同轴加工。
进一步的，所述设定深度为SiC晶锭上端面以下100～700μm。
进一步的，所述改质层由多个所述改质部组成，所述裂纹连结层由各所述改质部附近的所述裂纹区交连形成。
进一步的，控制SiC晶锭与激光脉冲的相对移动，实现所述扫描路径为几字形路径，几字形路径中Y轴相邻改质部间距为10～60μm，X轴相邻扫描间距为10～400μm。
进一步的，通过施加外界拉力、扭力、超声振动的方式实现SiC晶圆的剥离。
一种高效率激光切割碳化硅晶锭的装置，包括激光光源模块、分束模块、频率变换模块、同轴同步处理模块、运动模块，其中：
所述激光光源模块用于产生脉冲激光；
所述分束模块用于对脉冲激光进行分束，得到两束激光，其中第一束激光作为改质激光，第二束激光通入频率变换模块中；
所述频率变换模块用于通过非线性光学效应将第二束激光进行频率变换，得到加热激光；
所述同轴同步处理模块用于实现改质激光与加热激光的同步和同轴，得到合束激光，利用合束激光对SiC晶锭的同时空加工；
所述运动模块用于控制合束激光与SiC晶锭的相对运动，实现合束激光在设定深度按照设定路径完成对晶锭扫描加工。
进一步的，所述同轴同步处理模块包括双光束同步处理系统和合束模块，所述双光束同步处理系统包括多个反光镜，其中，双光束同步处理系统用于调节延迟线中反射镜的位置，改变改质激光的传输光程，实现与加热激光的同步加工；所述合束模块用于将与加热激光同步后的改质激光与加热激光进行合束。
实施例一：
请参阅图1-4所示，为了方便理解本发明实施例提供的SiC晶锭高效率激光切割的实现方法，下面首先说明一下本发明实施例提供的激光切割方法的应用场景，该激光切割方法应用于从SiC晶锭剥离得到SiC晶片的过程中。下面结合附图1-4对SiC晶锭高效率激光切割的实现方法进行详细的叙述。
在以下所描述的实施例中，实验的相关参数如下：
改质激光波长：1064nm；
改质激光脉宽：200ps；
改质激光重复频率：10kHz；
加热激光波长：532nm；
加热激光脉宽：200ps；
加热激光重复频率：10kHz；
单脉冲能量：10μJ；
光束聚焦模块：50×，N.A.＝0.65物镜；
Y轴扫描间距：50μm；
X轴扫描间距：200μm。
一种实现碳化硅晶锭高效率激光切割的方法，包括：
提供待切片的SiC晶锭并固定；
将激光光源发出的脉冲激光分束，一束作为改质激光直接聚焦在所述晶锭内部设定深度改质加工，另一束经过频率变换后作为加热激光在所述晶锭内部以加热的方式施加热应力调控裂纹扩展；
所述改质激光与加热激光经同轴同步处理系统实现所述SiC晶锭改质加热同步进行，所述改质激光聚焦在所述晶锭内部的所述设定深度层上，所述改质激光作用后，所述晶锭内部发生吸能、传能、相变、形变、碎裂等一系列过程，最终在所述改质激光焦点附近形成改质部与裂纹区。所述加热激光聚焦在所述设定深度层附近区域，所述加热激光被所述晶锭吸收并转化为热能，进而发生热膨胀产生热应力来影响裂纹扩展，所述裂纹扩展连接效果更佳，由于所述加热激光对应所述SiC晶锭的吸收波段，能量被所述晶锭吸收的较为均匀，不会出现改质及热损伤问题。
具体的，本实施例将超快激光通过频率变换技术产生红外和绿光双波长脉冲激光，再通过相位延迟和合术技术，实现两种波长的激光脉冲同轴同步加工SiC晶锭：
将红外脉冲激光聚焦在碳化硅晶锭内部设定的深度层，在设定深度层内的激光焦点位置，由内向外分别形成激光改质点、改质部、裂纹区。其中，改质点与激光光斑大小相近，改质部主要是非晶C与非晶Si。这主要是由于超快激光脉冲作用在材料上后引起了超快非热融化过程，碳化硅中束缚载流子挣脱共价键束缚被激发为自由电子，C与Si原子中形成共价键的电子云不再交叠，共价键被打断。裂纹区主要是由于激光作用在材料上后，材料发生形变，内部产生应力波，在应力波的作用下，材料产生裂纹；
在与SiC红外脉冲激光同轴同步的条件下，将绿光脉冲激光聚焦在同一设定深度，材料吸收激光能量，内部形成热应力。SiC中裂纹在产生的同时，在热应力作用下得到进一步扩展；
控制双波长脉冲激光焦点在设定的深度层扫描，以在设定的深度层形成改质层与裂纹扩展区层。其中，改质层由多个改质部组成，裂纹拓展区层由逐点加工形成的裂纹区相互连结组成。
如图1、图4所示，SiC晶锭100的设定位置101处，改质激光和加热激光合束为了合束激光，利用合束激光加工SiC晶锭100。合束激光从SiC材料上端面102射入，到达设定位置101处。经过改质激光105的加工形成了改质部103和裂纹104，在加热激光106的共同作用下，裂纹104继续扩展和连接，形成裂纹扩展区层。
通过控制三轴运动平台，实现所述SiC晶锭与激光脉冲的相对移动，实现所述双波长激光脉冲在所述设定深度按指定路径进行扫描加工，以在所述设定深度形成改质层与裂纹连结层。所述改质层由多个所述改质部组成，所述裂纹连结层由各所述改质部附近的所述裂纹区交连形成。
以所述改质层和裂纹连结层为界面，将所述SiC晶锭的一部分剥离得到晶片。
所述改质激光的波长为对单晶碳化硅透射率较高的波长，且所述改质激光的脉冲宽度为200ps，单脉冲能量为10μJ，脉冲激光能量应达到损伤阈值使得所述碳化硅晶锭材料内部发生改质，能达到相同效果的脉冲宽度、脉冲能量亦可。
所述加热激光的波长为对单晶碳化硅吸收率较高的波长。
所述设定深度为所述SiC晶锭上端面以下100～700μm。
控制所述三轴运动平台，实现所述扫描路径为几字形路径。控制所述运动平台速度，实现Y轴相邻改质部间距为50μm，X轴相邻扫描间距为200μm，能够获得相似效果的扫描路径及间距亦可。
综上所述内容，本实施例提供的SiC晶片剥离实现方法采用两种波长的脉冲激光，同时空与SiC发生作用，与传统激光切割晶锭方法相比，节省了激光二次加工的时间，提高了加工效率。另一方面，与传统先改质后加热裂纹扩展方法相比，在裂纹产生时进行同步扩展，裂纹扩展的效果更佳，裂纹连结效果更好。
实施例二：
本实施例提供了一种碳化硅晶锭高效率激光切割装置，该激光切割装置包括：激光光源、改质激光系统、加热激光系统、相位延迟与合束系统、运动平台和剥离系统。其中，激光光源用于产生一定脉冲宽度的超快激光。改质激光系统用于提供红外改质脉冲激光，并将改质脉冲激光光束的焦点聚焦在SiC晶锭的设定深度位置，以在设定深度位置分别产生改质部和裂纹区。加热激光系统用于产生绿光脉冲加热激光光束，并将加热脉冲激光光束的焦点聚焦在SiC晶锭的设定深度层位置，用于裂纹区的进一步扩展与连结。相位延迟与合束系统用于实现改质脉冲与加热脉冲同轴同步加工晶锭材料。运动平台可在三个维度上精确移动晶锭材料，能够实现激光光束焦点在设定深度移动扫描的效果，分别形成改质层与裂纹扩展层。剥离系统用于以裂纹改质层为界面，将碳化硅晶锭材料的特定部分剥离产生晶片。
与传统的SiC晶锭激光剥离晶片装置相比，此方案仅使用一个激光光源，通过频率变换技术实现双波长脉冲的产生，极大降低了装置的成本。此外，该装置通过延迟线实现了双脉冲精确同步加工SiC晶锭，通过光束合束，实现了双波长脉冲的同轴聚焦加工，与传统前后二次加工装置相比，裂纹扩展连结效果更佳，剥离所需拉力更小，剥离得到的晶片形貌更加均匀，剥离质量更好，同时，扫描线距可设定的更大，加工时长得到进一步缩短，提高加工效率。
一种碳化硅晶锭高效率激光切割装置，参考图5，该装置包括五部分：激光光源模块200，频率变换模块400，同轴同步处理模块700，运动模块900、剥离模块。
激光光源模块200用于产生改质激光105以及加热激光106的基频光；频率变换模块400用于通过倍频效应产生532nm加热激光106；同轴同步处理模块700用于实现改质激光105与加热激光106的同时空加工SiC晶锭100；运动模块900拥有X、Y、Z轴三轴协同调节功能，用于控制激光束与SiC晶锭材料100的相对运动，实现激光对晶锭100的扫描加工过程。下面结合附图对各个步骤进行详细的介绍。
使用过程：
第一步，提供待加工的SiC晶锭100，并将其固定在运动模块900表面。本实施例通过吸盘吸附方式固定，其余达到相同吸附效果的方式亦可。
第二步，获取改质激光105与加热激光106。激光光源200出射1064nm的脉冲激光，脉宽为200ps，其余满足要求的脉宽亦可，光束经过分束模块300后按照1：1的比例分成两束光，其余满足要求的分光比例亦可。
光束1经过频率变换模块400变为波长532nm加热激光106，光束2为1064nm改质激光105，在本实施例中，脉冲能量设置为10μJ，其余能使SiC晶锭100内部改质出现裂纹的脉冲能量亦可。
第三步，设定激光在SiC晶锭100内部的聚焦深度101。通过控制三轴运动系统900的Z轴，调节光束聚焦模块800与SiC晶锭100的相对距离高度，从而实现激光在SiC晶锭100内部特定深度的聚焦改质，本实施例中激光在SiC晶锭100内部的聚焦深度101为400μm，聚焦深度101由实施者最终想获得的晶片厚度决定，因此，其他聚焦深度亦可；
第四步，调节同轴同步处理模块700，实现双光束的同轴同步加工。通过调节延迟线中两反射镜在步进电机上的位置，改变改质激光105传输光程，最终实现与加热激光106的同步加工。二向色镜是一种很好的分光与合束器件，能实现对特定波长1激光的反射与对特定波长2激光的透射，在所描述实施例中合束模块600采用的核心元件为二向色镜，通过调节二向色镜以及光路中其它反射镜完成改质激光105与加热激光106的合束，最终实现两光束的同轴加工；
第五步，双波长光束在SiC晶锭内部的扫描加工。通过控制三轴运动模块900的X、Y轴，使得SiC晶锭100与合束脉冲激光在XY平面内产生相对移动，通过设定扫描路径完成光束在晶锭材料100内部指定深度101的加工，最终在指定深度层101形成改成层与裂纹连结层。
在本实施例中，设定的扫描路径如图2和图3所示，Y轴相邻改质部间距为50μm，X轴相邻扫描间距为200μm，能够获得相似效果的扫描路径及间距亦可。图2所示为“单向几字形”扫描路径，加工过程中，合束激光以一定的重复频率按照此路径扫描加工SiC材料，在Y轴方向的路径两端进行上扩、下扩，保证Y轴方向加工路段激光能匀速加工SiC材料，在上扩、下扩的同时，以200μm间距在X轴方向进行移动，实现Y轴方向下一扫描路径的形成。图3所示为“双向几字形”扫描路径，与“单向几字形”扫描路径不同，激光沿此路径扫描时，Y轴方向同一扫描路径激光来回扫描两次，在上扩时进行X轴方向的移动。
双波长光束在SiC内部扫描完成后，改质层以及裂纹连结层使得设定深度层两侧的晶体结合强度大大降低，通过施加外界拉力、扭力、超声振动等方式可实现SiC晶圆的剥离，且剥离效果得到较好的改善，最终加工效果如图6所示，图6a为激光切片并剥离后的SiC样品剥离面上表面实物图，图6b为激光切片并剥离后的SiC样品剥离面下表面实物图。
激光源200产生的皮秒激光经过分束模块300后分成两路，一路作为改质激光105经过物镜后直接加工SiC晶锭100，另一路经过频率变换模块400后作为加热激光106扩展改质裂纹。
对于改质激光105，改质激光105经光束聚焦模块800后穿过晶锭上表面102聚焦在SiC内部设定位置101，由于改质激光105极高的峰值功率，在激光束腰位置附近区域发生多光子吸收、隧穿电离、雪崩电离等非线性过程将SiC的电子系统激发。电子系统被激发后，一部分电子通过电子-声子耦合的形式，将其能量不断地转移给晶格，晶格的温度不断升高，最终电子-晶格系统达到平衡，晶格系统到达一定温度后发生熔化、汽化等热相变过程。此外，电子系统的另一部分电子由于逃逸，使SiC发生库仑爆炸、静电剥离等非热相变过程。经过相变后最终形成改质部103，由于相变过程使得材料内部拉伸应力存在梯度分布而形成应力波，达到一定损伤阈值后，在改质部附近形成裂纹104。本实施例采用50×，数值孔径为0.65的物镜作为光束聚焦模块800整形改质激光105，激光焦深较长，只有束腰附近很小区域达到SiC改质阈值，其余位置由于激光能量较低而无法改质加工，最终使晶圆被剥离后打磨抛光量小，减少材料的浪费，增大晶锭的切片数量。
对于激光频率变换技术，激光光源200发出的基频光经过非线性晶体(以LBO、KTP晶体为例，但不限于LBO、KTP晶体)，在满足相位匹配条件后，分别实现倍频得到532nm加热激光。对于激光频率变换技术，激光源200发出的基频光经过频率变换模块400，在满足一定相位匹配条件下，可实现各种频率转换，本实施例通过频率变换模块400得到532nm加热激光。由于SiC材料对532nm激光吸收率较高，加热激光106被吸收转换为热能，这部分能量较低不会造成SiC材料二次改质以及产生热影响区损伤晶锭表面的问题。由于这部分能量在SiC材料内部形成裂纹时注入材料内，材料在受热膨胀而产生的热应力作用下，内部裂纹得到进一步扩展，使得不同改质部附近的裂纹连结效果更佳，有利于最终剥片难度的降低以及剥片形貌质量的提高。
对于双光束同步处理系统500，由于两路光束经过不同的光程，因此无法同时入射到SiC材料上端面102，通过设计由延迟线组成的双光束同步系统，调节一定的光束传播距离从而可分别实现先改质激光-后加热激光、先加热激光-后改质激光、改质激光-加热激光同步加工三种加工模式，经比较，改质激光-加热激光同步模式在材料相变裂纹形成过程中为碳化硅注入能量，使得裂纹扩展的效果达到最佳。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、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一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.一种高效率激光切割碳化硅晶锭的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将激光光源发出的脉冲激光进行分束，按照设定比例分成两束光，第一束作为改质激光，第二束经过频率变换后作为加热激光；
将改质激光与加热激光进行相位延迟和合术，实现改质激光与加热激光同轴同步加工SiC晶锭；其中，改质激光聚焦在SiC晶锭内部设定深度进行改质加工，最终在改质激光焦点附近形成改质部与裂纹区；加热激光聚焦在与改质激光相同的深度，在SiC晶锭内部以加热的方式施加热应力，调控裂纹扩展；
控制SiC晶锭与激光脉冲的相对移动，按设定路径进行扫描加工，在设定深度形成改质层与裂纹连结层；
以改质层和裂纹连结层为界面，将SiC晶锭的一部分剥离得到晶片。
2.根据权利要求1所述的高效率激光切割碳化硅晶锭的方法，其特征在于，所述改质激光的脉冲激光能量为达到SiC晶锭的损伤阈值，使SiC晶锭内部发生改质，改质激光的脉冲宽度为100fs～100ns，单脉冲能量为10～100μJ。
3.根据权利要求1所述的高效率激光切割碳化硅晶锭的方法，其特征在于，通过非线性晶体对第二束激光进行相位匹配，实现倍频得到加热激光，所述加热激光的波长为对单晶碳化硅吸收率较高的波长，加热激光的波长优选为532nm。
4.根据权利要求1所述的高效率激光切割碳化硅晶锭的方法，其特征在于，将改质激光与加热激光进行相位延迟和合术，实现改质激光与加热激光同轴同步加工SiC晶锭，具体为：
首先实现改质激光与加热激光的同步：
反射镜与高精度步进电机配合构成延迟线，调节延迟线中反射镜的位置，改变改质激光的传输光程，最终实现与加热激光的同步加工；
之后实现改质激光与加热激光的同轴：
将与加热激光同步后的改质激光与加热激光一起，通过二向色镜进行合束，实现改质激光与加热激光的同轴加工。
5.根据权利要求1所述的高效率激光切割碳化硅晶锭的方法，其特征在于，所述设定深度为SiC晶锭上端面以下100～700μm。
6.根据权利要求1所述的高效率激光切割碳化硅晶锭的方法，其特征在于，所述改质层由多个所述改质部组成，所述裂纹连结层由各所述改质部附近的所述裂纹区交连形成。
7.根据权利要求1所述的高效率激光切割碳化硅晶锭的方法，其特征在于，控制SiC晶锭与激光脉冲的相对移动，实现所述扫描路径为几字形路径，几字形路径中Y轴相邻改质部间距为10～60μm，X轴相邻扫描间距为10～400μm。
8.根据权利要求1所述的高效率激光切割碳化硅晶锭的方法，其特征在于，通过施加外界拉力、扭力、超声振动的方式实现SiC晶圆的剥离。
9.一种高效率激光切割碳化硅晶锭的装置，其特征在于，包括激光光源模块、分束模块、频率变换模块、同轴同步处理模块、运动模块，其中：
所述激光光源模块用于产生脉冲激光；
所述分束模块用于对脉冲激光进行分束，得到两束激光，其中第一束激光作为改质激光，第二束激光通入频率变换模块中；
所述频率变换模块用于通过非线性光学效应将第二束激光进行频率变换，得到加热激光；
所述同轴同步处理模块用于实现改质激光与加热激光的同步和同轴，得到合束激光，利用合束激光对SiC晶锭的同时空加工；
所述运动模块用于控制合束激光与SiC晶锭的相对运动，实现合束激光在设定深度按照设定路径完成对晶锭扫描加工。
10.根据权利要求9所述的高效率激光切割碳化硅晶锭的装置，其特征在于，所述同轴同步处理模块包括双光束同步处理系统和合束模块，所述双光束同步处理系统包括多个反光镜，其中，双光束同步处理系统用于调节延迟线中反射镜的位置，改变改质激光的传输光程，实现与加热激光的同步加工；所述合束模块用于将与加热激光同步后的改质激光与加热激光进行合束。
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