CN117754144A - 利用激光划刻辅助循环冷却进行碳化硅晶体裂片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种利用激光划刻辅助循环冷却进行碳化硅晶体裂片的方法，属于飞秒激光应用技术领域。本发明实现方法为：1)激光划刻在碳化硅晶体侧壁刻蚀出V型槽，便于液体进入槽内并引发裂纹；2)将划刻后的晶体放置于循环冷却装置中，上表面粘结一层柔性层并施加恒定压力；3)利用液体凝固膨胀的原理使得晶体沿V型槽开裂；4)将液体加热熔化后再进行冷却膨胀直至晶圆全部剥离。本发明通过循环冷却液体膨胀剥离晶圆的方法，能够得到表面质量较好的晶圆，与传统金刚石线锯剥离与激光改质剥离相比剥离过程引起的材料浪费较少，得到的晶圆质量更为优良。

Description

利用激光划刻辅助循环冷却进行碳化硅晶体裂片的方法

技术领域

本发明涉及一种利用激光划刻辅助循环冷却进行碳化硅晶体裂片的方法，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术

功率器件是电力电子行业的重要基础元器件之一，广泛应用于电力设备的电能转化和电路控制等领域。作为用电装备和系统中的核心，功率器件的作用是实现对电能的处理、转换和控制，管理着全球超过50％的电能资源，广泛用于智能电网、新能源汽车、轨道交通、可再生能源开发、工业电机、数据中心、家用电器、移动电子设备等与国民生活的方方面面，是工业体系中不可或缺的核心半导体产品。

碳化硅属于宽禁带半导体材料，禁带宽度为Si的2-3倍，导热率为Si的4-5倍，击穿电压为Si的8倍，电子饱和漂移速率为Si的2倍。因此，SiC材料特别适用于制造高温、高频、抗辐射的高功率器件，在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。碳化硅晶体的生长工艺较为复杂，材料硬度较高，且化学性质稳定，因此其晶圆加工成本与加工难度大大提升，阻碍了相关半导体器件的推广与应用。

传统的碳化硅晶圆裂片工艺主要是多线切割工艺。利用多条高强度的线锯对整块碳化硅晶锭进行切割。此种方法切割效率较高，但在对碳化硅晶体进行切割以及后续的研磨抛光过程中产生的晶体材料损失大于50％，大大增加了碳化硅晶圆的生产成本。离子注入法也是碳化硅晶圆切片的一种新型手段，但由于离子注入会引入其他杂质，此类方法生产的碳化硅晶圆质量较差。目前利用激光改质剥离碳化硅晶圆主要使用纳秒和皮秒激光，脉宽较长的激光由于其与材料作用时热效应较为明显，激光光束与晶格相互作用后会发生明显的热扩散现象，激光诱导的改质区域表现出烧蚀和熔覆特征，增加晶片剥离需要的应力，且由于相差以及自聚焦效应的存在，激光加工后的损伤层较大。

发明内容

本发明的目的是解决现有裂片方法中晶体材料损失较多，生产成本高，且传统激光加工存在的晶片剥离拉力过大的问题，提供一种利用激光划刻辅助循环冷却进行碳化硅晶体裂片的方法。

本发明的目的是通过以下技术来实现的。

一种利用激光划刻辅助循环冷却进行碳化硅晶体裂片的方法，具体步骤如下：

步骤一：利用飞秒激光器产生高斯型飞秒激光脉冲，通过锥透镜对光束进行空间整形，整形为贝塞尔光束。

步骤二：将步骤一得到的贝塞尔光束聚焦到碳化硅晶体侧面一定深度处，对晶体侧壁进行往复划刻，利用贝塞尔光束中主瓣与旁瓣光束的能量分布，在晶体侧壁形成V型滑槽。

步骤三：将划刻后的晶体下表面吸附在刚性台上，进入装有冷却液体的循环冷却装置中。在晶体上表面黏附一层柔性层并施加一定的拉力。

步骤四：利用循环冷却机对装置中液体进行冷却，使得存在于V型槽中的液体结晶膨胀，从而将晶片裂开一定的深度。

步骤五：停止冷却变为加热使得冷却液熔化，液体沿晶体裂开方向进入裂缝之间后再对液体进行冷却使得晶体再次裂开一定的深度。循环此过程，直至晶片完整裂开。

步骤三中的冷却循环装置。制冷与加热装置，可将液体温度调整至熔点以下。刚性台用于固定晶体，可选用不锈钢或铝等金属材料。柔性层材料可采用PDMS等聚合物，厚度为1mm-2mm，可用粘性胶水黏附在晶体上表面，并在柔性层末端利用恒力拉力机等施加一定的拉力。循环冷却液体，可选用去离子水。

完成裂片后，利用丙酮等有机溶剂对柔性层进行去除，得到完整的晶圆。

有益效果：

1.本发明利用贝塞尔光束在碳化硅晶体侧壁直接生成V型槽，显著增加晶体的划槽效率，且通过控制贝塞尔光束的旁瓣能够调控V型槽的宽度与深度。

2.本发明中裂片方法是利用液体凝固膨胀使得晶体沿晶面剥离，得到的剥离后晶圆表面粗糙度能够大大小于金刚石线锯切割以及激光内部改质得到的晶圆表面粗糙度。

3.本发明中的裂片过程不涉及大量的晶体材料改质与去除，能够显著减少剥离过程中的材料损失。

附图说明

图1为激光划刻示意图；

图2为贝塞尔光束光强分布；

图3为冷却循环装置示意图；

图4为剥离晶片受力示意图。

其中，1—制冷与加热装置、2—刚性台、3—激光划刻后的晶体、4—柔性层。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行进一步介绍。

实施例1

本实施例公开的一种利用激光划刻辅助循环冷却进行碳化硅晶体裂片的方法，具体步骤如下：

步骤一：利用飞秒激光器产生高斯型飞秒激光脉冲，通过锥透镜对光束进行空间整形，整形为贝塞尔光束。相关激光参数为中心波长800nm，重复频率1kHz，脉冲宽度为35fs，偏振类型为线偏振。

步骤二：将步骤一得到的贝塞尔光束通过物镜聚焦到碳化硅晶体侧面一定深度处，如图1所示，对晶体侧壁进行往复划刻100次，利用贝塞尔光束中主瓣与旁瓣光束的能量分布，如图2所示，在晶体侧壁形成V型滑槽。

步骤三：将划刻后的晶体下表面吸附在刚性台上，浸入装有冷却液体的循环冷却装置中，冷却液体可用去离子水。在晶体上表面黏附一层柔性层并施加一定的拉力，如图3所示。

步骤四：利用循环冷却机对装置中液体进行冷却，将液体温度设置在250K-260K之间使得存在于V型槽中的冷却液体凝固膨胀，从而将晶片裂开一定的深度。

步骤五：将冷却机停止冷却变为加热模式，温度设定在280K-290K之间，使得冷却液熔化，液体沿晶体裂开方向进入裂缝之间后再对液体进行冷却使得晶体再次裂开一定的深度。循环此过程，直至晶片完整裂开。

步骤三中的冷却循环装置如图3所示。图中1为制冷与加热装置，可将液体温度调至至熔点以下。2为刚性台，用于固定晶体，可选用不锈钢或铝等金属材料。3为激光划刻后的晶体。4为柔性层，柔性层材料可采用PDMS等聚合物，厚度为1mm-2mm，可用粘性胶水黏附在晶体上表面，并在柔性层末端利用恒力拉力机等器械施加一定的拉力。将柔性层对上半部分开裂晶片的力简化为平行于切面的拉力P和转矩M，如图4所示。当由P和M决定的平行于裂解面的切应力因子K为0时，裂解面才能沿着预先划刻的V型槽底线平行于上表面延伸，否则裂纹将向上或向下以曲线延伸。应力因子K的取值可用如下公式计算：

式中ω取52°，h为柔性层厚度，A为基底的有效截面，I为基底转动惯量。当柔性层上施加的拉力满足K＝0时能够完整地剥离晶圆。对于直径6寸，厚度为1mm的碳化硅晶片，为满足式中条件，在柔性层上施加的压力自剥离开始至剥离结束在60N-100N之间逐渐增加。

完成裂片后，利用丙酮、异丙醇等有机溶剂对柔性层进行溶解去除，得到完整的晶圆。

通过本发明的方法，可从晶体中剥离出完整的晶圆。由于晶圆的裂解是沿晶面裂开，故得到的晶片表面质量较高，较其他剥离方法更为高效。由于未引入晶体的缺陷以及改质，得到的晶圆质量较好，在剥离过程中的材料损失量较低。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.利用激光划刻辅助循环冷却进行碳化硅晶体裂片的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：利用飞秒激光器产生高斯型飞秒激光脉冲，通过锥透镜对光束进行空间整形，整形为贝塞尔光束；

步骤二：将步骤一得到的贝塞尔光束聚焦到碳化硅晶体侧面，对晶体侧壁进行往复划刻，利用贝塞尔光束中主瓣与旁瓣光束的能量分布，在晶体侧壁形成V型槽；

步骤三：将划刻后的碳化硅晶体下表面吸附在刚性台上，放入装有冷却液体的循环冷却装置中；在晶体上表面黏附一层柔性层并施加拉力；

步骤四：利用循环冷却机对装置中液体进行冷却，使得存在于V型槽中的液体凝固膨胀，从而将晶片裂开一定的深度；

步骤五：停止冷却变为加热使得液体熔化，液体沿晶体裂开方向进入裂缝之间后，再对液体进行冷却使得晶体再次裂开一定的深度；循环步骤四和步骤五，直至晶片完整裂开；

步骤六：完成裂片后，利用有机溶剂对柔性层进行去除，得到完整的晶圆。

2.如权利要求1所述利用激光划刻辅助循环冷却进行碳化硅晶体裂片的方法，其特征在于：晶片在柔性层的牵拉下受到的力分解为平行于表面的压力P和剥离方向的转矩M，当由P和M决定的平行于裂解面的切应力因子K为0时，裂解面沿预先划刻的V型槽底线平行于上表面延伸；应力因子K的取值通过如下公式计算：

式中ω取52°，h为柔性层厚度；A为基底的有效截面，I基底为转动惯量；当柔性层上施加的拉力满足K＝0时能够完整地剥离晶圆。

3.如权利要求1所述利用激光划刻辅助循环冷却进行碳化硅晶体裂片的方法，其特征在于：所述有机溶剂为丙酮或异丙醇；所述柔性层材料为PDMS聚合物，厚度为1mm-2mm。