CN117813178A

CN117813178A - 晶圆分离方法和晶圆分离装置

Info

Publication number: CN117813178A
Application number: CN202180101583.5A
Authority: CN
Inventors: 黄维; 陈丙振; 张浩东
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2021-09-01
Filing date: 2021-09-01
Publication date: 2024-04-02
Also published as: WO2023028920A1

Abstract

一种晶圆分离方法，包括：以晶锭内的一个或多个垂直于晶锭的轴向的目标平面为基准形成一个或多个烧蚀层；以及以一个或多个烧蚀层为界限，将晶锭分成至少两个部分；其中，每个烧蚀层的形成包括：用激光聚焦于一个目标平面，在晶锭内形成多个第一焦斑，每个第一焦斑的中心位于目标平面，第一焦斑在轴向上的尺寸大于第一焦斑在其它方向上的尺寸，多个第一焦斑排成网格状阵列，且每个第一焦斑形成为每个网格的边界的一部分；在晶锭内形成多个第二焦斑，每个第二焦斑的中心位于目标平面，每个网格内形成至少一个第二焦斑，每个第二焦斑引发晶锭形成一个沿晶锭的解理面延伸的解理面裂纹。本申请还提供一种晶圆分离装置。

Description

晶圆分离方法和晶圆分离装置

技术领域

本申请涉及半导体领域，更具体地涉及一种晶圆分离方法和晶圆分离装置。

背景技术

半导体晶圆(以下也简称晶圆)是芯片的基石。芯片是以晶圆为载体，通过沉积、光刻、刻蚀等多道工艺形成器件结构，之后通过划片和封装制备而形成。

目前，计算机处理器、内存以及手机中的芯片大多采用硅晶圆材料制备半导体晶圆。硅晶圆可以从硅晶锭切片获得。

一种可能的晶圆分离方法是使用多线切割技术。其具体制备方法例如包括：通过提拉等方法获得圆柱形的硅单晶，圆柱形的硅单晶的长度大致为100mm至200mm，直径大致为100mm至450mm；去除两端并滚圆后得到一个外径一致的标准圆柱体，即晶锭；然后通过多线切割将圆柱体的硅晶锭切割成厚度一致的圆片形的晶圆。

图1和图2示出了用多线切割工艺切割圆柱形的晶锭的示意图。多线切割工艺用一排等间距的切割线C高速来回运动，切割线C从晶锭B的圆柱体侧面垂直于轴线f切入，当穿过整个圆柱体后，圆柱体的晶锭B就被分离成了一片一片的硅晶圆。

参照图2，在上述方案中，为了保证切割线C的强度，切割线C被配置为具有足够粗的线径，一般在几百微米量级。并且，为了使切割线具有较好的切割能力，其表面会涂覆金刚石颗粒。而对晶锭B的切割过程本质是将与切割线C接触的硅材料切削去除掉，去除掉的硅单晶部分是多线切割工艺带来的材料损失。例如，对于常用的厚度d1为350微米的晶圆，采用多线切割技术所产生的材料损耗层的厚度d2约为200微米至300微米，损失的材料占比达30％～45％。

上述材料损耗在芯片生产中所占的成本较高，例如对于在功率器件领域具有广泛应用需求的宽禁带半导体材料SiC，由于SiC单晶生长方法及技术发展等原因，SiC晶圆价格较高，是同尺寸硅晶圆的约十倍。并且，SiC单晶材料莫氏硬度为9.2，该硬度较硅材料硬很多，采用多线切割时需要更大的线径才能避免断线问题，这会带来更多的SiC单晶材料损失。在这种情况下，采用传统多线切割技术所带来的成本浪费是很大的。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种晶圆分离方法和晶圆分离装置。

第一方面，本申请的实施例提供一种晶圆分离方法。

在第一方面的第一种可能的实现方式中，晶圆分离方法包括：

以晶锭内的一个或多个垂直于晶锭的轴向的目标平面为基准形成一个或多个烧蚀层；以及

以一个或多个烧蚀层为界限，将晶锭分成至少两个部分；

其中，每个烧蚀层的形成包括：

用激光聚焦于一个目标平面，

在晶锭内形成多个第一焦斑，每个第一焦斑的中心位于目标平面，第一焦斑在轴向上的尺寸大于第一焦斑在其它方向上的尺寸，多个第一焦斑排成网格状阵列，且每个第一焦斑形成为每个网格的边界的一部分；

在晶锭内形成多个第二焦斑，每个第二焦斑的中心位于目标平面，每个网格内形成至少一个第二焦斑，每个第二焦斑引发晶锭形成一个沿晶锭的解理面延伸的解理面裂纹。

第一焦斑能在每个网格的边界作为裂纹抑制点，由第二焦斑形成的解理面裂纹在延伸至第一焦斑所在位置时停止扩展，或者说解理面裂纹的延展止于第一焦斑并与第一焦斑相连。因此，在每个网格内所形成的解理面裂纹是与网格形状大致相同的，解理面裂纹与位于每个网格的边界处的第一焦斑相连，使得整个烧蚀层形成为一个挨一个的确定形状解理面裂纹。综上，第一焦斑限定了每个第二焦斑所引发的解理面裂纹的扩展区域，并且第一焦斑起到了将相邻网格内的解理面裂纹连接起来的作用，从而根据本申请能形成完整的烧蚀层，烧蚀层形状规整、表面粗糙度小，分离出的晶圆不容易碎裂，晶体材料的损耗少。

根据第一方面的第一种可能的实现方式，在晶圆分离方法的第二种可能的实现方式中，多个第一焦斑先于多个第二焦斑形成，或者

多个第一焦斑中的至少部分第一焦斑与多个第二焦斑中的至少部分第二焦斑同时形成。

第一焦斑先于第二焦斑形成，或者第一焦斑和第二焦斑同时形成，第二聚斑引发的解理面裂纹到第一焦斑处即终止，从而所形成的相邻的解理面裂纹恰好被第一焦斑连接，烧蚀层形状可控。

第二方面，本申请的实施例提供另一种晶圆分离方法。

在第二方面的第一种可能的实现方式中，晶圆分离方法包括：

以一个或多个烧蚀层为界限，将晶锭分成至少两个部分；

其中，每个烧蚀层的形成包括：

用激光聚焦于一个目标平面，

在晶锭内形成多个第二焦斑，每个第二焦斑的中心位于目标平面，每个第二焦斑引发晶锭形成一个沿晶锭的解理面延伸的解理面裂纹；

在晶锭内形成多个第一焦斑，每个第一焦斑的中心位于目标平面，第一焦斑在轴向上的尺寸大于第一焦斑在其它方向上的尺寸，多个第一焦斑排成网格状阵列，每个第一焦斑形成为每个网格的边界的一部分，每个网格内具有至少一个第二焦斑。

根据本实现方式的晶圆分离方法提供了另一种焦斑形成方式，在激光聚焦时操作灵活。

根据以上第一方面的任一种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，或者根据以上第二方面的第一种可能的实现方式，在第二方面的第二种可能的实现方式中，

第一焦斑和第二焦斑中任一者的形成方法包括：

将晶锭置于活动平台，使激光聚焦于一个目标平面内，移动活动平台，使聚焦位置在晶锭的周向和/或径向上发生变化。

本实现方式采用光学系统不动、晶锭运动的方式，本实现方式可以提高第一焦斑和第二焦斑的尺寸和位置精度，保证光学系统的稳定性和精度，使得聚焦过程操作方便，且能高效、准确地聚焦激光并形成预定图案的焦斑。

根据以上第一方面的任一种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，或者根据以上第二方面的任一种可能的实现方式，在第二方面的第三种可能的实现方式中，

第二焦斑在与晶锭的解理面平行的方向上的尺寸大于第二焦斑在其它方向上的尺寸。

根据晶体内部结构特征，第二焦斑的长度方向与解理面平行，容易使第二焦斑与解理面裂纹重合使得烧蚀层较为平整，晶体材料的损耗少。

根据以上第一方面的任一种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，或者根据以上第二方面的任一种可能的实现方式，在第二方面的第四种可能的实现方式中，

第一焦斑和/或第二焦斑由多个圆形焦斑首尾相连而形成为长条形。

圆形焦斑所需的光学系统的结构简单，根据本实现方式的焦斑可以通过简单的光学系统形成。

根据以上第一方面的任一种可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，或者根据以上第二方面的任一种可能的实现方式，在第二方面的第五种可能的实现方式中，

相邻的两个解理面裂纹分别与至少一个第一焦斑在轴向上的两个端部相接。

根据本实现方式的相邻的解理面裂纹衔接紧密，容易形成完整的烧蚀层。另外，可以使第一焦斑的长度尽可能短，减小烧蚀层的表面粗糙度，减少材料损耗。

根据以上第一方面的任一种可能的实现方式，在第一方面的第七种可能的实现方式中，或者根据以上第二方面的任一种可能的实现方式，在第二方面的第六种可能的实现方式中，

用于生成第一焦斑的光学系统的数值孔径大于用于生成第二焦斑的光学系统的数值孔径。

根据以上第一方面的任一种可能的实现方式，在第一方面的第八种可能的实现方式中，或者根据以上第二方面的任一种可能的实现方式，在第二方面的第七种可能的实现方式中，

以一个或多个烧蚀层为界限，将晶锭分成至少两个部分包括：

以一个烧蚀层为分离界限，将位于烧蚀层的一侧的晶圆与位于烧蚀层另一侧的晶锭分离开。

由于烧蚀层形貌可控且表面较平整，因此根据本实现方式的晶圆分离方法能较容易地分离出单个的晶圆。

根据以上第一方面的任一种可能的实现方式，在第一方面的第九种可能的实现方式中，或者根据以上第二方面的任一种可能的实现方式，在第二方面的第八种可能的实现方式中，

连续地将多个烧蚀层所划分的多个晶圆与晶锭分离开，其中，

多个烧蚀层是连续地在晶锭内依次形成的，对于由同一个激光来源位置所形成的多个烧蚀层，后形成的烧蚀层比先形成的烧蚀层更靠近激光来源位置。

根据本实现方式的晶圆分离方法将重复的激光烧蚀步骤和重复的取下晶圆步骤分隔开，能够提高晶圆分离效率，适应于规模化的生产组织方式。

根据以上第一方面的第八或第九种可能的实现方式，在第一方面的第十种可能的实现方式中，或者根据以上第二方面的第七或第八种可能的实现方式，在第二方面的第九种可能的实现方式中，

取下晶圆包括：

切割烧蚀层的外周边缘，使晶圆的外周部与晶锭分离开。

根据本实现方式的晶圆分离方法能消除在晶锭的边缘可能存在的烧蚀不完全的问题，使晶圆与晶锭分离开的操作更容易实现。

根据以上第一方面的第十种可能的实现方式，在第一方面的第十一种可能的实现方式中，或者根据以上第二方面的第九种可能的实现方式，在第二方面的第十种可能的实现方式中，

切割烧蚀层的外周边缘包括：

使晶锭绕其轴线转动，用切割装置去除烧蚀层的外周边缘的晶体材料。

根据本实现方式的晶圆分离方法对烧蚀层外周边缘的切割位置准确、精度高、简单高效。

根据以上第一方面的第十或第十一种可能的实现方式，在第一方面的第十二种可能的实现方式中，或者根据以上第二方面的第九或第十种可能的实现方式，在第二方面的第十一种可能的实现方式中，

取下晶圆还包括：

将吸盘吸附于晶圆的轴向端面，使吸盘带着晶圆离开晶锭。

根据本实现方式的晶圆分离方法的晶圆取下操作便捷、吸盘与晶圆的接触面积大，晶圆受力均匀，不容易发生碎裂等损坏。

第三方面，本申请的实施例提供一种晶圆分离装置。

在第三方面的第一种可能的实现方式中，晶圆分离装置用于使用根据以上第一方面的任一种可能的晶圆分离方法或以上第二方面的任一种可能的晶圆分离方法，从晶锭分离出一个或多个晶圆，晶圆分离装置包括：

激光发生机构，用于形成第一焦斑和第二焦斑；

活动平台，用于承载晶锭，并带动晶锭做平动和/或绕晶锭自身轴线的转动；和

晶圆取下机构，用于将晶圆与晶锭分离开。

根据本实现方式的晶圆分离装置结构简单，且能以高效的、节约材料的方式分离出晶圆。

根据第三方面的第一种可能的实现方式，在晶圆分离装置的第二种可能的实现方式中，晶圆取下机构包括切割装置，切割装置用于在烧蚀层的外周边缘切割晶锭。

根据本实现方式的晶圆分离装置能有效分离晶圆的外周部分，有利于分离出表面规整的晶圆，且对晶体材料的浪费少。

根据第三方面的第二种可能的实现方式，在晶圆分离装置的第三种可能的实现方式中，切割装置为激光刀或砂轮。

根据本实现方式的晶圆分离装置对晶圆的外周部分的切割精度好、效率高。

根据以上第三方面的任一种可能的实现方式，在第三方面的第四种可能的实现方式中，晶圆取下机构包括吸盘，吸盘能够移动到晶锭的轴向端部，以吸取和转移晶圆。

根据本实现方式的晶圆分离装置能方便高效地将晶圆与晶锭分离开。吸盘与晶圆的接触面积大，晶圆受力均匀，不容易发生碎裂等损坏。

根据以上第三方面的任一种可能的实现方式，在第三方面的第五种可能的实现方式中，晶圆分离装置还包括抛光机构，

抛光机构用于抛光晶圆的烧蚀层所在的轴向端面，和/或

抛光机构用于抛光晶锭的烧蚀层所在的轴向端面。

根据本实现方式的晶圆分离装置能得到表面平整的可用于外延的晶圆。

附图说明

图1和图2是一种可能的使用多线切割技术分离晶圆的示意图；

图3和图4是一种可能的使用激光分离晶圆的示意图；

图5是根据本申请的一个实施例的从晶锭分离出一个晶圆的示意图；

图6是根据本申请的一个实施例的通过第一焦斑和第二焦斑形成烧蚀层的剖面示意图；

图7是根据本申请的一个实施例的形成有第一焦斑的晶锭的截面示意图；

图8是根据本申请的一个实施例的形成有第一焦斑和第二焦斑的晶锭的截面示意图；

图9是根据本申请的一个实施例的使用激光在晶锭内形成烧蚀层的截面示意图；

图10和图11是根据本申请的一个实施例的用砂轮切割晶锭边缘以分离晶圆的示意图；

图12是根据本申请的一个实施例的用激光刀切割晶锭边缘以分离晶圆的示意图；

图13是根据本申请的一个实施例的用吸盘移取晶圆的剖视图；

图14是根据本申请的一个实施例的用抛光砂轮抛光晶圆端面的剖视图；

图15是根据本申请的一个实施例的用化学机械抛光盘抛光晶圆端面的剖视图；

图16是根据本申请的一个实施例的用抛光砂轮抛光晶锭端面的剖视图。

图17是根据本申请的一个实施例的晶圆分离方法。

附图标记说明：

B 晶锭；B0 晶圆；Bf 晶面；

C 切割线；f 轴线；a 偏角；Fc 解理面；

L 激光；L0 焦斑；L1 第一焦斑；L2 第二焦斑；Lk 激光刀；

S 烧蚀层；K1 解理面裂纹；K2 诱导裂纹；

P 活动平台；D 吸盘；W 切割砂轮；Po1 抛光砂轮；Po2 化学机械抛光盘；

A 轴向；R 径向；D1 第一方向。

具体实施方式

除非特别说明，参照图5、图11和图12，A表示晶圆分离装置的轴向，该轴向A与晶锭的轴向一致；R表示晶圆分离装置的径向，该径向R与晶锭的径向一致。

若非特殊说明，本申请以图中所示的上下关系来说明各部件的位置关系。应当理解，该上下关系并不是绝对的，随着产品应用场景和工作姿态的不同，部件对应的空间方位可以相应地变化。

此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

激光分离晶圆技术是一种分离精度较高的晶圆分离方法。

如图3所示，激光分离晶圆技术使用激光L(或者说激光束)在晶锭B内的一定深度聚焦，聚焦点形成焦斑，对晶锭形成烧蚀，多个焦斑连在一起形成烧蚀层S。烧蚀层S的材料损失后，晶锭B可以被分离成位于烧蚀层S一侧的晶圆B0和位于烧蚀层S另一侧的剩余的晶锭B(为表述方便仍将该能进一步分离的部分称为晶锭)。

图4示出了利用焦斑形成便于分离的烧蚀层S的示意图。该图以SiC单晶为例进行示意。激光的烧蚀作用使得每个焦斑L0处形成一小片解理面裂纹K1。由于通常SiC单晶的晶锭B的晶面Bf(晶锭B的轴向端面)与解理面之间形成4度的偏角，因此晶锭B内同一深度处的多个焦斑L0所形成的解理面裂纹K1均相对于晶面Bf倾斜，这多个解理面裂纹K1彼此基本平行不相交。并且，多个解理面裂纹K1还存在覆盖区域和所处高度不均匀的现象。

为了形成具有分离晶圆作用的损伤层，一种可能的方法是在激光烧蚀后，对晶锭施加外力，例如旋转晶锭、翘边或加载超声波，从而在相邻的解理面裂纹K1之间形成诱导裂纹K2。诱导裂纹K2和解理面裂纹K1连接在一起，形成能分离晶圆B0的损伤层。

然而，由于解理面裂纹K1的不均匀和诱导裂纹K2的走向不确定性，传统的激光分离晶圆技术存在损伤层表面不平整、不均匀和尺寸不可控的问题，并导致制备的晶圆B0易碎裂。此外，单晶材料的损耗也较大。

申请人考虑了包括上述情况的一些情况而作出本申请。

参照图5至图16，以SiC单晶的晶锭B为例，介绍根据本申请的晶圆分离方法和晶圆分离装置。

参照图5，本实施方式中的晶锭B呈圆柱体形状，其轴线f(平行于轴向A)与结晶方向的垂向形成偏角a，在本实施方式中，偏角a大致为4°。

由于结晶矿物受力后，由其自身结构的原因，晶体会沿一定结晶方向裂开成光滑平面，该过程也称为解理，裂开的光滑平面称为解理面。下文将借助解理面说明该晶锭B及从晶锭B分解晶圆B0的方法。

本实施方式中的解理面Fc为<0001>面(其平行于方向<1-100>和方向<11-20>)，轴线f与解理面Fc的垂线形成偏角a。

从晶锭B分离出的晶圆B0的轴向A上的两个端面(也称晶面，指分离后经抛光和清洗后形成的端面)与解理面Fc也形成偏角a。

参照图6，本申请采用激光烧蚀的方法分离晶圆。该方法使用激光在晶锭B内以目标平面为基准，形成烧蚀层S。目标平面是一个垂直于轴向A的虚拟平面，以目标平面为基准是指下文介绍的第一焦斑和第二焦斑的中心(激光的聚焦位置)位于该目标平面。应当理解，由于第一焦斑和第二焦斑具有一定的尺寸和延伸方向，因此，第一焦斑和第二焦斑并非完全位于目标平面内。以下为表述方便，有时也称第一焦斑和第二焦斑位于目标平面内，实际上是指第一焦斑和第二焦斑的中心位于目标平面内。

目标平面例如距离晶锭B的一个轴向端面(以下简称上表面)大约350微米。该深度略大于成品的晶圆B0在轴向A上的厚度。这是因为，对于某一成品晶圆B0，考虑到晶圆B0分离后还需要进行抛光和清洗，因此，可以为抛光留出余量。

以烧蚀层S为界限，其轴向一侧能用于形成晶圆B0，以下为表述方便，将另一侧剩下的部分仍称为晶锭B。

应当理解，在其它可能的应用中，烧蚀层S也可以仅用于将晶锭B分成两部分，这两部分可以均具有较大的轴向尺寸而非对应直接形成晶圆B0。

为了使得烧蚀层S具有规整的表面，本申请使用激光聚焦形成两种类型的焦斑，即第一焦斑L1和第二焦斑L2。第二焦斑L2利用晶体的解理特性，能在晶锭B内形成多个与解理面Fc平行(或者说沿解理面延伸)的解理面裂纹K1；第一焦斑L1用于将这多个解理面裂纹K1连接在一起、并阻碍解理面裂纹K1进一步扩展。从而基本上仅通过解理面裂纹K1和第一焦斑L1所覆盖的区域界定出烧蚀层S。

(烧蚀层的形成)

结合图6至图9，介绍烧蚀层S的形成方法。

首先，参照图6和图7，介绍第一焦斑L1的构造。

第一焦斑L1用于限定每个解理面裂纹K1的边界，且第一焦斑L1不用于使晶体发生解理。第一焦斑L1也被称为裂纹抑制点。

每个第一焦斑L1呈长条形，其在晶锭B的轴向A上的尺寸大于在其它方向上的尺寸。这使得第一焦斑L1不容易诱发晶锭B内发生解理，即，第一焦斑L1不会诱发晶体产生不期望的裂纹。

多个第一焦斑L1排成网格状阵列，每个第一焦斑L1形成为网格的边界的一部分。多个网格将期望产生烧蚀层S的区域划为多个子区域(每个网格代表一个子区域)，这使得下文介绍的每个解理面裂纹K1仅占据很小的区域，烧蚀层S容易形成，且烧蚀层S的表面粗糙度较小。可选地，每个网格在各向上的最大尺寸为50至1000微米。

应当理解，通过改变相邻的第一焦斑L1之间的距离，即改变网格状阵列中每个网格的大小，可以调节烧蚀层S的表面平整程度(或者说粗糙度)，从而控制晶圆分离过程中的材料损耗量。这是因为，例如，相邻的第一焦斑L1之间的距离越小(简称第一焦斑L1越密集)，则由第二焦斑L2产生的解理面裂纹K1的扩展距离越短，从而烧蚀层S的表面起伏程度越小。当然，第一焦斑L1越密集，通常需要激光的扫描速度越高，对应激光的烧蚀成本越大，实际应用中可以在激光使用成本和晶体材料损耗之间平衡地做选择。

在本实施方式中，每个网格(除了与晶锭B的边缘相接的网格外)均为大致正方形形状。应当理解，在其它可能的实施方式中，单个网格还可以是其它形状，例如三角形、四边形或六边形等，并且，网格状阵列中可以包括多种不同形状的网格。

接下来，参照图6和图8，介绍第二焦斑L2的构造。

第二焦斑L2用于诱发晶体产生解理面裂纹K1。应当理解，解理面裂纹K1是伴随第二焦斑L2的生成而自发形成的，该过程中可以不需要对晶锭B施加其它外力。

为了保证第二焦斑L2能诱导晶锭B产生解理面裂纹K1，第二焦斑L2呈长条形，其在第一方向D1上的尺寸大于在其它方向上的尺寸，且第一方向D1与轴向A不平行。本实施方式中，第一方向D1与晶锭B的轴向端面平行。但优选地，第一方向D1与解理面Fc平行。

在由多个第一焦斑L1构造的网格状阵列中，每个网格内形成至少一个(本实施方式中为一个)第二焦斑L2。

可选地，每个网格内由第二焦斑L2形成的解理面裂纹K1与网格周围的第一焦斑L1相连。根据解理面裂纹K1的形成机理，解理面裂纹K1的边界会终止于其接触到的第一焦斑L1，从而由每个网格四周的第一焦斑L1和内部的第二焦斑L2可以形成一个形状确定的分裂区域。

可选地，相邻的两个解理面裂纹K1分别与至少一个第一焦斑L1在轴向A上的两个端部相接。或者，每个第一焦斑L1在轴向A上的两端分别与一个解理面裂纹K1相连。上述刚好相连的结构例如可以通过合理的计算，从而确定第一焦斑L1在轴向A上的长度以及网格的大小而实现。由此使得每个网格所形成的分裂区域能连接在一起，从而形成完整的能将晶锭B分割开的烧蚀层S。

应当理解，由于各种原因(例如实际操作中的误差等)，至少部分第一焦斑L1也可以不连接到与其相邻的解理面裂纹K1，例如第一焦斑L1和相邻的解理面裂纹K1之间具有很小的间隙。这种小尺寸(例如小于5微米)的连接区域例如可以在后续通过施加很小的外力而被破坏。

在本实施方式中，对于每个烧蚀层，所有的第一焦斑L1先于第二焦斑L2形成。从而可以依据第一焦斑L1的位置限定由第二焦斑L2诱发的解理面裂纹K1的边界，或者说，相邻的解理面裂纹恰好被第一焦斑L1连接，使得烧蚀层S的形状可控。

应当理解，在其它可能的实施方式中，也可以有至少部分第二焦斑L2先于第一焦斑L1形成，或者，至少部分第二焦斑L2与至少部分第一焦斑L1同时形成。根据这种形成方式，可能在非在后形成的第二焦斑L2处，会产生解理面裂纹K1超出与其相邻的第一焦斑L1的情况。应当理解，只要解理面裂纹K1与第一焦斑L1是相接的，或者相距非常小，仍然能形成较规整的烧蚀层S。

接下来介绍根据本实施方式的第一焦斑L1和第二焦斑L2的形成方法。

可选地，首先，对晶锭B的上端面(用于使激光通过的那个端面)进行抛光，使该上端面形成为光学级(例如表面粗糙度小于5纳米)的光滑端面。以便于激光通过，并且便于后续分离晶圆。

将晶锭B置于活动平台P，使用第一激光源，使激光的聚焦位置在晶锭B的轴向上位于目标平面(例如距离上端面350微米)，移动活动平台P，使聚焦位置沿第一预设路径在晶锭B的周向和/或径向上发生变化，从而在目标平面内形成由第一焦斑L1构造出的网格状阵列。

可选地，用于形成第一焦斑L1的光学系统的数值孔径为1.3至1.5。

之后，使用第二激光源，使激光的聚焦位置在晶锭B的轴向上位于目标平面，移动活动平台P，使聚焦位置沿第二预设路径在晶锭B的周向和/或径向上发生变化，从而在每个网格内形成一个第二焦斑L2。

可选地，用于形成第二焦斑L2的光学系统的数值孔径小于用于形成第一焦斑L1的光学系统的数值孔径，用于形成第二焦斑L2的光学系统的数值孔径为0.4至0.3。

可选地，长条形的焦斑(第一焦斑L1和/或第二焦斑L2)可以通过特定的或者是组合式的聚焦镜头而一次形成；也可以通过每次形成一个圆形焦斑、并使多个圆形焦斑连接在一起形成长条形的焦斑。

(取下晶圆)

接下来，参照图9至图16，介绍晶圆分离方法中取下晶圆及之后的步骤。

利用上述烧蚀层S，以烧蚀层S为界限，将由烧蚀层S所区分的晶圆B0与晶锭B分离开，或者说将晶圆B0从晶锭B上取下。这里介绍的取下晶圆的方法包括两种。

第一种方法在每形成一个烧蚀层S后，取下一片晶圆B0，之后再形成下一个烧蚀层S，如此循环往复。

第二种方法是连续形成多个在晶锭B内处于不同深度的烧蚀层S，之后再连续地将这多个烧蚀层S所分隔出的多个晶圆B0逐一取下。

对于第二种方法，为了保证焦斑的形成质量，可选地，对于由同一个激光来源位置所形成的多个烧蚀层S，后形成的烧蚀层S比先形成的烧蚀层S更靠近激光来源位置，从而使得先形成的烧蚀层S不会阻碍或影响后形成的烧蚀层S。

这里，“激光来源位置”指激光在晶锭B上的入射位置。例如，激光从晶锭B的上端入射，则，后形成的烧蚀层S比先形成的烧蚀层S更靠近晶锭B的上端，或者说，先形成靠近下端的烧蚀层S、后形成靠近上端的烧蚀层S。又例如，激光可以从晶锭B的两端入射，则，先形成在轴向A上位于中部的烧蚀层S，后形成靠近两个端部的烧蚀层S。

以下主要介绍在烧蚀层S形成后的晶圆分离方法。

可选地，分离方法包括：步骤(a)，切割烧蚀层S的外周边缘。

由于在晶锭B的边缘处，激光的聚焦效率受限，即烧蚀层S可能不会完全延伸至晶锭B的边缘(这种现象也被称为激光烧蚀的边缘效应)。因此可选地，使用切割装置切割烧蚀层S的外周边缘。

可选地，使晶锭B绕其轴线f转动，用切割装置去除烧蚀层S的外周边缘的晶体材料。

可选地，在切割烧蚀层S的过程中，使用真空吸附载台(例如为多孔陶瓷真空吸附载台)定位晶锭B。晶锭B被载台上的吸附装置固定，使得晶锭B能以较高的运动精度随载台转动。

可选地，切割装置为激光刀Lk或砂轮W。

图10和图11示出了使用砂轮W切割烧蚀层S的外周边缘的方式。可选地，砂轮W的转动方向与晶锭B的转动方向相同，从而在二者相接触处，二者的接触部分能形成相向运动。可选地，砂轮W的切割部分在轴向A上的厚度为150至300微米，砂轮W在径向R上伸入晶锭B内的深度为20至500微米。

图11示出了使用激光刀Lk切割晶锭B的方式。即，使激光聚焦于烧蚀层S的外周边缘，通过激光烧蚀的方式将烧蚀层S外周边缘的晶体材料去除。

可选地，分离方法还包括：步骤(b)，使用吸盘将晶圆B0取下。

可选地，吸盘D吸附在晶圆B0的背离烧蚀层S的轴向端面，并带着晶圆B0离开晶锭B。

可选地，分离方法还包括：步骤(c)，抛光晶圆B0的两个轴向端面，和/或抛光晶锭B的烧蚀层S所在的轴向端面。

可选地，抛光晶圆B0的轴向端面包括对该晶圆B0的轴向端面进行机械抛光和化学机械抛光。可选地，抛光机构包括抛光砂轮Po1(参照图14，用于机械抛光)和化学机械抛光盘Po2(参照图15，用于化学机械抛光)。

可选地，抛光晶锭B的烧蚀层S所在的轴向端面包括对该端面进行机械抛光。可选地，参照图16，使用抛光砂轮Po1进行机械抛光。

可选地，在抛光晶圆B0之后，对晶圆B0进行清洗，从而得到可用于外延的晶圆。

(晶圆分离装置)

应当理解，本申请还提供一种使用上述分离方法分离晶圆的晶圆分离装置。该装置包括激光发生机构、活动平台P、晶圆取下机构和抛光机构。

激光发生机构用于形成第一焦斑L1和第二焦斑L2。

活动平台P用于承载晶锭B，并带动晶锭B做平动和/或绕晶锭B自身轴线f的转动。

晶圆取下机构用于将晶圆B0与晶锭B分离开。可选地，晶圆取下机构包括切割装置和吸盘D。可选地，切割装置选自于激光刀Lk或砂轮W。

可选地，抛光机构包括抛光砂轮Po1和化学机械抛光盘Po2。

可选地，吸盘D为多孔陶瓷真空吸盘。

接下来，以两个实施例为例，介绍使用根据本申请的晶圆分离方法分离晶圆的具体步骤。

(实施例一)

步骤1，使用PVT(物理气相传输)法生长出在轴向A上高度为15mm、直径为6英寸的SiC晶锭；对该晶锭进行定向，磨出<11-20>面和朝<11-20>方向偏4度的<0001>面；将<0001>面作为其中一个圆端面加工出一个标准圆柱体；得到的晶锭的标准圆柱体的在轴向A上的高度为12mm。

步骤2，使用10000#砂轮对晶锭的上端面进行抛光，获得光学级的光滑端面(上端面的表面粗糙度为2nm)。

步骤3，将晶锭固定于可以在水平方向上移动的精密移动平台上，使晶锭的下端面紧密贴合移动平台，保持晶锭的断面(上表面)平行于移动平台的表面。

步骤4，采用波长为1064纳米，脉宽为1纳秒的激光器作为激光发生机构。打开激光器，使用NA值(光学系统的数值孔径)为1.3的第一聚焦镜头，将聚焦深度设定为距离晶锭上表面350微米；设定移动平台的第一预设路径，使激光在距离晶锭上表面350微米的目标平面内形成排列成网格状阵列的多个第一焦斑，相邻的第一焦斑在<1-100>方向上的间距为200微米，在<11-20>方向上的间距为200微米。

步骤5，将激光器切换到NA值为0.4的第二聚焦镜头，将聚焦深度设定为距离晶锭上表面350微米；设定移动平台的第二预设路径，使激光在该距离晶锭上表面350微米的目标平面内形成多个第二焦斑，其中，第一焦斑所形成的网格状阵列中的每个网格内至少形成一个第二焦斑；多个第二焦斑形成沿解理面扩展的多个解理面裂纹，每个解理面裂纹在延伸至遇到其周围的第一焦斑时停止扩展。

步骤6，将晶锭转移到多孔陶瓷真空吸附载台上，使载台以100rpm的速度自转；采用刃厚为0.3毫米，转速为30000rpm的砂轮切割烧蚀层的外周部分；砂轮设置在晶锭的侧方，起始状态时砂轮与晶锭不接触，并且，砂轮以大致0.5mm/s的速度缓慢接近晶锭，接触晶锭后在径向R上伸入晶锭内1mm。

步骤7，采用多孔陶瓷真空吸盘吸附到晶锭的上端面，轻微移动真空吸盘，分离并取下晶圆。

步骤8，首先使用8000#的砂轮，对取下的晶圆的烧蚀层所在的端面(简称烧蚀面)进行机械抛光；之后采用粒径20nm的硅溶胶对晶圆的端面进行化学机械抛光，使得端面的表面粗糙度小于0.3nm；之后通过RCA清洗工艺，得到可用于外延的晶圆。

步骤9，用10000#砂轮对激光烧蚀分离之后的晶锭的烧蚀面进行机械抛光，获得粗糙度为2nm的光学级光滑端面。

之后，对上述步骤3至步骤9重复执行28次(假设最后一次分离后剩下的晶锭可直接对应一片晶圆)，能加工出可用于外延生长的epi-ready(开盒即用)的SiC晶圆30片。

(实施例二)

步骤1，使用PVT法生长出在轴向A上高度为25mm、直径为6英寸的SiC晶锭；对该晶锭进行定向，磨出<11-20>面和朝<11-20>方向偏4度的<0001>面；将<0001>面作为其中一个圆端面加工出一个标准圆柱体；得到的晶锭的标准圆柱体的在轴向A上的高度为23mm。

步骤2，使用20000#砂轮对晶锭的上端面进行抛光，获得光学级的光滑端面(上端面的表面粗糙度为1nm)。

步骤4，采用波长为1064纳米，脉宽为150飞秒的激光器作为激光发生机构。打开激光器，使用NA值(光学系统的数值孔径)为1.5的第一聚焦镜头，将聚焦深度设定为距离晶锭上表面350微米；设定移动平台的第一预设路径，使激光在该距离晶锭上表面350微米的目标平面内形成排列成网格状阵列的多个第一焦斑，相邻的第一焦斑在<1-100>方向上的间距为400微米，在<11-20>方向上的间距为400微米。

步骤5，将激光器切换到NA值为0.3的第二聚焦镜头，将聚焦深度设定为距离晶锭上表面350微米；设定移动平台的第二预设路径，使激光在该距离晶锭上表面350微米的目标平面内形成多个第二焦斑，其中，第一焦斑所形成的网格状阵列中的每个网格内至少形成一个第二焦斑；多个第二焦斑形成沿解理面扩展的多个解理面裂纹，每个解理面裂纹在延伸至遇到其周围的第一焦斑时停止扩展。

步骤6，将晶锭转移到多孔陶瓷真空吸附载台上，使载台以150rpm的速度自转；采用刃厚为0.2毫米，转速为20000rpm的砂轮切割烧蚀层的外周部分；砂轮设置在晶锭的侧方，起始状态时砂轮与晶锭不接触，并且，砂轮以大致0.5mm/s的速度缓慢接近晶锭，接触晶锭后在径向R上伸入晶锭内0.5mm。

步骤8，首先使用20000#的砂轮，对取下的晶圆的烧蚀层所在的端面(简称烧蚀面)进行机械抛光；之后采用粒径10nm的硅溶胶对晶圆的端面进行化学机械抛光，使得端面的表面粗糙度小于0.2nm；之后通过RCA清洗工艺，得到可用于外延的晶圆。

步骤9，用20000#砂轮对激光烧蚀分离之后的晶锭的烧蚀面进行机械抛光，获得粗糙度为1nm的光学级光滑端面。

之后，对上述步骤3至步骤9重复执行56次(假设最后一次分离后剩下的晶锭可直接对应一片晶圆)，加工出可用于外延生长的epi-ready(开盒即用)的SiC晶圆58片。

应当理解，对于上述两个实施例中任一个实施例，其中步骤的序号不用于完全限定步骤的执行顺序，部分步骤的执行顺序是可以调整的。例如，步骤4和步骤5可以同时执行，或者步骤5可以先于步骤4执行，当步骤5先于步骤4执行时，解理面裂纹形成时第一焦斑还未形成，因此在第一焦斑形成后，可能表现为部分解理面裂纹超出相邻的第一焦斑。又例如，也可以先重复执行步骤3至步骤5若干次，连续形成多个烧蚀层，之后再重复执行步骤6至步骤9若干次，将之前连续形成的多个烧蚀层所界定的多个晶圆分离开。

图17示出了根据本申请的一个实施例的晶圆分离方法。其包括：

以一个或多个烧蚀层为界限，将晶锭分成至少两个部分。

其中，每个烧蚀层的形成包括：

用激光聚焦于一个目标平面，在晶锭内形成多个第一焦斑，每个第一焦斑的中心位于目标平面，第一焦斑在轴向上的尺寸大于第一焦斑在其它方向上的尺寸，多个第一焦斑排成网格状阵列，且每个第一焦斑形成为每个网格的边界的一部分；

保持激光所聚焦的目标平面不变，在晶锭内形成多个第二焦斑，每个第二焦斑的中心位于目标平面，每个网格内形成至少一个第二焦斑，每个第二焦斑引发晶锭形成一个沿晶锭的解理面延伸的解理面裂纹。

下面简单说明本申请的上述实施方式的部分有益效果。

(i)本申请在对晶锭烧蚀的过程中，引入了能起到裂纹抑制作用的第一焦斑，从而能控制第二焦斑产生的解理面裂纹的尺寸，使最终产生的烧蚀面形状可控且粗糙度较小，晶圆不容易碎裂，且加工过程中的材料损耗少。

(ii)由于烧蚀层的粗糙度较小，能减少抛光过程中的耗材(例如砂轮)的数量，且能节约抛光过程的时间成本。

(iii)在考虑到激光对晶锭的边缘烧蚀不完全的情况下，增加切割烧蚀层的外周部分的步骤，从而能方便晶圆与晶锭完全分离，避免了边缘裂纹由于未完全分裂而在外力作用下被撕裂或形成碎裂。

(iv)根据试验，对于轴向厚度为23mm的SiC晶锭，若采用背景技术中介绍的多线加工技术，加工出单片晶圆所损耗的SiC材料厚度约为300um，则该晶锭可加工得到35片最终厚度为350微米的SiC晶圆；若采用背景技术中介绍的激光分离技术，加工出单片晶圆所损耗的SiC材料厚度约为150um，则该晶锭可加工得到50片最终厚度为350微米的SiC晶圆；而采用根据本申请的分离方法，加工出单片晶圆所损耗的SiC材料厚度约为50um，因此可加工得到57片最终厚度为350微米的SiC晶圆。且与前两种方法相比，采用根据本申请的分离方法在加工过程中，抛光步骤的材料损耗减少约40％。

本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。以上的具体实施方式，不用于限制本申请的保护范围，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，例如：

(i)本申请不仅限于处理SiC晶锭，还能用于处理其它的解理面的方向与晶锭的端面方向存在偏角的单晶材料，例如但不限于GaN、AlN、Ga ₂O ₃和金刚石等。

(ii)本申请不仅限于从晶锭分离出晶圆，还可用于例如对晶锭的其它切割或是对晶圆的减薄处理。

Claims

一种晶圆分离方法，其特征在于，所述晶圆分离方法包括：

以晶锭内的一个或多个垂直于所述晶锭的轴向的目标平面为基准形成一个或多个烧蚀层；以及

以所述一个或多个烧蚀层为界限，将所述晶锭分成至少两个部分；

其中，每个所述烧蚀层的形成包括：

用激光聚焦于一个所述目标平面，

在所述晶锭内形成多个第一焦斑，每个所述第一焦斑的中心位于所述目标平面，所述第一焦斑在所述轴向上的尺寸大于所述第一焦斑在其它方向上的尺寸，所述多个第一焦斑排成网格状阵列，且每个所述第一焦斑形成为每个所述网格的边界的一部分；

在所述晶锭内形成多个第二焦斑，每个所述第二焦斑的中心位于所述目标平面，每个所述网格内形成至少一个所述第二焦斑，每个所述第二焦斑引发所述晶锭形成一个沿所述晶锭的解理面延伸的解理面裂纹。
根据权利要求1所述的晶圆分离方法，其特征在于，所述多个第一焦斑先于所述多个第二焦斑形成，或者

多个所述第一焦斑中的至少部分所述第一焦斑与多个所述第二焦斑中的至少部分所述第二焦斑同时形成。
一种晶圆分离方法，其特征在于，所述晶圆分离方法包括：

以晶锭内的一个或多个垂直于所述晶锭的轴向的目标平面为基准形成一个或多个烧蚀层；以及

以所述一个或多个烧蚀层为界限，将所述晶锭分成至少两个部分；

其中，每个所述烧蚀层的形成包括：

用激光聚焦于一个所述目标平面，

在所述晶锭内形成多个第二焦斑，每个所述第二焦斑的中心位于所述目标平面，每个所述第二焦斑引发所述晶锭形成一个沿所述晶锭的解理面延伸的解理面裂纹；

在所述晶锭内形成多个第一焦斑，每个所述第一焦斑的中心位于所述目标平面，所述第一焦斑在所述轴向上的尺寸大于所述第一焦斑在其它方向上的尺寸，所述多个第一焦斑排成网格状阵列，每个所述第一焦斑形成为每个所述网格的边界的一部分，每个所述网格内具有至少一个所述第二焦斑。
根据权利要求1至3中任一项所述的晶圆分离方法，其特征在于，所述第一焦斑和所述第二焦斑中任一者的形成方法包括：

将所述晶锭置于活动平台，使所述激光聚焦于一个所述目标平面内，移动所述活动平台，使聚焦位置在所述晶锭的周向和/或径向上发生变化。
根据权利要求1至4中任一项所述的晶圆分离方法，其特征在于，所述第二焦斑在与所述晶锭的解理面平行的方向上的尺寸大于所述第二焦斑在其它方向上的尺寸。
根据权利要求1至5中任一项所述的晶圆分离方法，其特征在于，所述第一焦斑和/或所述第二焦斑由多个圆形焦斑首尾相连而形成为长条形。
根据权利要求1至6中任一项所述的晶圆分离方法，其特征在于，相邻的两个所述解理面裂纹分别与至少一个所述第一焦斑在所述轴向上的两个端部相接。
根据权利要求1至7中任一项所述的晶圆分离方法，其特征在于，用于生成所述第一焦斑的光学系统的数值孔径大于用于生成所述第二焦斑的光学系统的数值孔径。
根据权利要求1至8中任一项所述的晶圆分离方法，其特征在于，所述以所述一个或多个烧蚀层为界限，将所述晶锭分成至少两个部分包括：

以一个所述烧蚀层为分离界限，将位于所述烧蚀层的一侧的晶圆与位于所述烧蚀层另一侧的所述晶锭分离开。
根据权利要求1至8中任一项所述的晶圆分离方法，其特征在于，所述以所述一个或多个烧蚀层为界限，将所述晶锭分成至少两个部分包括：

连续地将所述多个所述烧蚀层所划分的多个晶圆与所述晶锭分离开，其中，

所述多个所述烧蚀层是连续地在所述晶锭内依次形成的，对于由同一个激光来源位置所形成的多个所述烧蚀层，后形成的所述烧蚀层比先形成的所述烧蚀层更靠近所述激光来源位置。
根据权利要求9或10所述的晶圆分离方法，其特征在于，取下所述晶圆包括：

切割所述烧蚀层的外周边缘，使所述晶圆的外周部与所述晶锭分离开。
根据权利要求11所述的晶圆分离方法，其特征在于，所述切割所述烧蚀层的外周边缘包括：

使所述晶锭绕其轴线转动，用切割装置去除所述烧蚀层的所述外周边缘的晶体材料。
根据权利要求11或12所述的晶圆分离方法，其特征在于，取下所述晶圆还包括：

将吸盘吸附于所述晶圆的轴向端面，使所述吸盘带着所述晶圆离开所述晶锭。
一种晶圆分离装置，其特征在于，所述晶圆分离装置用于使用根据权利要求1至13中任一项所述的晶圆分离方法从所述晶锭分离出一个或多个晶圆，所述晶圆分离装置包括：

激光发生机构，用于形成所述第一焦斑和所述第二焦斑；

活动平台，用于承载所述晶锭，并带动所述晶锭做平动和/或绕所述晶锭自身轴线的转动；和

晶圆取下机构，用于将所述晶圆与所述晶锭分离开。
根据权利要求14所述的晶圆分离装置，其特征在于，所述晶圆取下机构包括切割装置，所述切割装置用于在所述烧蚀层的外周边缘切割所述晶锭。
根据权利要求15所述的晶圆分离装置，其特征在于，所述切割装置为激光刀或砂轮。
根据权利要求14至16中任一项所述的晶圆分离装置，其特征在于，所述晶圆取下机构包括吸盘，所述吸盘能够移动到所述晶锭的轴向端部，以吸取和转移所述晶圆。
根据权利要求14至17中任一项所述的晶圆分离装置，其特征在于，所述晶圆分离装置还包括抛光机构，

所述抛光机构用于抛光所述晶圆的所述烧蚀层所在的轴向端面，和/或

所述抛光机构用于抛光所述晶锭的所述烧蚀层所在的轴向端面。