CN217628735U - 一种超声辅助剥离装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声辅助剥离装置，包括：具有两个对应工作面的拉压固定杆和振幅调节杆，所述两个工作面为相互平行的斜面结构，分别用于与待剥离件的两个端面固定；固定连接在振幅调节杆另一端的超声波换能器；驱动振幅调节杆和拉压固定杆轴向相对移动的驱动机构；所述拉压固定杆和振幅调节杆同轴或者中心轴平行设置。本实用新型通过设置剥离表面与剥离力方向的倾斜夹角，增加剥离侧向力，同时以超声振荡作为辅助，使激光改质后形成内部改质层晶锭或晶片以更小的力分离。利用本实用新型能够针对激光加工后的晶锭实现高质量、快速、快捷、简便的晶圆片剥离方式，这在SiC、金刚石等新一代半导体材料的晶圆加工中广阔应用前景。

Description

一种超声辅助剥离装置

技术领域

本实用新型属于将晶片剥离技术领域，具体为将固体材料一分为二的剥离方法。

背景技术

在半导体行业中，为了从晶锭中分离晶片，通常采用传统线切割方式从晶锭直接获得晶片，对于一些硬度比较大且比较昂贵的固体材料(比如SiC、金刚石等)，线切割不仅生产效率低，而且会造成很大的损耗。

为了提高效率，减小损耗，采用激光加工的方法，先在晶锭内部产生改质层，然后再将晶锭和晶片分离。但是受限于当前激光工艺和待分离固体材料不同，直接剥离所需要的力很大。山野洋平等人在单晶SiC晶片精密激光切割技术研究报告(Y.YAMADA,T.IKEDAand J.IKENO:Precision laser slicing technology for single crystal SiC wafer1st report:Study on slicing method considering kerf-loss,J.Jpn.Soc.Abras.Technol.,64,12(2020)635(in Japanese).10.11420/jsat.64.635)中提到：剥离扫描间距为20μm的1cm²的SiC方片所需力为11.1MPa即1110N，剥离扫描间距为40μm的SiC晶片所需力为25MPa即2500N，如果在这个量级的剥离应力情况下剥离6寸的晶圆，将需要极其庞大的设备，且不可避免地使晶圆的面型变差，严重时发生裂片。由此可见剥离技术是当前半导体材料激光切片技术实现产业化的关键技术之一。

公布号为CN 113714649 A，名称为晶片的制造方法的专利文献中，提供了一种晶片分离方法，利用热膨胀系数不同的材料在温度变化时的热胀冷缩作用在晶片内部产生应力促进晶片分离，但是在使用固态胶体材料加热至液态或者熔融态时粘结层粘力会降低不能和晶片紧密粘合，在冷却过程胶体热胀冷缩变形，应力很难传递到改质层，因此这种方法稳定性较差，激光加工后的晶圆剥离成功率较低，对温控和材料的要求太高，导致工程化和产品化难以实现。

公布号为CN 111889896 A，名称为一种超声协同激光的晶锭剥离方法的专利文献公开了一种典型超声辅助剥离晶片的方法，该方法存在如下缺陷：一方面，对于剥离厚度为200-600μm的晶锭，改质层厚度通常小于50μm，超声波工具头对晶锭侧面施加超声时，很难实现精准对准。在没有精准对准的情况下，超声施力在晶锭非改质层部位。在对改质层进行振动时导致待剥离晶圆和晶锭两部分是同时振动的，改质层没有受力，难以在水平面形成裂纹拓展。另外一个方面，一般的晶锭均带有切边结构，并不是完整的圆柱形，当切边运动到超声波工具头内弧面时，该部分无法与超声波工具头贴合，无法形成有效振动，因此这种方法在实际设备中难以实现，无法应用到激光加工后的晶圆剥离过程中。

公布号为CN103579042A，名称为将接合的晶圆分离的系统及方法的专利文献中，提供了一种用于将接合晶圆分离的系统，通过对接合晶圆施加剪切力的方式进行分离，但是分离过程中需要使用两套真空装置用于固定上下表面，并通过两套伺服电机和滚珠丝杆分别将结合的上下晶圆沿相反方向扭转，因此其剪切力的产生需要昂贵的外部机构，对于一些结合力比较大的晶圆，吸盘固定容易脱落导致分离失败。此外，由于激光加工后的晶圆内部仍有较强的连接力，仅凭扭转需要很大的扭矩，会导致设备庞大，且会导致晶圆片的面型受损、翘曲增加，严重时导致裂片，因此单纯的剪切力分离无法应用于激光加工后的晶圆的分离。

面向激光加工后的晶圆剥离需求，当前已公开的方案中都无法实现高质量、快速、快捷、简便的有效剥离方式，因此急需要提出一种新的方案以解决这个问题。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于超声辅助的晶片剥离装置和方法。针对剥离力比较大的待剥离材料，与传统单纯施加拉力或者扭转分离相比，剥离所需要的力更小，且剥离面裂纹较为平整，不会产生裂片。

一种超声辅助剥离装置，包括：

具有两个对应工作面的拉压固定杆和振幅调节杆，所述两个工作面为相互平行的斜面结构，分别用于与待剥离件的两个端面固定；

固定连接在振幅调节杆另一端的超声波换能器；

驱动振幅调节杆和拉压固定杆轴向相对移动的驱动机构；

所述拉压固定杆和振幅调节杆同轴或者中心轴平行设置。

本实用新型中，所述拉压固定杆和振幅调节杆一端均设有一个倾斜的工作面，两个工作面对应设置，用于实现对待剥离件的两个端面的固定。实际安装时，需要首先将待剥离件的两个端面分别与拉压固定杆和振幅调节杆一端固定，然后再将拉压固定杆固定，然后在振幅调节杆另一端连接超声波换能器；最后移动驱动机构的输出端位置，当移动至适当位置后，将振幅调节杆、超声波换能器与驱动机构输出端(和测力传感器)固定。

所述超声波换能器一般与另外的超声波发生器相连，用于实现将电能转化为超声机械能，产生的机械能沿振幅调节杆传输至待剥离件中，实现辅助剥离。本实用新型采用轴向传输的超声波，避免了现有技术中存在的水平方向超声波难于对准改质层的问题。

本实用新型采用斜面结构的工作面，保证在施加轴向作用力时，在待剥离件的改质层上产生两个方向的作用力，一个是垂直于该改质层的拉伸应力，一个是沿改质层所在平面向外的剪切应力，不需要外部装置提供扭力即可达到同样效果，系统更为简单。

作为优选，当振幅调节杆和拉压固定杆竖直设置时，所述两个工作面与水平面的夹角为25°～50°。作为进一步优选，当振幅调节杆和拉压固定杆竖直设置时，所述斜面结构与水平面的夹角在30°～45°之间，改质层更容易沿水平面扩展，剥离面更为平整。

所述驱动机构可以采用各种能够输出位移能的装置或者部件。作为优选，所述驱动机构为伺服电机，进一步优选为丝杆电机。

作为进一步优选，还包括底座、固定在底座两侧的导轨、滑动设置在导轨顶部的横梁，该横梁与驱动机构的输出端相连(当选择丝杆电机时，该横梁与丝杆电机的丝杆螺纹配合，将丝杆的转动转化为横梁的轴向移动)；所述拉压固定杆底端固定在所述底座上；所述超声波换能器和振幅调节杆固定在所述横梁上。

作为优选，还包括计算机，通过计算机控制所述驱动机构的运行以及拉力或压力极限值。

作为优选，还包括设置在驱动机构与振幅调节杆之间的测力传感器，该测力传感器用于检测振幅调节杆所受压力或拉力，并根据压力值或拉力值对驱动机构进行反馈控制。可以利用相连的计算机设定额定的压力或者拉力值，当驱动机构施加的作用力超过额定值时，计算机控制驱动机构停止运行，从而保证振幅调节杆所受压力或者拉力不再继续增加。

实际安装时，可以在横梁和振幅调节杆之间设置测力传感器和超声波换能器，并可以通过螺栓(或者其他连接件或连接结构)连接。同时可以利用电脑(或计算机)控制振幅调节杆受到的拉力的大小。同时利用测力传感器可以实时读取装置施加的拉力。

一般情况下，振幅调节杆和拉压固定杆可以选择竖直设置。拉压固定杆底端与所述底座固定，顶端设有所述的工作面；振幅调节杆底端设有所述的工作面，顶端与超声波换能器一起与横梁固定。

作为优选，通过伺服电机(丝杆电机)控制滚珠丝杆的转动带动移动横梁上下移动，进而带动振幅调节杆上下移动对晶锭或晶片施加拉力。

作为一种选择，可以通过计算机(或者电脑)控制所述丝杆电机。

作为优选，所述振幅调节杆和拉压固定杆内，沿轴向设置有多个通孔结构。本实用新型实际使用时，一般可以采用粘接剂实现对待剥离件的固定。在加工完成后，需要去除粘接剂时，可以采用有机溶剂将粘接剂溶解去除。采用该技术方案，在利用有机溶剂去除粘接剂时，有机溶剂可通过通孔结构接触粘结面加速粘结剂的溶解，便于取下剥离的晶片。同时，也解决了现有技术采用的AB胶普遍存在去胶困难的问题。所述通孔结构的横截面形状可以为圆形，方型，菱形等，没有严格限制。

作为优选，所述振幅调节杆或/和拉压固定杆内，所述通孔结构均匀分布。作为进一步优选，在工作面所在的平面上，通孔截面面积不小于工作面的30％。

所述超声波换能器一端连接超声波发生器，另外一端连接振幅调节杆使其在轴向振动，超声波频率为10～30kHz(优选20kHz)，振幅调节杆振幅范围为5-10μm。

作为优选，还包括拉压固定座，所述拉压固定杆底部固定在拉压固定座上。作为进一步优选，所述拉压固定座固定在所述底座上。底座上设有多个固定孔位，可以利用螺栓件等实现拉压固定座相对底座的固定。同时多个孔位，方便拉压固定座位置的调整。

作为优选，所述振幅调节杆和拉压固定杆由钛合金或者7075航空铝加工而成。

一种利用上述任一项技术方案所述的超声辅助剥离装置进行剥离的方法，包括如下步骤：

(1)将待剥离件的两个端面分别固定(比如利用粘接剂实现固定)在振幅调节杆和拉压固定杆的工作面上；

(2)固定拉压固定杆、振幅调节杆；

(3)驱动机构对振幅调节杆施加轴向远离的拉力或压紧的压力，同时超声波换能器对剥离件产生超声振动；超声波换能器施加的超声振动作用使剥离件受到拉力和压力的波动力；

可选择的调节超声振幅，完成对待剥离件的剥离。

本实用新型使用的所述粘结剂为结构胶，可快速固化，并可溶于有机溶剂；作为优选，采用的粘接剂为AB胶。

作为更为具体的技术方案，一种基于超声辅助的晶片剥离方法，包括以下步骤：

(1)将待剥离试件通过粘接剂(比如AB胶)固定在振幅调节杆和拉压固定杆上；

(2)振幅调节杆连接超声波换能器，将拉压固定杆固定在拉压固定座上；

(3)丝杆电机施加恒定的拉力或者压力；

(4)超声波发生器设定振动方式和振幅后开启；

(5)待剥离试件在拉力和超声作用下分离。

作为优选，所述待剥离件为具有改质层的晶锭或晶片；作为进一步优选，所述待剥离件为具有激光改质层的晶锭或晶片。晶锭或晶片经过激光加工在内部距离表面某深度的水平面上产生一层改质层或裂纹。

本实用新型的剥离方法，采用将待剥离试件(晶锭或晶片)通过粘接剂固定在振幅调节杆和拉压固定杆上；然后对振幅调节杆施加向上的拉力或向下的压力，同时施加水平方向或轴向的超声作用；最后通过调节超声振幅，使得裂纹充分扩展，最终剥离晶片。操作简单，剥离效率高。

本实用新型中，丝杆电机可提供5N-10000N的拉力，作为优对试件施加固定的较小拉力，避免拉力过大剥离瞬间受力不均匀导致裂片。也可以通过控制软件设置以较低频率波动的拉力或压力，拉力或压力值为任意波形的力，能够使待剥离件以更小的力剥离。

本实用新型中，超声采用强迫振动方式，使得振幅保持稳定。

本实用新型中，超声波换能器与振幅调节杆可以通过螺栓连接，振幅调节杆和拉压固定杆采用钛合金或者7075航空铝，能够将电能高效的转化为机械能且振幅稳定。

本实用新型通过设置剥离表面与剥离力方向的倾斜夹角，增加剥离侧向力，同时以超声振荡作为辅助，使激光改质后形成内部改质层的晶锭或晶片以更小的力分离。该实用新型公开了该方法剥离的系统、流程、剥离参数和结果对比，体现了优越性，证明能够针对激光加工后的晶锭实现高质量、快速、快捷、简便的晶圆片剥离方式，这在SiC、金刚石等新一代半导体材料的晶圆加工中广阔应用前景。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、采用带有斜角的工作面固定试件，仅需利用驱动机构施加垂直方向拉力，即可使改质层同时受到剪切应力和拉伸应力，无需设计复杂扭转结构。

2、在改质层内部受力的情况下进行超声作用，可以更好的引导改质层内裂纹沿着受力方向拓展，减小剥离力并能改善剥离质量。

附图说明

图1为实施例中晶片剥离流程示意图；

图2为实施例中采用的装置示意图；

图3为实施例中待剥离试件安装结构局部放大示意图；

图4为振幅调节杆和拉压固定杆轴向截面结构示意图；

图5为本实施例中采用的待剥离的晶片的结构示意图；

图6为实施例中采用的待剥离试件的改质层的放大图；

图7为剥离后晶片结构示意图；

图8为剥离后试件改质面粗糙度检测示意图；

图9为从晶锭上剥离多片晶圆示意图。

具体实施方式

实施例1

为使本实用新型的技术方案和优点更清晰，在工艺验证阶段选激光加工过的尺寸为14mm*14mm*1mm的SiC晶片作为待剥离件400(图2)，其内部某一深度有一层飞秒激光以40μm的间距沿水平面往复扫描产生的尺寸为14mm*14mm*0.05mm的改质层(飞秒激光聚焦深度500μm，扫描间距40μm)，现结合附图和实施例对本实用新型进行进一步阐述：

如图2所示，一种超声辅助的晶片剥离装置，包括：具有两个对应工作面(上工作面100a和下工作面100b)的振幅调节杆200和拉压固定杆500，两个工作面为相互平行的斜面结构，分别用于与待剥离件400的两个端面固定；固定连接在振幅调节杆200另一端的超声波换能器170；驱动振幅调节杆和拉压固定杆轴向相对移动的驱动机构(本实施例中选用步进电机130)；所述拉压固定杆和振幅调节杆同轴或者中心轴平行设置。驱动机构采用丝杆电机和同步带带动两个丝杆驱动。

图2中，同时还包括：底座180、固定在底座两侧的导轨190a和190b、滑动设置在导轨上的横梁150。横梁150两侧底端与丝杆140a和140b的螺纹配合固定，横梁150中部利用螺栓等与测力传感器160、超声波换能器170和振幅调节杆200固定。超声波换能器输入端与超声波发生器110连接。实际安装时，测力传感器160与横梁150底端连接固定；超声波换能器170固定在测力传感器160与振幅调节杆200顶端之间。其中一个丝杆140与丝杆电机130输出轴相连，同时丝杆140a和丝杆140b通过同步带131相连，进行同步转动。

图2中，上工作面100a和下工作面100b与水平面的夹角可以为30～45°。比如可以是30°、35°、40°、45°等。下面分别以斜角角度为45°、30°为例进行说明。

如图1所示：一种采用图2所示装置的超声辅助的晶片剥离方法，包括以下步骤：

S10:结合图2、图3、图4和图5，将待剥离件上表面420和下表面440通过粘接剂300分别固定在振幅调节杆200和拉压固定杆500上的上工作面100a和下工作面110b上，本实施例中，粘接剂300选用环氧体系的AB胶，粘接剂300主要起将待剥离件400固定的作用。AB胶和待分离晶片(待剥离件)表面粘结强度较大，变形较小，受力时拉力更容易传递到改质层。为方便去胶，振幅调节杆200和拉压固定杆500沿轴向设有通孔结构210，方便后续去胶时去胶剂可通过通孔渗入粘结面，从而更容易去胶；

S20:待剥离件400上下两面分别与振幅调节杆200和拉压固定杆500连接好后，安装振幅调节杆200，将拉压固定杆500固定在底座上，随后通过计算机120设定15N的初始拉力，控制伺服电机带动丝杆140a和丝杆140b转动，进而带动横梁150上升，使得振幅调节杆200受到15N的拉力(F)，因振幅调节杆200和拉压固定杆500的工作面带有斜角，且斜角角度为45度，待剥离件400内的改质层430分别受到10.6N的拉伸应力(F_y)和10.6N的剪切应力(F_x)，不需要外部装置提供扭力即可达到同样效果，系统更为简单。

S30：将超声波发生器110频率调为20kHz，超声波发生器的电能通过超声波换能器170转化为机械能，超声波换能器170振幅设置为5μm，超声在拉伸应力和剪切应力的引导下振动，AB胶比晶片内部裂纹结合力更大，所以改质层更容易裂开，在超声持续作用下内部裂纹431逐渐变大，未形成裂纹的区域432逐渐变小，期间不断增大超声振幅，超声振幅调节为7μm(时间为30s)时试件成功分离，15N为该试件的剥离力；待剥离件400在拉伸力和剪切力的作用下分离为件一421和件二441两部分。使用表面轮廓仪KLA-Tencor P7分别在件一421和件二441对应的改质面一422和改质面二442选定测量区域510后，确认探针测量起始位置511和测量方向512后，探针开始扫描得到扫描结果520，根据扫描位置台阶曲线521由软件自动计算得出表面粗糙度，改质面一422粗糙度为52.57nm，改质面二442粗糙度为62.17nm；

实际应用时，针对其他结合力更强的待剥离件，若在15N作用下，通过调节超声振幅(从5μm到7μm)且超声作用30s试件仍未分离，则需要继续增大拉力，重复超声振幅调节过程，直至试件分离记录最终剥离力和剥离振幅。

为排除随机数据对实施例的影响，选用同一批次的SiC晶片，按照500μm(深度和上述第一片一致)聚焦深度和40μm扫描间距的激光工艺，对其内部进行激光改质，另外做了1组试验：

试件2：在剥离拉力为25N，超声振幅为7μm，振幅调节杆和拉压固定杆斜角角度为30度时，SiC试件成功剥离，经过表面轮廓仪测得两个改质面粗糙度分别为336.38nm、290.59nm。

作为对比，另外选择两片同一批次且激光加工工艺相同的SiC试样，上下两面通过AB胶水固定在端面没有倾角的振幅调节杆和拉压固定杆上，不施加超声作用，直接通过电机驱动丝杆转动，使得横梁以20mm/min的速度向上移动，直至晶片一分为二，记录剥离瞬间的力作为剥离力：

试件3：直接剥离力为325N，台阶仪测得剥离后两个改质面粗糙度分别为12.82μm、23.36μm。

试件4：直接剥离力为431N，且分离后其中一片有碎角，台阶仪测得剥离后两个改质面粗糙度分别为23.43μm、23.25μm。

本实用新型经过大量重复试验，在拉力为25N和振幅为7μm时(工作面倾角为45°)，施加超声30s内即可实现晶片的高质量分离。晶片剥离力与晶片大小尺寸呈线性关系，对于相同激光工艺和待剥离固体材料，针对以上四组试验的试验结果推算剥离4寸和6寸晶圆的剥离力对比如下表所示：

以上结果表明，本实用新型所采用装置剥离激光改质后的SiC试样所需剥离力比水平固定直接施加垂直拉力剥离所需的剥离力更小，可大幅减小剥离晶圆所需拉力，进而减小因剥离力过大导致的裂片风险。

实施例2：

根据实施例1，根据不同材料(例如碳化硅、金刚石等等)的晶锭，针对性优化激光参数，激光加工后采用相应的优化后的剥离力、超声参数，按照与实施例1相同方法流程从晶锭600上剥离出晶圆601、晶圆602、晶圆603等，晶锭600通常为圆柱形，直径通常为100mm-200mm，厚度会随着剥离晶圆数量的增加而减少。

Claims (7)

1.一种超声辅助剥离装置，其特征在于，包括：

具有两个对应工作面的拉压固定杆和振幅调节杆，所述两个工作面为相互平行的斜面结构，分别用于与待剥离件的两个端面固定；

固定连接在振幅调节杆另一端的超声波换能器；

驱动振幅调节杆和拉压固定杆轴向相对移动的驱动机构；

所述拉压固定杆和振幅调节杆同轴或者中心轴平行设置。

2.根据权利要求1所述的超声辅助剥离装置，其特征在于，当振幅调节杆和拉压固定杆竖直设置时，所述两个工作面与水平面的夹角为25°～50°。

3.根据权利要求1所述的超声辅助剥离装置，其特征在于，所述振幅调节杆和拉压固定杆内，沿轴向设置有多个通孔结构。

4.根据权利要求3所述的超声辅助剥离装置，其特征在于，所述振幅调节杆和拉压固定杆内，所述通孔结构均匀分布。

5.根据权利要求1所述的超声辅助剥离装置，其特征在于，还包括底座、固定在底座两侧的导轨、滑动设置在导轨顶部的横梁，该横梁与驱动机构的输出端相连；所述拉压固定杆底端固定在所述底座上；所述超声波换能器和振幅调节杆固定在所述横梁上。

6.根据权利要求1所述的超声辅助剥离装置，其特征在于，还包括设置在驱动机构与振幅调节杆之间的测力传感器，该测力传感器用于检测振幅调节杆所受压力或拉力，并根据压力值或拉力值大小对驱动机构进行反馈控制。

7.根据权利要求1～6任一项所述的超声辅助剥离装置，其特征在于，所述驱动机构为丝杆电机。

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