材料解理中的受控裂纹扩展的入射辐射引起的表面损伤制造技术

一种劈开系统采用成形器、定位器、内部准备系统、外部准备系统、劈刀和修剪机来将工件劈成劈开的制件。所述成形器将工件成形为限定的几何形状。然后，所述定位器定位所述工件，以使得所述内部准备系统可以在所述劈开平面处生成分离层。所述内部准备系统将激光束聚焦在所述工件内部的焦点处，并跨所述劈开平面扫描所述焦点以形成所述分离层。所述外部准备系统在与所述分离层重合的位置处对所述工件的所述外部表面刻痕。所述劈刀通过沿着所述分离层在所述外部表面上扩展所述裂纹来劈开所述工件。所述修剪机根据需要将所述劈开的制件成形为几何形状。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】材料解理中的受控裂纹扩展的入射辐射引起的表面损伤相关申请的交叉引用本申请要求2018年7月26日提交的美国临时申请第62/703,642号的权益，该案的内容通过引用整体并入本文。
本专利技术一般涉及材料处理，并且更具体地，涉及使用入射辐射来准备用于劈开的工件和用于劈开工件。
技术介绍
由于其独特的性质、多方面的应用和现在的广泛使用，半导体是电子和光伏产业中的重要且有价值的材料。半导体通常以晶片形式使用。然而，当前的晶片制造方法是浪费的，并且可能导致高达50％的材料损失。将大的半导体锭/块机械线锯切成薄晶片形式是工业标准，但是由锯切线引起的切缝损失是不可避免的。锯切还会损坏所得晶片的表面，从而导致需要去除受损的材料并随后进行表面精加工以获得许多应用所需的高级晶片。通常使用抛光和机械研磨来对晶片的表面进行精加工，并且这些后处理步骤从晶片去除甚至更多的材料，从而进一步增加了总体材料损失。在半导体晶片的制造期间的高材料损失导致可以被用于应用的半导体材料更少，并且每个晶片的成本更高。可以针对在各种工业中用于各种应用的高级绝缘体(例如诸如氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化镁等)得出类似的论点。经由裂纹扩展来劈开材料工件是当前晶片处理方法的有前途的备选方案，因为它导致很少的材料损失。进一步地，可以看出，这种劈开产生更高质量的晶片表面，从而潜在地减少或消除了对获得高质量表面光洁度的后处理步骤的需要。然而，通过这种解理方法有效地生产晶片是具有挑战性的。
技术实现思路
本专利技术描述了一种与传统技术相比用于使用减小量的力将工件精确地劈成一个或多个劈开的制件的劈开系统。劈开系统包括成形器、定位器、内部准备系统、外部准备系统、劈刀和修剪机。劈开系统可以采用各种方法来形成劈开的制件。例如，成形器将工件成形为限定的几何形状，诸如圆柱体。以此方式，由劈开系统形成的任何劈开的制件可以是限定的几何形状(例如圆形)的横截面。劈开系统确定工件内部的劈开平面的位置。然后，定位器定位工件，以使得内部准备系统可以在劈开平面处生成分离层。为了生成分离层，内部准备系统将激光束聚焦在工件内部的焦点处，从而在机械性质已改变的工件中形成局部区(“覆盖区”)。内部准备系统跨劈开平面扫描激光束，以通过生成许多覆盖区来形成分离层。分离层是工件内的材料层，其在结构上与围绕分离层的材料不同。分离层与周围材料之间的结构差异促进将工件劈成劈开的制件。可以在工件内部形成多于一个分离层。外部准备系统在与分离层重合的位置处对工件的外部表面刻痕。然后，劈刀通过沿着分离层在外部表面上扩展裂纹来劈开工件。更特别地，劈开系统在工件的相对端上施加张力，该张力沿着分离层的不同材料扩展裂纹并且从而生成劈开的制件。修剪机根据需要将劈开的制件成形为任何几何形状。附图说明图1图示了根据一个示例实施例的用于劈开工件的系统。图2图示了根据一个示例实施例的用于劈开工件的劈开系统。图3图示了根据一个示例实施例的内部准备系统。图4图示了根据一个示例实施例的劈刀。图5是根据一个示例实施例的用于劈开工件的过程流程。图6是根据一个示例实施例的用于在工件内部形成分离层的过程流程。图7A-7D图示了根据一个示例实施例的在工件内部形成分离层。图8A图示了根据一个示例实施例的在工件内形成分离层的覆盖区(footprint)。图8B和8C图示了根据一个示例实施例的工件内部的分离层。图9图示了根据一个示例实施例的具有多个分离层的工件。图10A-10B图示了沿着一个分离层140或多个层劈开的工件的示例。附图仅出于说明的目的描绘了本专利技术的各种实施例。本领域的技术人员将从以下讨论容易地认识到，在不脱离本文中所描述的本专利技术的原理的情况下，可以采用本文中所说明的结构和方法的备选实施例。具体实施方式系统概述图1图示了根据一个实施例的用于劈开工件130的系统环境100。环境100包括系统控制器120、劈开系统110和工件130。在环境100内，系统控制器120确定工件130的劈开平面160。系统控制器120控制劈开系统110以沿着劈开平面160在工件130内形成分离层140。为此，劈开系统110在工件130内形成覆盖区150，这些覆盖区便于劈开系统110劈开工件130。然后，系统控制器120控制劈开系统110以沿着分离层140劈开工件。劈开系统图2图示了环境100内的劈开系统110。劈开系统110将工件130劈成两个或更多个制件。当工件130是半导体锭时，劈开系统110可以将半导体锭劈成一个或多个半导体晶片。劈开系统110包括成形器210、定位器220、内部准备系统230、外部准备系统240、劈刀250和修剪机260。成形器210将工件130成形，以使得工件130可以被劈开系统110劈开。将工件130成形可以包括将工件130成形为已知的几何形状，诸如圆柱体、直角棱镜或某种其他形状。在一些示例中，将工件130成形可以包括添加材料或从工件130去除材料。可以通过锯、研磨机、蚀刻过程或可以从工件130去除材料的某种其他仪器或过程来实现从工件130去除材料。可以通过化学气相沉积、热氧化、原子层沉积或将材料添加至工件的任何其他方法来实现将材料添加至工件130。在一些情况下，可以从外部来源或供应商处接收成形工件130。在任何情况下，成形工件130的形状均可以通过劈开系统110被劈开。工件130的形状是基于劈开的制件的期望的形状来选择的。一些示例包括具有圆形、矩形、正方形或伪正方形横截面面积的工件130，以产生该相同形状的制件。在其他示例中，工件130的形状不是产生的制件的形状。为了形成商业上可行的制件(例如晶片)，遵守工业标准可能是优选的。例如，4英寸的圆形晶片是标准化的常用的晶片类型，因此用于形成那些晶片的工件130将是圆柱形的，其横截面为直径为4英寸(或100毫米)的圆。圆形晶片的其他标准直径包括1英寸(25毫米)、2英寸(51毫米)、3英寸(76毫米)、5.9英寸(150毫米)、7.9英寸(200毫米)、11.8英寸(300毫米)和17.7英寸(450毫米)。伪正方形晶片的标准边长包括125毫米和156毫米，它们分别由直径分别为165毫米和210毫米的初始圆柱形件制造。附加地，根据工业标准，工件130可以包括凹口或平坦部。如果材料是单晶的，则这些特征可以指示材料的晶体结构的取向。例如，n掺杂的(100)硅晶片具有彼此平行的两个平坦部，并且可以由圆柱形的工件130制成，该工件具有在圆柱体的长度的相对侧上切割的两个平行平坦部。附加地，在劈刀250已经劈开工件130之后，修剪机260可以将劈开的制件精确地修剪成期望的几何形状。这种情况允许劈开系统110在工件130是一种形状时劈开工件130，但是生成最终几何形状的劈开的制件。例如，劈刀250被配置成劈开正方形的工件130。如此，成形器210将工件130成形为正方形并且将工件130劈成正方形晶片。然而，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于劈开材料的工件的方法，包括：/n使用内部准备系统所生成的激光在所述工件内形成分离层，所述分离层与所述工件的其余材料具有不同材料性质；/n使用外部准备系统对所述工件刻痕以在所述工件的外部表面上的至少一个与所述分离层重合的点处形成裂纹；/n使用劈刀将所述工件劈开以通过在所述工件上生成垂直于所述分离层的至少一部分的张力来形成劈开的制件，所述张力沿着所述分离层扩展所述裂纹。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180726 US 62/703,6421.一种用于劈开材料的工件的方法，包括：
使用内部准备系统所生成的激光在所述工件内形成分离层，所述分离层与所述工件的其余材料具有不同材料性质；
使用外部准备系统对所述工件刻痕以在所述工件的外部表面上的至少一个与所述分离层重合的点处形成裂纹；
使用劈刀将所述工件劈开以通过在所述工件上生成垂直于所述分离层的至少一部分的张力来形成劈开的制件，所述张力沿着所述分离层扩展所述裂纹。


2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
用成形系统将所述工件成形为限定的几何形状，以使得所述劈开的制件具有是所述限定的几何形状的截面的周界。


3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
使用控制器确定所述工件内的劈开表面的位置；
使用定位器定位所述工件，以使得所述劈开表面和所述分离层重合。


4.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述分离层还包括：
将所述激光聚焦到所述工件内部的覆盖区，其中所述激光的脉冲局部地改变在所述覆盖区处的所述工件的所述材料性质。


5.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述分离层还包括：
在所述工件内移动所述激光的焦点以形成所述分离层，所述分离层随着其在所述工件内移动，所述分离层被形成为在所述焦点处的局部改性材料的聚集体。


6.根据权利要求1所述的方法，其中劈开所述工件还包括：
将所述劈刀固定到所述工件的相对端；以及
生成使所述裂纹沿着所述分离层扩展的所述张力，所述张力在所述工件的相对端之间被生成并且垂直于所述分离层的至少所述一部分。


7.根据权利要求6所述的方法，其中所述劈刀被静电固定到所述工件的相对端。


8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
使用修剪机将所述劈开的制件修剪成特定的几何形状。


9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
使用所述激光在所述工件内形成具有不同材料性质的另一分离层。


10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
使用所述劈刀沿着所述另一分离层劈开所述工件，以形成另一劈开的制件。


11.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述激光器是脉冲激光器，并且所述内部准备系统以至少100kHz的重复率生成激光脉冲。


12....

【专利技术属性】
技术研发人员：A·T·伊恩库，C·W·卢比，
申请(专利权)人：哈罗工业公司，
类型：发明
国别省市：美国;US