一种激光剥离碳化硅晶锭的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种激光剥离碳化硅晶锭的方法及装置，该方法先将超短脉冲激光光束透过碳化硅晶锭的第一端面后聚焦在碳化硅晶锭的设定深度层，在设定深度层的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域，并扫描形成空洞改质层和裂纹改质层。再将短脉冲激光光束透过碳化硅晶锭的第二端面后聚焦在空洞改质形成区域，在空洞改质形成区域散射传播，使短脉冲激光光束的热量作用于空洞改质形成区域，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长，并扫描使空洞改质层中相邻的空洞改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。减少改质层内的裂纹沿碳化硅晶锭纵向扩展的量和长度，增加横向裂纹生长的数量和裂纹生长长度，减少切割损耗厚度，减少浪费。减少浪费。减少浪费。

【技术实现步骤摘要】
一种激光剥离碳化硅晶锭的方法及装置


[0001]本专利技术涉及碳化硅晶锭
，尤其涉及一种激光剥离碳化硅晶锭的方法及装置。

技术介绍

[0002]在第三代半导体材料中，SiC(碳化硅)具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子漂移速度高、热导率大等特点，可应用于1200伏特以上的高压环境，因此在严苛环境中有着明显优势。其中，SiC衬底加工技术是器件制作的重要基础，其表面加工的质量和精度的优劣，直接影响外延薄膜的质量及其器件的性能，因此在其应用中均要求晶片表面超光滑、无缺陷、无损伤，表面粗糙度值达纳米级以下。
[0003]然而，由于SiC晶体具有高硬、高脆、耐磨性好、化学性质极其稳定的特点，这使得SiC晶片的加工变得非常困难。SiC单晶片的超精密加工工艺，按照其加工顺序，主要经历以下几个过程：定向切割、研磨(粗研磨、精研磨)、抛光(机械抛光)和超精密抛光(化学机械抛光)。
[0004]传统方法中切割是将SiC晶棒沿着一定的方向切割成晶体薄片的过程。将SiC晶棒切割成翘曲度小、厚度均匀、低切损的晶片，对于后续的研磨和抛光至关重要。与传统的内圆、外圆切割相比，多线切割具有大切削速度、高加工精度、高效率和较长的寿命等优点，已广泛应用于晶片的高效切割。多线切割工艺是将晶锭按照一定的晶向，将晶锭切割成厚度不超过1mm、表面平整、厚度均匀一的切割片，以便于后面的研磨加工。其基本原理是优质钢线在晶锭表面高速来回运动，附着在钢丝上的切割液中的金刚石颗粒对晶锭产生剧烈摩擦，使得材料碎裂并从母体表面脱落，达到切割的效果。其缺点是切割磨损高，由于碳化硅的硬度极大，在对其进行切割时加工难度较高且磨损多。昂贵的时间成本和复杂的加工工艺使得碳化硅衬底的成本较高，限制了碳化硅的应用放量。此外，晶片尺寸越大，对应晶体的生长与加工技术难度越大，而下游器件的制造效率越高、单位成本越低。
[0005]现有技术中存在使用激光切割硅锭的技术。但是，一方面，碳化硅晶锭相比硅锭，具有高硬、高脆、耐磨性好、化学性质极其稳定的特点，采用现有激光切割工艺，并不能从碳化硅晶锭切割出很薄的晶片。另一方面，现有激光切割硅锭过程中，先使用激光改质在硅锭内的一定厚度处形成改质层，之后使用激光加热改质层处，使改质层内的裂纹生长扩散，再进行剥离。在此过程中，使用激光改质形成的改质层厚度较厚，后续使用激光加热改质层处时，进行使激光焦点聚焦在改质层内即可，激光焦点上下高度差波动较大，且激光焦点聚焦位置没有进行很好的设计，造成改质层内的裂纹沿硅锭纵向扩展的较长也较多，从而切割损耗厚度较多，造成大量浪费。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种激光剥离碳化硅晶锭的方法及装置，减少改质层内的裂纹沿碳化硅晶锭纵向扩展的量和长度，增加横向裂纹生长的数量和裂纹生长长度，减少切割损耗
厚度，减少浪费。
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种激光剥离碳化硅晶锭的方法，待切割的碳化硅晶锭具有相对的第一端面和第二端面。该激光剥离碳化硅晶锭的方法包括：
[0008]将超短脉冲激光光束透过待切割的碳化硅晶锭的第一端面后，聚焦在碳化硅晶锭的设定深度层位置，以在设定深度层位置的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域；其中，空洞改质形成区域位于设定深度层位置与裂纹改质形成区域之间；
[0009]控制超短脉冲激光光束透过第一端面后，聚焦在碳化硅晶锭的设定深度层并在设定深度层扫描，以在设定深度层位置的上方分别形成空洞改质层和裂纹改质层；其中，空洞改质层由多个空洞改质形成区域组成，裂纹改质层由多个裂纹改质形成区域组成，且空洞改质层位于设定深度层与裂纹改质层之间；
[0010]将短脉冲激光光束透过碳化硅晶锭的第二端面后，聚焦在空洞改质形成区域，并在空洞改质形成区域散射传播，使空洞改质形成区域内的裂纹横向向外生长；
[0011]控制短脉冲激光光束透过第二端面后，聚焦在空洞改质层并在设定深度层扫描，以使空洞改质层中任意相邻的空洞改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起；
[0012]以空洞改质层为界面，将碳化硅晶锭的一部分剥离生成碳化硅晶片。
[0013]在上述的方案中，先采用超短脉冲激光，将超短脉冲激光光束透过碳化硅晶锭的第一端面后，聚焦在碳化硅晶锭的设定深度层位置，以在设定深度层位置的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域，并控制超短脉冲激光光束的焦点在碳化硅晶锭的设定深度层扫描，形成空洞改质层和裂纹改质层。经过超短脉冲级激光隐切加工后，采用脉冲宽度稍宽的短脉冲量级激光，将短脉冲激光光束透过碳化硅晶锭的第二端面之后聚焦在空洞改质形成区域，并在空洞改质形成区域散射传播，从而使短脉冲激光光束的热量主要作用于空洞改质形成区域，使裂纹改质形成区域内的裂纹横向向外生长，并控制短脉冲激光光束的焦点在空洞改质层扫描，以使空洞改质层中任意相邻的空洞改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。
[0014]相比现有采用激光切割硅锭工艺，由于所采用的超短脉冲激光，能够透过碳化硅晶锭的第一端面之后，在超短脉冲激光光束焦点所在的设定深度层位置的上方，分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域，并经过扫描分别形成空洞改质层和裂纹改质层，对现有技术中的改质层进行了细化和区分。之后，采用短脉冲激光光束时，将短脉冲激光光束透过碳化硅晶锭的第二端面之后聚焦在空洞改质形成区域，短脉冲激光光束焦点位置在超短脉冲激光光束焦点位置的上方，而非现有技术的同一深度位置，从而能够在空洞改质形成区域散射传播，使空洞改质形成区域内的裂纹横向向外生长，并经过扫描使空洞改质层中任意相邻的空洞改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起。由于短脉冲激光光束通过第二端面入射到碳化硅晶锭的空洞改质形成区域，无需透过空洞改质形成区域上方的裂纹改质形成区域，从而能够防止裂纹改质形成区域内的裂纹对短脉冲激光光束的散射影响，提高激光能量集中度，从而提高对空洞改质形成区域的加热效率及裂纹延伸效率。而且，在短脉冲激光光束聚焦在空洞改质形成区域，加热空洞改质形成区域的过程中，由于裂纹改质形成区域能够阻挡裂纹的生长，从而能够将空洞改质形成区域内裂纹向上生长的长度限缩在裂纹改质形成区域以下的区间，能够将裂纹纵向生长的长度限缩在一个较小的高度范围内，便于提高裂纹延伸的效率，同时也尽量减少裂纹纵向延伸的程度，尽量减小切片
损耗量。即通过对改质层进行细化区分为空洞改质层和裂纹改质层，之后使短脉冲激光光束透过碳化硅晶锭的第二端面后聚焦在空洞改质层处，将短脉冲激光光束的焦点位置进行更准确合理的设计，不仅使短脉冲激光光束的焦点上下高度差波动小(由于空洞改质形成区域的上下高度差，一定小于裂纹改质形成区域和空洞改质形成区域共同组成的改质层的上下高度差)，而且将短脉冲激光光束的焦点聚焦在改质层优化为聚焦在空洞改质层，通过其上的裂纹改质形成区域阻挡空洞改质形成区域内的裂纹纵向向上生长，将裂纹纵向生长的长度限缩在一个较小的高度范围内，优化了短脉冲激光光束的聚焦位置，减少改质层内的裂纹沿碳化硅晶锭纵向扩展的量和长度，从而将激光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光剥离碳化硅晶锭的方法，待切割的所述碳化硅晶锭具有相对的第一端面和第二端面，其特征在于，所述方法包括：将超短脉冲激光光束透过所述第一端面后，聚焦在待切割的碳化硅晶锭的设定深度层位置，以在所述设定深度层位置的上方分别产生空洞改质形成区域和裂纹改质形成区域；其中，所述空洞改质形成区域位于所述设定深度层位置与所述裂纹改质形成区域之间；控制所述超短脉冲激光光束透过所述第一端面后，聚焦在所述碳化硅晶锭的设定深度层并在所述设定深度层扫描，以在所述设定深度层位置的上方分别形成空洞改质层和裂纹改质层；其中，所述空洞改质层由多个所述空洞改质形成区域组成，所述裂纹改质层由多个所述裂纹改质形成区域组成，且所述空洞改质层位于所述设定深度层与所述裂纹改质层之间；将短脉冲激光光束透过所述第二端面后，聚焦在所述空洞改质形成区域，并在所述空洞改质形成区域散射传播，使所述空洞改质形成区域内的裂纹横向向外生长；控制所述短脉冲激光光束透过所述第二端面后，聚焦在所述空洞改质层并在所述设定深度层扫描，以使所述空洞改质层中任意相邻的空洞改质形成区域内的裂纹通过横向生长连接在一起；以所述空洞改质层为界面，将碳化硅晶锭的一部分剥离生成碳化硅晶片。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，待切割的所述碳化硅晶锭的厚度不大于5mm，且所述设定深度层距离所述第一端面和第二端面的距离均在2～3mm之间。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短脉冲激光光束的脉冲宽度为50ns以上，所述短脉冲激光光束的波长为500
‑
1100nm。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超短脉冲激光光束的脉冲宽度为243fs
‑
900fs，所述超短脉冲激光光束的波长为500
‑
1100nm。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将短脉冲激光光束透过所述第二端面后，聚焦在所述空洞改质形成区域，并在所述空洞改质形成区域散射传播，使所述空洞改质形成区域内的裂纹横向向外生长，包括：调节所述短脉冲激光光束的偏振状态，使得电子传播方向沿着所述碳化硅晶锭的碳化硅晶格方向拓展，形成3
‑5°
的横向生长裂纹。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述超短脉冲激光光束的焦点在所述碳化硅晶锭的设定深度层扫描包括：控制所述超短脉冲激光光束的焦点在所述碳化硅晶锭的设定深度层扫描出多个平行的第一切割道，任意相邻两...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯煜，李曼，张喆，石海燕，张昆鹏，文志东，张紫辰，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：