一种多波长激光耦合剥离半导体材料的设备及方法技术

本发明专利技术公开了一种多波长激光耦合剥离半导体材料的设备及方法，通过将多波长激光耦合辐照至半导体材料内，利用光子能量更高的短波长激光将价带的电子跃迁至导带形成自由电子，随后利用长波长激光对自由电子进行吸收，并产生热应力差，进而诱导半导体材料改质，最终实现剥离，有效地解决了传统机械切割碳化硅损耗大、难度高等问题，同时也解决了已有激光剥离方法采用单波长基频激光需要高功率且难以控制工艺等问题，不仅使得半导体材料剥离更加容易、损耗更低，同时也使得改质工艺更加精密可控，为碳化硅的广泛应用提供可靠的帮助。为碳化硅的广泛应用提供可靠的帮助。为碳化硅的广泛应用提供可靠的帮助。

【技术实现步骤摘要】
一种多波长激光耦合剥离半导体材料的设备及方法


[0001]本专利技术涉及半导体材料加工领域，尤其涉及一种多波长激光耦合剥离半导体材料的设备及方法。

技术介绍

[0002]碳化硅因其优异的大禁带宽度、高热导率等物理特性得到了广泛的关注，同时也成为了第三代半导体的代表。但是由于碳化硅晶体的高硬度、易碎的特性，为碳化硅晶锭切割成薄片带来了巨大的挑战。传统的切割方法通常采用多线切割等接触式加工方法，但是此类方法对于碳化硅的损耗极大，而碳化硅制备工艺复杂、产能较低，因此改进碳化硅切割工艺，降低碳化硅切割时的损耗，不仅是降低碳化硅晶体造价的关键技术，同时也是碳化硅晶体推广应用的核心。
[0003]专利技术专利“CN110010519A”提出了利用激光聚焦至碳化硅晶体内，利用超短脉冲激光在碳化硅晶体内实现改质，随后将改质后的碳化硅薄片剥离下来。但是以上传统的激光改质/剥离碳化硅晶体的专利中都是以基频单波长激光加工实现的。由于碳化硅的禁带宽度是3.23eV的大禁带宽度，而基频激光光子能量只有1.17eV，所以基频激光需要极大的光强，通过多光子吸收或隧穿电离的形式实现电子跃迁，进而引起非线性吸收，这不仅对高重频条件下超短脉冲激光器的单脉冲激光能量提出了很大的挑战，同时对于电子密度以及非线性吸收、产生热应力的精密调控也产生了巨大的困难。
[0004]由于现有的接触式机械切割方法存在高损耗、切割慢等问题，而传统的激光改质剥离方法存在所需单脉冲基频激光能量较大，在高重频条件下实现困难，并且控制精度不足等问题，因此需要专利技术一种更加精密更易实现的碳化硅激光剥离装置和方法。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种多波长激光耦合剥离半导体材料的设备及方法，通过利用多波长激光耦合效应，对超短脉冲激光作用半导体材料时的自由电子密度进行精密调控，进而对激光诱导产热以及热应力差进行控制，不仅解决了传统接触式加工损耗大的问题，同时也解决了传统激光改质剥离技术中利用单波长基频激光所需能量大、难控制等问题，为降低半导体材料的使用成本、提高半导体材料的使用范围提供了可靠的帮助。
[0006]一种多波长激光耦合剥离半导体材料的设备，包括用以发出基频激光的激光器、用以对基频激光进行倍频以产生倍频激光的倍频晶体、用以分离基频激光和倍频激光的波长分离薄膜、用以将沿着基频光路传播的基频激光反射至聚焦装置的基频第一反射镜、用以将沿着倍频光路传播的倍频激光反射至聚焦装置的倍频第一反射镜、用以使基频激光和倍频激光耦合聚焦在半导体材料内部所需减薄剥离位置的聚焦装置、以及计算机；
[0007]其中，所述基频光路内设置有时间延迟系统，时间延迟系统用以使基频激光晚于倍频激光聚焦在半导体材料内部以使基频激光吸收倍频激光辐照在半导体材料内部时产生的自由电子从而诱导热效应和热应力对半导体材料进行改质；所述聚焦装置安装在Z轴
位移平台上，半导体材料设置在X
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Y轴位移平台上，时间延迟系统、Z轴位移平台和X
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Y轴位移平台均与计算机电连接。
[0008]优选地，所述基频光路上沿着光的传播方向依次设置有基频激光衰减器、基频激光扩束器、基频第五反射镜、时间延迟系统和基频第四反射镜，基频激光衰减器设置在波长分离薄膜的透射方向上。
[0009]优选地，所述时间延迟系统包括时间延迟移动平台、设置在时间延迟移动平台上的基频第二反射镜和基频第三反射镜。
[0010]优选地，所述时间延迟系统可以调整基频激光和倍频激光的相对时间范围为0
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100ps。
[0011]优选地，所述倍频光路上沿着光的传播方向依次设置有倍频第二反射镜、倍频激光衰减器、倍频激光扩束器、倍频空间光调制器，倍频第二反射镜设置在波长分离薄膜的反射方向。
[0012]优选地，所述聚焦装置的一侧设置有材料畸变检测装置，所述材料畸变检测装置用以实时检测半导体材料在激光改质加工过程中产生的畸变并将畸变信息传输给计算机，计算机对接收到的信息进行处理以向Z轴位移平台发送高度调整控制信号以使基频激光和倍频激光的激光焦点在半导体材料内部Z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置。
[0013]优选地，所述材料畸变检测装置为激光测距仪或干涉仪。
[0014]优选地，所述半导体材料在激光改质加工过程中产生的畸变包括半导体材料发生的翘曲和半导体材料表面产生的凹凸缺陷。
[0015]优选地，所述Z轴位移平台上还设置有用以实时检测聚焦装置温度变化的温度传感器，基频光路内还设置有基频空间光调制器，温度传感器将检测到的温度信号传输给计算机，计算机对接收到的温度信号进行处理分析出激光焦点形貌畸变情况和激光光束的能量变化情况，分别控制调整基频光路和倍频光路的激光能量分布和激光能量以使基频激光和倍频激光的激光焦点形状保持不变、基频激光和倍频激光的激光能量保持不变，并根据热透镜效应对激光焦点位置的影响控制Z轴位移平台以使基频激光和倍频激光的激光焦点在半导体材料内部Z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置。
[0016]优选地，所述温度传感器为接触式温度传感器或非接触式温度传感器，当温度传感器为接触式温度传感器时，其固定在聚焦装置上；当温度传感器为非接触式温度传感器时，其设置于聚焦装置一侧且其与聚焦装置和材料畸变检测装置位于同一直线上。
[0017]优选地，所述非接触式温度传感器为红外热成像仪。
[0018]优选地，所述倍频第一反射镜的上方还设置有可见光反射镜且两者相垂直，聚焦装置、基频第一反射镜、倍频第一反射镜和可见光反射镜位于同一竖直直线上，可见光反射镜的一侧设置有CCD相机。
[0019]优选地，所述倍频第一反射镜设置于基频第一反射镜的上方。
[0020]优选地，所述激光器发出的激光波长为基频激光，激光的脉冲宽度范围为100fs～100ps，所述激光器发出激光的激光能量调整范围为20μJ～100μJ。
[0021]优选地，所述基频激光扩束器和倍频激光扩束器的扩束比均为1:2～1:5。
[0022]优选地，所述聚焦装置对基频激光和倍频激光的透过率均高于99％。
[0023]一种多波长激光耦合剥离半导体材料的方法，利用所述的设备对半导体材料进行
激光改质剥离加工，所述方法具体包括以下步骤：
[0024]S1，激光器发出的基频激光经过倍频晶体进行倍频，基频激光与倍频后产生的倍频激光传输至波长分离薄膜后分离；
[0025]S2，透过波长分离薄膜的基频激光沿着基频光路入射到基频第一反射镜，被基频第一反射镜向下反射并经聚焦装置聚焦在半导体材料内部；
[0026]被波长分离薄膜反射的倍频激光沿着倍频光路入射到倍频第一反射镜，被倍频第一反射镜向下反射并经聚焦装置聚焦在半导体材料内部；
[0027]S3，调整Z轴位移平台将基频激光和倍频激光的焦点移动至半导体材料内部所需减薄剥离位置，然后，调整倍频光路的激光能量分布使基频激光和倍频激光在半导体材料内部的焦点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多波长激光耦合剥离半导体材料的设备，其特征在于，包括用以发出基频激光的激光器(1)、用以对基频激光进行倍频以产生倍频激光的倍频晶体(2)、用以分离基频激光和倍频激光的波长分离薄膜(3)、用以将沿着基频光路传播的基频激光反射至聚焦装置(12)的基频第一反射镜(11)、用以将沿着倍频光路传播的倍频激光反射至聚焦装置(12)的倍频第一反射镜(20)、用以使基频激光和倍频激光耦合聚焦在半导体材料(14)内部所需减薄剥离位置的聚焦装置(12)、以及计算机(23)；其中，所述基频光路内设置有时间延迟系统，时间延迟系统用以使基频激光晚于倍频激光聚焦在半导体材料(14)内部以使基频激光吸收倍频激光辐照在半导体材料(14)内部时产生的自由电子从而诱导热效应和热应力对半导体材料(14)进行改质；所述聚焦装置(12)安装在Z轴位移平台(13)上，半导体材料(14)设置在X
‑
Y轴位移平台(15)上，时间延迟系统、Z轴位移平台(13)和X
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Y轴位移平台(15)均与计算机(23)电连接。2.根据权利要求1所述的多波长激光耦合剥离半导体材料的设备，其特征在于，所述基频光路上沿着光的传播方向依次设置有基频激光衰减器(4)、基频激光扩束器(5)、基频第五反射镜(6)、时间延迟系统和基频第四反射镜(9)，基频激光衰减器(4)设置在波长分离薄膜(3)的透射方向上。3.根据权利要求1或2所述的多波长激光耦合剥离半导体材料的设备，其特征在于，所述时间延迟系统包括时间延迟移动平台(10)、设置在时间延迟移动平台(10)上的基频第二反射镜(7)和基频第三反射镜(8)。4.根据权利要求1
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3中任一项所述的多波长激光耦合剥离半导体材料的设备，其特征在于，所述时间延迟系统可以调整基频激光和倍频激光的相对时间范围为0
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100ps。5.根据权利要求1所述的多波长激光耦合剥离半导体材料的设备，其特征在于，所述倍频光路上沿着光的传播方向依次设置有倍频第二反射镜(16)、倍频激光衰减器(17)、倍频激光扩束器(18)、倍频空间光调制器(19)，倍频第二反射镜(16)设置在波长分离薄膜(3)的反射方向。6.根据权利要求1所述的多波长激光耦合剥离半导体材料的设备，其特征在于，所述聚焦装置(12)的一侧设置有材料畸变检测装置(8)，所述材料畸变检测装置(24)用以实时检测半导体材料(14)在激光改质加工过程中产生的畸变并将畸变信息传输给计算机(23)，计算机(23)对接收到的信息进行处理以向Z轴位移平台(13)发送高度调整控制信号以使基频激光和倍频激光的激光焦点在半导体材料(14)内部Z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置。7.根据权利要求6所述的多波长激光耦合剥离半导体材料的设备，其特征在于，所述材料畸变检测装置(24)为激光测距仪或干涉仪。8.根据权利要求6所述的多波长激光耦合剥离半导体材料的设备，其特征在于，所述半导体材料(14)在激光改质加工过程中产生的畸变包括半导体材料(14)发生的翘曲和半导体材料(14)表面产生的凹凸缺陷。9.根据权利要求1或6所述的多波长激光耦合剥离半导体材料的设备，其特征在于，所述Z轴位移平台(13)上还设置有用以实时检测聚焦装置(12)温度变化的温度传感器(25)，基频光路内还设置有基频空间光调制器(26)，温度传感器(25)将检测到的温度信号传输给计算机(23)，计算机(23)对接收到的温度信号进行处理分析出激光焦点形貌畸变情况和激
光光束的能量变化情况，分别控制调整基频光路和倍频光路的激光能量分布和激光能量以使基频激光和倍频激光的激光焦点形状保持不变、基频激光和倍频激光的激光能量保持不变，并根据热透镜效应对激光焦点位置的影响控制Z轴位移平台(13)以使基频激光和倍频激光的激光焦点在半导体材料(14)内部Z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置。10.根据权利要求9所述的多波长激光耦合剥离半导体材料的设备，其特征在于，所述温度传感器(25)为接触式温度传感器或非接触式温度传感器，当温度传感器(25)为接触式温度传感器时，其固定在聚焦装置(12)上；当温度传感器(25)为非接触式温度传感器时，其设置于聚焦装置(12)一侧且其与聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：单翀，耿靖骅，焦健，胡北辰，隋展，赵晓晖，崔勇，高妍琦，季来林，孙今人，饶大幸，夏兰，冯伟，刘栋，史建，蔡国栋，朱翔宇，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所，
类型：发明
国别省市：