本发明专利技术公开了一种激光自适应减薄剥离半导体材料的装置及方法，通过在激光加工装置中引入激光测距仪，对加工过程中材料发生的翘曲以及材料表面存在的凹凸缺陷信息进行实时测量；同时引入红外热成像仪，对加工过程中聚焦系统的温度进行实时监控，并将以上测量得到的信息传输给计算机，经过运算分析后实时反馈给衰减器、空间光调制器以及Z轴位移平台，对加工参数进行实时调整，实现激光精密减薄剥离半导体材料的加工。本发明专利技术不仅解决了接触式加工带来的损耗大、效率低的问题，同时也提高了激光改质剥离技术的加工精度，为降低第三代半导体材料的使用成本提供了可靠的帮助。材料的使用成本提供了可靠的帮助。材料的使用成本提供了可靠的帮助。
【技术实现步骤摘要】
一种激光自适应减薄剥离半导体材料的装置及方法
[0001]本专利技术涉及半导体材料加工领域，尤其涉及一种激光自适应减薄剥离半导体材料的装置及方法。
技术介绍
[0002]第三代半导体相较于前两代半导体，具有更大的禁带宽度、更高的热导率、更高的抗辐射能力等优异的物理特性，在航空航天、新能源汽车等领域有着巨大的应用潜力。但是由于第三代半导体如金刚石、碳化硅等均为高硬度、易碎材料，这为其加工及应用带来了巨大的困难。传统的接触式切割方案，如多线切割方法存在着效率低、损耗大等问题，例如碳化硅采用多线切割的方法对于碳化硅晶体切片接近1：1的损耗。
[0003]专利“CN110010519A”专利技术了利用激光诱导材料改质的方法，结合剥离技术实现非接触式切割减薄碳化硅材料。但是已有的关于半导体材料的激光改质剥离技术都会面临激光加工过程中材料在应力作用下发生翘曲、聚焦系统由于温度升高引入了热透镜效应使得焦点信息发生变化等问题，这些问题都会对加工质量带来巨大的影响。
[0004]由于传统接触式加工方法存在着损耗大、效率低的问题，已有激光改质剥离的方法又无法规避材料翘曲、热透镜效应等加工精度问题，因此急需专利技术一种更加精密、更加智能化的激光自适应减薄剥离半导体材料的装置及方法，这对提高第三代半导体的加工精度、扩展其应用范围有着重大的意义。
技术实现思路
[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种激光自适应减薄剥离半导体材料的装置及方法，通过在激光加工装置中引入激光测距仪，对加工过程中材料发生的翘曲以及材料表面存在的凹凸缺陷信息进行实时测量；同时引入红外热成像仪，对加工过程中聚焦系统的温度进行实时监控，并将以上测量得到的信息传输给计算机，经过运算分析后实时反馈给衰减器、空间光调制器以及Z轴位移平台，对加工参数进行实时调整，实现激光精密减薄剥离半导体材料的加工。本专利技术不仅解决了接触式加工带来的损耗大、效率低的问题，同时也提高了激光改质剥离技术的加工精度，为降低第三代半导体材料的使用成本提供了可靠的帮助。
[0006]一种激光自适应减薄剥离半导体材料的装置，包括用以发出激光光束的激光器、设置在激光光路反射方向上的将反射光聚焦在半导体材料内部所需减薄剥离位置的聚焦系统和计算机；
[0007]其中，所述聚焦系统安装在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，聚焦系统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。
[0008]优选地，Z轴位移平台上还设置有用以实时检测聚焦系统温度变化的温度传感器，
温度传感器将检测到的温度信号传输给计算机，计算机根据激光焦点形貌畸变情况和激光光束的能量变化情况控制调整激光光路的激光能量分布和激光能量以使激光焦点形状保持不变、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。
[0009]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，其固定在聚焦系统上；当温度传感器为非接触式温度传感器时，其设置于聚焦系统一侧且其与聚焦系统和材料畸变检测装置位于同一直线上。
[0010]优选地，所述非接触式温度传感器为红外热成像仪。
[0011]优选地，所述激光光路上沿着光的传播方向依次设置有用以调整激光光束的激光能量的衰减器、用以扩大激光光束直径的扩束器、用以调整激光光束的能量分布的空间光调制器、以及用以将激光光束反射至聚焦系统的激光反射镜。
[0012]优选地，所述材料畸变检测装置为激光测距仪或干涉仪。
[0013]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。
[0014]优选地，所述扩束器的扩束比为1:2～1:5。
[0015]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。
[0016]优选地，所述激光反射镜的上方设置有可见光反射镜且两者相垂直，激光反射镜、聚焦系统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。
[0017]一种激光自适应减薄剥离半导体材料的方法，利用所述的装置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：
[0018]S1，激光器发出的激光光束沿着激光光路向下反射至聚焦系统，反射光束经聚焦系统聚焦在半导体材料内部所需减薄剥离的位置；
[0019]S2，移动X
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Y轴位移平台对半导体材料进行激光改质加工，材料畸变检测装置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；
[0020]Z轴位移平台根据接收到的高度调整控制信号调整其在高度方向的位置，以使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；
[0021]S3，激光改质加工完成后，将加工好的半导体材料从X
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Y轴位移平台上取出，并放到剥离设备中进行剥离作业，从而实现半导体材料的激光改质剥离加工。
[0022]优选地，步骤S2中半导体材料在激光改质加工过程中，温度传感器实时检测聚焦系统的温度变化并将检测到的温度信号传输给计算机，计算机对接收到的信号进行处理以判断热透镜效应对激光焦点位置的影响、激光焦点形貌畸变情况以及激光光束的能量变化情况，从而向Z轴位移平台发送高度调整控制信号、向空间光调制器发送激光能量分布调整信号、向衰减器发送激光能量调整信号，Z轴位移平台根据接收到的高度调整控制信号调整其在高度方向的位置，以使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；空间光调制器根据接收到的激光能量分布调整信号对畸变光斑进行预补偿调节以使激光焦点形状保持不变；衰减器根据接收到的激光能量调整信号对激光能量进行预补偿调节以使激光能量保持不变。
[0023]本专利技术的有益效果是：
[0024]1、本专利技术通过引入激光测距仪和红外热成像仪对半导体材料激光改质加工过程中发生的材料翘曲、凸凹缺陷以及聚焦系统升温带来的热透镜效应引发的误差进行实时测量，并将测量数据发送给计算机，计算机对接收到的数据进行数据并根据处理结果实时向Z轴位移平台、衰减器和空间光调制器发送控制信号，对加工参数进行实时调整，从而实现自适应激光减薄剥离半导体材料的加工，不仅解决了接触式加工带来的损耗大、效率低的问题，同时也提高了激光改质剥离技术的加工精度，为降低第三代半导体材料的使用成本提供了可靠的帮助。
[0025]2、本专利技术利用激本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种激光自适应减薄剥离半导体材料的装置，其特征在于，包括用以发出激光光束的激光器(1)、设置在激光光路反射方向上的将反射光聚焦在半导体材料(10)内部所需减薄剥离位置的聚焦系统(6)和计算机(14)；其中，所述聚焦系统(6)安装在Z轴位移平台(9)上，半导体材料(10)设置在X
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Y轴位移平台(11)上，聚焦系统(6)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(8)用以实时检测半导体材料(10)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(14)，计算机(14)对接收到的信息进行处理以向Z轴位移平台(9)发送高度调整控制信号以使激光焦点在半导体材料(10)内部Z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置。2.根据权利要求1所述的激光自适应减薄剥离半导体材料的装置，其特征在于，Z轴位移平台(9)上还设置有用以实时检测聚焦系统(6)温度变化的温度传感器(7)，温度传感器(7)将检测到的温度信号传输给计算机(14)，计算机(14)根据激光焦点形貌畸变情况和激光光束的能量变化情况控制调整激光光路的激光能量分布和激光能量以使激光焦点形状保持不变、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(9)以使激光焦点在半导体材料(10)内部Z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置。3.根据权利要求2所述的激光自适应减薄剥离半导体材料的装置，其特征在于，所述温度传感器(7)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(7)为接触式温度传感器时，其固定在聚焦系统(6)上；当温度传感器(7)为非接触式温度传感器时，其设置于聚焦系统(6)一侧且其与聚焦系统(6)和材料畸变检测装置(8)位于同一直线上。4.根据权利要求3所述的激光自适应减薄剥离半导体材料的装置，其特征在于，所述非接触式温度传感器为红外热成像仪。5.根据权利要求1或2所述的激光自适应减薄剥离半导体材料的装置，其特征在于，所述激光光路上沿着光的传播方向依次设置有用以调整激光光束的激光能量的衰减器(2)、用以扩大激光光束直径的扩束器(3)、用以调整激光光束的能量分布的空间光调制器(4)、以及用以将激光光束反射至聚焦系统(6)的激光反射镜(5)。6.根据权利要求1所述的激光自适应减薄剥离半导体材料的装置，其特征在于，所述材料畸变检测装置(8)为激光测距仪或干涉仪。7.根据权利要求1所述的激光自适应减薄剥离半导体材料的装置，其特征在于，所述半导体材料(10)在激光改质加工过程中产生的畸变包括半导体材料(10)发生的翘曲和半导体材料(10)表面产生的凹凸缺陷。8.根据权利要求1所述的激光自适应减薄剥离半导体材料的装置，其特征在于，所述扩束...
【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，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：
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