一种高效率激光切割碳化硅晶锭的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种高效率激光切割碳化硅晶锭的方法及装置，涉及半导体材料激光加工技术和装备技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种高效率激光切割碳化硅晶锭的方法及装置


[0001]本专利技术属于半导体材料激光加工技术和装备
，特别是一种高效率激光切割碳化硅晶锭的方法及装置
。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术
。
[0003]以碳化硅
(SiC)
为代表的新一代半导体材料禁带宽度大
、
耐高温
、
抗高压
、
抗辐射性能高
、
热导率和电子饱和速率高，特别适合制作高压
、
高温
、
高频
、
大功率及抗辐射器件，在射频通信
、
雷达
、
卫星
、
电源管理
、
汽车电子
、
工业电力电子等领域具有十分广阔的应用前景
。
[0004]半导体晶圆衬底的切割技术主要包括传统机械切割以及激光切割两种
。
对于
SiC
材料，机械切割方法是将金刚石线缠绕成平行线据，以一定的速度切割特定晶向的
SiC
晶锭生成晶片
。SiC
的莫氏硬度为
9.2
～
9.8
，仅次于金刚石
(
莫氏硬度为
10)
，在切割时，切缝宽
、
切速慢，以6英寸
SiC
为例，切割一个晶锭需要
110
‑
120
小时，总厚度变化
(TTV)
约
100
μ
m
，材料损耗率达到
40
％
‑
50
％
。
同时锯切工艺参数
、
固结磨粒尺寸
、
工件进给运动
、
锯丝速度等都会影响线锯切割精度，导致晶片表面损伤严重，后续加工难度增大，良品率降低
。
[0005]激光加工是一种非接触式加工，无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件的技术，具有加工效率高
、
易于实现自动化控制
、
适应性好
、
环境友好等优点，有望在
SiC
晶锭切片加工质量
、
精度和效率等方面带来突破
。
[0006]激光加工
SiC
晶锭，目前报道的常见工艺
(
如专利技术专利
CN115555736A
，
CN115555735A)
是先使用脉宽较短的超快激光在
SiC
晶锭内部的某个深度聚焦逐点扫描，将
SiC
改质成无定形
Si
和
C
产生裂纹形成改质点
、
改质部，然后利用脉宽更宽的激光二次扫描，使
SiC
内部形成的裂纹生长扩展连结形成改质层，从而实现
SiC
晶锭的切片加工
。
相比于传统的多线机械切割方法，激光切割有着切缝更窄
、
浪费更少
、
非接触式切割等应用优势，但目前的工艺方法是先扫描形成改质层，后扫描加热改质层的先后二次加工方法，无法实现二次同步扫描，存在耗时长
、
效率低等缺点
。
[0007]此外，在第二次扫描时，晶锭已经冷却，晶锭需要重新吸热升温达到一定阈值后裂纹才能生长
、
扩展，使脉冲激光的能量无法全部作用于裂纹的生长，这很大程度上影响了裂纹生长和扩展的效果，因此需要减小扫描线距以实现裂纹的连结，增加了晶锭的加工时间，降低了切割效率
。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种高效率激光切割碳化硅晶锭的方法及装置，采用双波长激光同轴同步单次加工模式，实现了改质激光和加热激光与
SiC
晶锭的同时空作用，降低了加工耗时
、
晶圆剥离难度，提高了剥离质量，规避了二次加工模式中由于两次加工时间间
隔过长
、
材料冷却而使加热激光能量利用率低的问题
。
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0010]本专利技术第一方面提供了一种高效率激光切割碳化硅晶锭的方法
。
[0011]一种高效率激光切割碳化硅晶锭的方法，包括以下步骤：
[0012]将激光光源发出的脉冲激光进行分束，按照设定比例分成两束光，第一束作为改质激光，第二束经过频率变换后作为加热激光；
[0013]将改质激光与加热激光进行相位延迟和合术，实现改质激光与加热激光同轴同步加工
SiC
晶锭；其中，改质激光聚焦在
SiC
晶锭内部设定深度进行改质加工，最终在改质激光焦点附近形成改质部与裂纹区；加热激光聚焦在与改质激光相同的深度，在
SiC
晶锭内部以加热的方式施加热应力，调控裂纹扩展；
[0014]控制
SiC
晶锭与激光脉冲的相对移动，按设定路径进行扫描加工，在设定深度形成改质层与裂纹连结层；
[0015]以改质层和裂纹连结层为界面，将
SiC
晶锭的一部分剥离得到晶片
。
[0016]优选的，所述改质激光的脉冲激光能量为达到
SiC
晶锭的损伤阈值，使
SiC
晶锭内部发生改质，改质激光的脉冲宽度为
100fs
～
100ns
，单脉冲能量为
10
～
100
μ
J。
[0017]优选的，通过非线性晶体对第二束激光进行相位匹配，实现倍频得到加热激光，所述加热激光的波长为对单晶碳化硅吸收率较高的波长，加热激光的波长优选为
532nm。
[0018]优选的，将改质激光与加热激光进行相位延迟和合术，实现改质激光与加热激光同轴同步加工
SiC
晶锭，具体为：
[0019]首先实现改质激光与加热激光的同步：
[0020]将改质激光经过多个反射镜反射，调节延迟线中反射镜的位置，改变改质激光的传输光程，最终实现与加热激光的同步加工；
[0021]之后实现改质激光与加热激光的同轴：
[0022]将与加热激光同步后的改质激光与加热激光一起，通过二向色镜进行合束，实现改质激光与加热激光的同轴加工
。
[0023]优选的，所述设定深度为
SiC
晶锭上端面以下
100
～
700
μ
m。
[0024]优选的，所述改质层由多个所述改质部组成，所述裂纹连结层由各所述改质部附近的所述裂纹区交连形成
。
[0025本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高效率激光切割碳化硅晶锭的方法，其特征在于，包括以下步骤：将激光光源发出的脉冲激光进行分束，按照设定比例分成两束光，第一束作为改质激光，第二束经过频率变换后作为加热激光；将改质激光与加热激光进行相位延迟和合术，实现改质激光与加热激光同轴同步加工
SiC
晶锭；其中，改质激光聚焦在
SiC
晶锭内部设定深度进行改质加工，最终在改质激光焦点附近形成改质部与裂纹区；加热激光聚焦在与改质激光相同的深度，在
SiC
晶锭内部以加热的方式施加热应力，调控裂纹扩展；控制
SiC
晶锭与激光脉冲的相对移动，按设定路径进行扫描加工，在设定深度形成改质层与裂纹连结层；以改质层和裂纹连结层为界面，将
SiC
晶锭的一部分剥离得到晶片
。2.
根据权利要求1所述的高效率激光切割碳化硅晶锭的方法，其特征在于，所述改质激光的脉冲激光能量为达到
SiC
晶锭的损伤阈值，使
SiC
晶锭内部发生改质，改质激光的脉冲宽度为
100fs
～
100ns
，单脉冲能量为
10
～
100
μ
J。3.
根据权利要求1所述的高效率激光切割碳化硅晶锭的方法，其特征在于，通过非线性晶体对第二束激光进行相位匹配，实现倍频得到加热激光，所述加热激光的波长为对单晶碳化硅吸收率较高的波长，加热激光的波长优选为
532nm。4.
根据权利要求1所述的高效率激光切割碳化硅晶锭的方法，其特征在于，将改质激光与加热激光进行相位延迟和合术，实现改质激光与加热激光同轴同步加工
SiC
晶锭，具体为：首先实现改质激光与加热激光的同步：反射镜与高精度步进电机配合构成延迟线，调节延迟线中反射镜的位置，改变改质激光的传输光程，最终实现与加热激光的同步加工；之后实现改质激光与加热激光的同轴：将与加热激光同步后的改质激光与加热激光一起，通过二向色镜进行合束，实现改质激光与加热激光的同轴加工
。5.
根据权利要求1所述的高效率激光切割碳化硅晶锭的方法，其特征在于，所述设定深度为
SiC
晶锭上端面以下
100

【专利技术属性】
技术研发人员：张百涛，梁润泽，姚勇平，聂鸿坤，王荣堃，陈秋，夏金宝，何京良，徐现刚，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：