CN111702353B - 激光剥离晶圆装置及激光剥离晶圆方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种激光剥离晶圆装置及激光剥离晶圆方法，涉及半导体加工领域。激光剥离晶圆装置包括用于安装晶锭的安装平台、激光发射器、聚透镜组件、用于提供磁场的磁体及控制***；激光发射器和聚透镜组件互相配合以将激光束聚焦于晶锭内以诱导晶锭生成等离子体；晶锭位于磁场中以使磁场能够调控等离子体的运动状态；控制***与磁体连接，控制***能够实时获得等离子体的特征参数并根据特征参数实时调控晶锭所在的磁场。激光剥离晶圆装置及激光剥离晶圆方法通过磁场调控激光诱导的等离子体，实时改变等离子体在晶锭内部的运动过程以对改质层进行二次加工，实现晶圆的加工表面的二次加工，大幅提高晶圆自晶锭剥离加工的质量与效率。

Description

激光剥离晶圆装置及激光剥离晶圆方法

技术领域

本申请涉及半导体加工领域，具体而言，涉及一种激光剥离晶圆装置及激光剥离晶圆方法。

背景技术

作为半导体器件的基础材料，晶圆主要通过晶锭剥离而获得，再经过后续工艺处理得到衬底或外延片，用以制造芯片。晶圆的厚度通常仅为百微米级，其加工质量受晶锭剥离工序的影响极大。目前主要采用晶锭线切割的方式获得晶圆，但晶锭材料的硬脆特性导致其易在加工表面出现线痕、翘曲等缺陷，需通过后续的平整、研磨、抛光等工序去除，工作效率低。另外，半导体材料及工具的磨损均较大，增加了加工成本。

采用激光加工方式极大程度上避免了线切割带来的一系列问题，但这种高能束加工方式易在材料加工表面及内部造成热影响，产生微裂纹、重铸层等缺陷，同时激光加工过程中诱导产生的等离子体，也降低了加工过程的可控性。

有鉴于此，特此提出本申请。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种激光剥离晶圆装置及激光剥离晶圆方法，其能够改善上述的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供一种激光剥离晶圆装置，其包括用于安装晶锭的安装平台、激光发射器、聚透镜组件、磁体以及控制***。

激光发射器和聚透镜组件互相配合以将激光束聚焦于晶锭内以诱导晶锭生成等离子体；磁体用于提供磁场，晶锭位于磁场中以使磁场能够调控等离子体的运动状态；控制***能够实时获得等离子体的特征参数并根据特征参数实时调控晶锭所在的磁场，其中等离子体的特征参数包括等离子体的密度和等离子体的温度。

在上述实现过程中，在激光对晶锭进行剥离加工获得晶圆的过程中，通过磁场调控激光诱导的等离子体，实时改变等离子体在晶锭内部的运动过程以对改质层进行二次加工，解决了现有的激光加工过程中高温、高密度等离子体难以控制的难题，降低甚至消除现有的激光加工缺陷，将等离子体对晶圆剥离面造成的不良影响转变为有益效果，实现晶圆的加工表面的二次加工，大幅提高晶圆剥离加工的质量与效率。

在一种可能的实施方案中，磁体包括电磁铁，控制***通过控制电磁铁与安装平台的相对位置、电磁铁的电流功率以及电流类型调控晶锭所在的磁场。

在上述实现过程中，通过电磁铁与安装平台的相对位置、电磁铁的电流功率以及电流类型的改变，进行磁场的方向以及强弱等的调控，进而调控等离子体的运动过程，提高加工的可控性以及降低热影响，同时将磁场对于等离子体的诱导作用以等离子体的密度和等离子体的温度作为具体参数反馈至控制***。

可选地，电磁铁的电流功率的调节范围为1～20W，电磁铁的电流类型为直流或交流，其中，交流频率调节范围为1～100Hz。

在一种可能的实施方案中，磁体为环形或U形，磁体围设于晶锭的周向且与晶锭之间具有间隙。

在上述实现过程中，通过间隙的设置，保证磁体与安装平台不接触，同时便于磁体与安装平台之间相对移动或旋转，进而相对位置的调控，进而调整晶锭所在的磁场。

在一种可能的实施方案中，聚透镜组件包括扩束镜以及聚焦镜；扩束镜接收激光发射器发出的激光束并将激光束发送至聚焦镜，聚焦镜将接收的激光束聚焦于晶锭内。在上述实现过程中，通过扩束镜改变激光光束直径和发散角，通过与聚焦镜配合使聚焦效果更佳。

可选地，聚透镜组件包括反射镜，反射镜设置于扩束镜与聚焦镜之间，反射镜用于接收并反射自扩束镜发送的激光束至聚焦镜的入光面。在上述实现过程中，通过反射镜的设置有效改变激光束传输路径。

在一种可能的实施方案中，激光剥离晶圆装置包括光谱仪，光谱仪与控制***连接，光谱仪用于实时采集等离子体的强度并反馈至控制***，控制***将获得的等离子体的强度实时换算为等离子体的密度和等离子体的温度。

在一种可能的实施方案中，激光剥离晶圆装置包括影像***，影像***用于实时监测并获得改质层的影像。

在上述实现过程中，通过光谱仪以及影像***，大幅提高晶圆剥离加工的质量与效率。

在一种可能的实施方案中，激光剥离晶圆装置还包括设置于安装平台和/或磁体的控制模块，控制模块与控制***连接，控制模块用于控制安装平台与电磁铁相对平移、升降和/或旋转。

在上述实现过程中，通过驱动***驱动安装平台与磁体相对平移、升降和/或旋转，以改变安装平台与磁体之间的相对位置，进而使晶锭所处的磁场发生变化。

在一种可能的实施方案中，预设加工轨迹包括直线轨迹和/或曲线轨迹。

在上述实现过程中，预设加工轨迹可根据实际的需求进行设定，满足不同的加工需求。

第二方面，本申请实施例提供一种激光剥离晶圆的方法，其包括：

将晶锭安装并固定于本申请第一方面提供的激光剥离晶圆装置的安装平台。

晶锭位于磁场中且激光束聚焦于晶锭内的目标聚焦平面并诱导晶锭生成等离子体，激光束沿预设加工轨迹运动以在晶锭内形成改质层，控制***根据实时获得的等离子体的特征参数对晶锭所处的磁场进行实时调控以控制等离子体的运动状态。

晶锭位于磁场中且激光束聚焦于晶锭内的目标聚焦平面并诱导晶锭生成等离子体，激光束沿预设加工轨迹运动以在晶锭内形成改质层，控制***根据实时获得的等离子体的特征参数对磁场进行实时调控以控制等离子体的运动状态。

在上述实现过程中，通过控制***根据获得的等离子体的特征参数对磁场进行调控，进而控制等离子体的运动状态，有效解决了现有的激光加工过程中高温、高密度等离子体难以控制的难题，降低甚至消除现有的激光加工缺陷，大幅提高晶圆剥离加工的质量与效率。

在一种可能的实施方案中，激光束的脉宽为200fs～10ns，波长为355nm～1064nm，功率为1W～10W，重复频率为50kHz～200kHz，扫描速度为50mm/s～200mm/s。

在一种可能的实施方案中，晶圆的厚度为200μm～600μm。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为激光剥离晶圆装置10a的结构示意图；

图2为本申请示出的一些方案中电磁铁的结构示意图；

图3为本申请示出的另一些实例中电磁铁的结构示意图；

图4为本实施例示出的电磁铁的结构示意图；

图5为电磁调控等离子体的状态的示意图；

图6为激光剥离晶圆装置10b的结构示意图；

图7为等离子体的状态的示意图。

图标：10a-激光剥离晶圆装置；10b-激光剥离晶圆装置；100-安装平台；101-承载面；110-激光发射器；111-激光束；121-扩束镜；123-聚焦镜；1231-焦点；125-反射镜；130-电磁铁；20-晶锭；200-目标聚焦平面；210-改质层。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

实施例

请参阅图1，一种激光剥离晶圆装置10a，其包括：安装平台100、激光发射器110、聚透镜组件、磁体以及控制***(图未示)。

安装平台100具有与水平面平行的承载面101，承载面101用于安装并固定晶锭20，保证切割过程中晶锭20的稳定性。

激光发射器110用于发射激光束，激光发射器110具体例如为飞秒激光器等，在此不做限定。

聚透镜组件用于接收激光发射器110发出的激光束111并将接收的激光束111聚焦于晶锭20内以诱导晶锭20生成等离子体。

其中，聚透镜组件包括扩束镜121以及聚焦镜123，扩束镜121接收激光发射器110发出的激光束111并将激光束111发送至聚焦镜123，聚焦镜123将接收的激光束111聚焦于晶锭20内，聚焦镜123的焦点1231位于晶锭20的目标聚焦平面200。通过扩束镜121改变激光光束直径和发散角，通过与聚焦镜123配合使聚焦效果更佳。上述条件下，当激光发射器110需要竖向设置且激光发射出口需要向下与晶锭20相对。

本实施例中，聚透镜组件还包括反射镜125，反射镜125设置于扩束镜121与聚焦镜123之间，反射镜125用于接收并反射自扩束镜121发送的激光束111至聚焦镜123的入光面。也即是通过反射镜125的设置改变光路的传输路径，此时，激光发射器110水平设置即可。

其中，反射镜125的数量可以为一个或多个，具体例如为两个、三个等，可根据实际的需求进行设定。

激光束111沿预设加工轨迹移动以在晶锭20内形成改质层210，可选地，激光束111沿预设加工轨迹移动的方式包括：激光发射器110设有移动模块(图未示)，控制***与移动模块连接以控制激光发射器110沿预设加工轨迹移动，或者安装平台100设有移动模块，控制***与移动模块连接以控制安装平台100沿预设加工轨迹移动，或者激光发射器110和安装平台100均设有移动模块，控制***分别与两个移动模块连接以独立地控制激光发射器110和安装平台100相对移动使得激光束111沿预设加工轨迹移动，具体设置方式可参考相关技术，在此不做限定。

预设加工轨迹包括直线轨迹和/或曲线轨迹，例如预设加工轨迹为直线，或者为曲线，或者为直线与曲线的结合，本领域技术人员可根据实际的需求进行相关的调整。

磁体用于提供磁场，其中磁体包括磁铁以及电磁铁130。晶锭20位于磁场中以使磁场能够调控等离子体的运动状态。需要说明的是，此处的运动状态是指等离子体的运动方向。

控制***能够实时获得等离子体的特征参数，并且控制***能够根据特征参数实时调控晶锭20所在的磁场以实时改变激光诱导的等离子体在晶锭20内部的运动过程以对改质层210进行二次加工，将等离子体对晶圆剥离面造成的不良影响转变为有益效果，实现晶圆的加工表面的二次加工，大幅提高晶圆自晶锭20剥离加工的质量与效率。其中等离子体的特征参数包括等离子体的密度和等离子体的温度。

控制***例如为PC，具有显示屏和键盘，能够进行相关指令的输入及输出，并能够将相关数据直观呈现于显示屏。

其中，控制***可以直接获取特征参数，也可以直接获取相关参数，例如等离子体的强度，然后根据换算得到等离子体的密度和等离子体的温度。

具体地，激光剥离晶圆装置包括光谱仪以及影像***。

其中，光谱仪与控制***连接，光谱仪用于实时采集等离子体的强度并反馈至控制***，控制***将获得的等离子体的强度基于欧姆定律、Boltzmann方程等原理以及结合晶锭20材料特性(具体方式可参考相关技术，在此不做赘述)实时换算为等离子体的密度和等离子体的温度。影像***为CCD影像***，影像***用于实时监测并获得改质层210的影像，以直观观测晶锭20的加工形貌。

本申请提供的一些实施例中，磁体为磁铁，此时控制***通过控制磁铁与安装平台100的相对位置调控晶锭20所在的磁场，使等离子体不造成改质层厚度的增大且可对晶锭剥离面实现二次加工。

本实施例中，磁体为电磁铁130，此时控制***与电磁铁130连接，控制***通过控制电磁铁130与安装平台100的相对位置、电磁铁130的电流功率以及电流类型调控晶锭20所在的磁场。其中，电磁铁130的电流功率的调节范围为1～20W，电流类型为直流或交流，其中交流频率调节范围为1～100Hz。

通过上述电磁铁130与安装平台100的相对位置、电磁铁130的电流功率以及电流类型调控晶锭20所在的磁场，使等离子体不造成改质层厚度的增大且可对晶锭剥离面实现二次加工。

激光剥离晶圆装置10a包括设置于安装平台100和/或磁体的控制模块(图未示)，控制模块与控制***连接，控制模块用于控制安装平台100与磁体相对平移、升降和/或旋转，进而调节晶锭与磁体之间的相对位置。需要说明的是，控制模块可以仅仅设置于安装平台100或磁体，也可以安装平台100或磁体上均设有控制模块。

本实施例中，安装平台100和电磁铁130上均设有控制模块，且控制模块用于控制安装平台100与电磁铁130相对平移、升降和旋转。

为了便于描述，以下将安装平台100设有的控制模块作为第一控制模块，电磁铁130上设有的控制模块作为第二控制模块，其中，第一控制模块与第二控制模块互相独立地存在且分别与控制***连接，第一控制模块用于控制安装平台100沿X方向和Y方向平移、沿Z方向升降，以及沿Z方向旋转(其中，X方向、Y方向及Z方向互相垂直，且Z方向与安装平台100的中心线重合)。第二控制模块用于控制电磁铁130沿X方向和Y方向平移、沿Z方向升降，以及沿Z方向旋转。其中，能够实现上述沿X方向和Y方向平移、沿Z方向升降，以及沿Z方向旋转的具体结构具有多种，在此不做限定，具体可参考相关技术，只要能够实现上述功能即可。

实际的使用过程中，控制***可以通过第二控制模块控制电磁铁130位置不变，控制***通过第一控制模块控制安装平台100相对电磁铁130相对平移、升降和旋转，同理，控制***可以通过第一控制模块控制安装平台100位置不变，控制***通过第二控制模块控制电磁铁130相对安装平台100相对平移、升降和旋转，或者控制***通过第二控制模块以及第一模块同步移动安装平台100和电磁铁130，以使电磁铁130相对安装平台100相对平移、升降和旋转。

其中，电磁铁130设置于安装在安装平台100上的晶锭20的周向且与晶锭20之间具有间隙。通过间隙的设置，便于电磁铁130与晶锭20相对移动。

可选地，请参阅图2，本申请示出的一些示例中电磁铁130为两块单独的条形的电磁铁单元，其中两条条形的电磁铁单元分别围设于安装平台100相对的两侧，并且沿安装平台100的中线对称布置，并且两条条形的电磁铁单元中的一个电磁铁单元的N极与另一个电磁铁单元的S极相对设置，电磁铁130与放置在安装平台100的晶锭之间具有间隙。

可选地，在另一种示出的实例中，电磁铁130为U形，U形的电磁铁130围设于晶锭的周向且与安装平台100之间具有间隙，其中U形的电磁铁130的N极与S极沿安装平台100的中线对称布置。

可选地，电磁铁130为环形，电磁铁130围设在晶锭20的周向且电磁铁130的内缘与晶锭20之间具有间隙。需要说明的是，本申请中，环形包括但不局限于圆形环，还包括方形环、菱形环、六边形环、八边形环等。

请参阅图3，本申请示出的另一些实例中，电磁铁130的形状为方型环。

请参阅图4，本实施例中，电磁铁130为圆形环，其中电磁铁130的N极和S极分别位于电磁铁130的+/-X与-/+X方向。

本申请提供一种激光剥离晶圆的方法，其包括：

将晶锭20安装并固定于本实施例提供的激光剥离晶圆装置10a的安装平台100。

开启激光器和电磁铁130，晶锭20位于磁场中且激光束111聚焦于晶锭20内的目标聚焦平面200并诱导晶锭20生成等离子体，控制***控制激光束111沿预设加工轨迹运动以在晶锭20内部形成厚度为L的改质层210。

控制***根据实时获得的等离子体的特征参数对目标聚焦平面200以在晶锭20内形成改质层210对电磁铁130进行实时调控，具体例如：根据激光束111的运动轨迹，由于电磁铁130的N极和S极分别位于电磁铁130的+/-X与-/+X方向，因此电磁铁130与晶锭20相对平移，在磁感线的作用下此时激光作用区域内的等离子体均将趋向于X方向运动，而Y方向运动受到压缩，此时电磁调控等离子体的状态如图5所示。等离子体将仅作用于厚度为L的改质层210区域内，以对改质层210进行二次加工。激光加工过程中，由监测***实时采集等离子体的特征参数，以反馈调节电磁铁130对等离子体的诱导作用，并监控晶锭20厚度为L的改质层210变化状态。当改质层210贯穿晶锭20的内部时，即关闭激光器与电磁铁130，从晶锭20上剥离得到晶圆。

其中，激光束111的脉宽为200fs～10ns，波长为355nm～1064nm，功率为1W～10W，重复频率为50kHz～200kHz，扫描速度为50mm/s～200mm/s。

晶圆的厚度为200μm～600μm，也即是，晶锭20剥离厚度为200μm～600μm。

同时设置对比例与本申请提供的激光剥离晶圆装置10a及激光剥离晶圆方法进行比较，其中，请参阅图6，对比例的激光剥离晶圆装置10b与本实施例提供的激光剥离晶圆装置10a的区别仅在于不设有电磁铁130，具体地，激光剥离晶圆方法包括：

取待剥离的晶锭20安装并固定于安装平台100，开启激光器，根据所需加工的晶圆厚度，将激光聚焦于晶锭20内的目标聚焦平面200并诱导晶锭20生成等离子体，激光束111沿预设加工轨迹运动，以在晶锭20内部形成厚度为L的改质层210。由于无电磁铁130的作用，此时等离子体的状态如图7所示，此时激光束111在晶锭20内部诱导的等离子体将无法调控。此时激光作用区域内的等离子体将向其四周运动，形成的改质层210厚度将增大至L₁，即有L₁＞L。由此可见，改质层210厚度的增大不仅扩大了激光作用的范围，而且会导致更多的材料损耗。对于同样厚度的晶锭20，获得的晶圆数也将减少，增大了材料加工成本。

综上，激光剥离晶圆装置及激光剥离晶圆方法通过磁场的引入，通过磁场调控激光诱导的等离子体，实时改变等离子体在晶锭内部的运动过程以对改质层进行二次加工，解决了现有的激光加工过程中高温、高密度等离子体难以控制的难题，降低甚至消除现有的激光加工缺陷，将等离子体对晶圆剥离面造成的不良影响转变为有益效果，实现晶圆的加工表面的二次加工，大幅提高晶圆剥离加工的质量与效率。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光剥离晶圆装置，其特征在于，包括：

用于安装晶锭的安装平台；

互相配合以将激光束聚焦于所述晶锭内以诱导所述晶锭生成等离子体的激光发射器和聚透镜组件，所述激光束能够沿预设加工轨迹移动以在所述晶锭内形成改质层；

磁体，用于提供磁场，所述晶锭位于所述磁场中以使所述磁场能够调控所述等离子体的运动方向，使所述等离子体不造成所述改质层的厚度的增大，所述磁体为环形或U形，所述磁体围设于所述晶锭的周向且与所述晶锭之间具有间隙；以及

控制***，控制***能够实时获得所述等离子体的特征参数并根据所述特征参数实时调控所述晶锭所在的磁场，其中所述等离子体的特征参数包括所述等离子体的密度和所述等离子体的温度。

2.根据权利要求1所述的激光剥离晶圆装置，其特征在于，所述磁体包括电磁铁，所述控制***通过控制所述电磁铁与所述安装平台的相对位置、所述电磁铁的电流功率以及电流类型调控所述晶锭所在的所述磁场。

3.根据权利要求2所述的激光剥离晶圆装置，其特征在于，所述电磁铁的电流功率的调节范围为1～20W，所述电磁铁的电流类型为直流或交流，其中，交流频率调节范围为1～100Hz。

4.根据权利要求1所述的激光剥离晶圆装置，其特征在于，所述激光剥离晶圆装置包括光谱仪，所述光谱仪与控制***连接，所述光谱仪用于实时采集等离子体的强度并反馈至控制***，所述控制***将获得的所述等离子体的强度实时换算为所述等离子体的密度和所述等离子体的温度。

5.根据权利要求1所述的激光剥离晶圆装置，其特征在于，所述激光剥离晶圆装置包括影像***，所述影像***用于实时监测并获得所述改质层的影像。

6.根据权利要求1所述的激光剥离晶圆装置，其特征在于，所述激光剥离晶圆装置还包括设置于所述安装平台和/或磁体的控制模块，所述控制模块与所述控制***连接，所述控制模块用于控制所述安装平台与所述磁体相对平移、升降和/或旋转。

7.根据权利要求1所述的激光剥离晶圆装置，其特征在于，所述预设加工轨迹包括直线轨迹和/或曲线轨迹。

8.一种激光剥离晶圆的方法，其特征在于，包括：

将晶锭安装于权利要求1-7任意一项所述的激光剥离晶圆装置的所述安装平台；

所述晶锭位于所述磁场中且所述激光束聚焦于所述晶锭内的目标聚焦平面并诱导所述晶锭生成等离子体，所述激光束沿预设加工轨迹运动以在所述晶锭内形成改质层，所述控制***根据实时获得的所述等离子体的特征参数对所述晶锭所处的磁场进行实时调控以控制所述等离子体的运动方向且使所述离子体不造成改质层厚度的增大。

9.根据权利要求8所述的激光剥离晶圆的方法，其特征在于，所述激光束的脉宽为200fs～10ns，波长为355nm～1064nm，功率为1W～10W，重复频率为50kHz～200kHz，扫描速度为50mm/s～200mm/s。

10.根据权利要求8所述的激光剥离晶圆的方法，其特征在于，所述晶圆的厚度为200μm～600μm。

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