CN111986986B - 一种晶圆的剥离方法及剥离装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种晶圆的剥离方法及剥离装置，涉及激光加工技术领域。其包括：先在晶锭的目标聚焦面上形成多个间隔分布的第一改质层，然后在目标聚焦面上形成第二改质层，第二改质层的数量为一个或多个，第二改质层与第一改质层交替布置且互相连接以共同形成连续的第三改质层，第三改质层沿目标聚焦面贯穿晶锭；以第三改质层作为剥离界面，将作为目标晶圆的部分自晶锭剥离，获得晶圆。上述方法相比于现有的通过激光束一次性直接形成连续的第三改质层方式，可有效减小因激光束连续作用而导致的局部区域热量集中，大幅降低激光加工过程中产生的不利热影响，提高晶圆的剥离质量。
Description
技术领域
本申请涉及激光加工技术领域，具体而言，涉及一种晶圆的剥离方法及剥离装置。
背景技术
相比于传统机械加工方式，具有非接触式加工特性的激光技术尤其适用于硬脆材料的加工。
对于半导体技术领域的芯片制造，需从硬脆的晶锭材料上剥离出百微米级的晶圆，才能进行后续的一系列工序。如何实现晶圆的高质量剥离已成为制约芯片制造的关键技术。作为典型的高能束加工方法，激光通过聚焦的方式将高能量集中于加工区域，通过沿预设方向移动形成连续的改质层以实现晶圆的切割和剥离，然而上述条件下，容易产生不利热影响，影响激光加工获得的晶圆质量。
有鉴于此，特此提出本申请。
发明内容
本申请实施例提供一种晶圆的剥离方法及剥离装置，其能够有效解决上述问题。
第一方面，本申请实施例提供一种晶圆的剥离方法，其包括以下步骤：
先在晶锭的目标聚焦面上形成多个间隔分布的第一改质层。
然后在目标聚焦面上形成第二改质层，第二改质层的数量为一个或多个，其中，第二改质层与第一改质层交替布置且互相连接以共同形成连续的第三改质层，第三改质层沿目标聚焦面贯穿晶锭。
以第三改质层作为剥离界面，将作为目标晶圆的部分自晶锭剥离，获得晶圆。
在上述实现过程中，本申请采用分步加工且先后加工的顺序形成连续的第三改质层，相当于在第一改质层与第二改质层形成之间具有一定的时间差，有利于第一改质层散热，同时在空间上最终表现为形成连续成面状的第三改质层，相比于现有的一次性直接形成(时间上连续加工且随时间连续加工形成连续的改质层)第三改质层的方式，可有效减小因激光束连续作用而导致的局部区域热量集中，大幅降低激光加工过程中产生的不利热影响，提高晶圆的剥离质量。
在一种可能的实施方案中，在目标聚焦面上形成多个间隔分布的第二改质层的步骤包括：
在相邻的两个第一改质层之间形成第二改质层；或在相邻的两条第一改质层之间形成第二改质层，以及在最外侧的第一改质层的外侧形成贯穿晶锭表面的第二改质层。
在上述实现过程中，可根据位于最外侧的第一改质层是否贯穿晶锭的表面，选择第二改质层的加工方式，当在最外侧的第一改质层贯穿晶锭的表面时，仅在相邻的两个第一改质层之间形成第二改质层即可，当最外侧的第一改质层与晶锭的表面具有间隔区(未贯穿晶锭的表面)时，采用第二种设置方式，保证最终形成的第三改质层沿目标聚焦面贯穿晶锭。
可选地，多个间隔分布的第一改质层的形成方法包括：采用多个间隔分布的对晶锭具有穿透性波长的激光束同时聚焦于目标聚焦面，沿预设加工路径加工所得；和/或，多个间隔分布的第二改质层的形成方法包括：采用多个间隔分布的对晶锭具有穿透性波长的激光束同时聚焦于目标聚焦面，沿预设加工路径加工所得。
在上述实现过程中，采用多个间隔分布的激光束同步加工，一次性获得多个间隔分布第一改质层和第二改质层，有效提高加工效率。
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，扫描速度为50mm/s～200mm/s。
可选地，多个间隔分布的激光束的总能量为10μJ～300μJ。
在一种可能的实施方案中，第一改质层与第二改质层的连接方式包括：
第一改质层与第二改质层之间具有间隙，且位于间隙的第一改质层扩展的裂纹与第二改质层扩展的裂纹连接。
在上述实现过程中，通过裂纹的连接实现第一改质层与第二改质层的连接。
在一种可能的实施方案中，剥离方法还包括：利用在线监测装置实时获得每个第一改质层、每个第二改质层的裂纹扩展状态。
在上述实现过程中，通过监测装置实时获得裂纹扩展状态，能够获得第一改质层、第二改质层加工情况，进而获得第三改质层的完成情况，保证加工的精准度。
在一种可能的实施方案中，晶锭的材质包括硅、碳化硅、蓝宝石和氮化镓中的至少一种。
可选地，晶圆的厚度为200μm～600μm。
第二方面，本申请实施例提供一种用于实施上述剥离方法的晶圆的剥离装置，其包括平台、能够与平台进行相对移动的激光发射***以及在线监测装置。
激光发射***包括沿光路设置的激光发射器、沿预设方向依次间隔且平行布置的多个分光镜及最后的一个全反射镜，以及与每个分光镜、全反射镜对应的多个聚光镜，每个分光镜将接收的激光束分为两束，其中一束激光束依次输送至下一个分光或全反射镜，另一束激光束输送至其对应的聚光镜。
剥离机构，用于将作为目标晶圆的部分自晶锭沿剥离界面剥离。
通过上述剥离装置，不仅实现多个第一改质层由多个间隔分布的激光束同时照射晶锭所得，有效提高加工效率，而且相比于采用多个激光发射器得到多个的激光束的方式，成本更低，并且可通过分光镜的选择不同，可使每个分光镜及全反射镜输送至其对应的聚光镜的激光束能量不同，便于调控激光能量。
在一种可能的实施方案中，分光镜能够调控输送至其对应聚光镜的激光束能量，以调节其对应待加工的第一改质层以及第二改质层的大小。也即是，能够通过调控激光能量的大小实现待加工的第一改质层以及第二改质层的大小。
在一种可能的实施方案中，平台能够沿互相垂直的X轴、Y轴以及Z轴移动。
通过上述设置，实现不同厚度的晶圆的加工，同时便于获得连续的第三改质层以及剥离层。
在一种可能的实施方案中，剥离装置还包括在线监测装置，用于实时获得第一改质层、第二改质层的裂纹扩展状态。
可选地，在线监测装置包括声发射检测***及CCD***，以通过声波信号传递与改质层影像实时获得裂纹扩展状态。
在上述实现过程中，利用声发射检测***及CCD***可实时且准确的获得裂纹扩展状态，便于监控加工进程以及调节激光束能量等。
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为剥离装置中的激光束在晶锭上的第一分布状态示意图；
图2为第一改质层与第二改质层的连接示意图；
图3为实施例1中第三改质层的形成过程示意图；
图4为剥离装置中的激光束在晶锭上的第二分布状态示意图；
图5为实施例2中第三改质层的形成过程示意图。
图标：100-剥离装置；10-平台；20-激光发射器；30-扩束镜；40-分光镜；50-全反射镜；60-聚光镜；71-激光束A；72-激光束B；73-激光束C；74-激光束D；75-激光束E；76-激光束F；80-晶锭；81-目标聚焦面；82-第一改质层；83-第二改质层；84-裂纹；90-晶圆。
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。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
现有的一次性直接形成连续的第三改质层的方式包括：先在晶锭形成改质层A，然后在改质层A的边缘形成与改质层A连接的改质层B，再在改质层B远离改质层A的一侧形成与改质层B连接的改质层C，其中，改质层A、改质层B、改质层C依次加工且加工时间连续。
一种晶圆的剥离方法，其包括以下步骤：
S1.先在晶锭的目标聚焦面上形成多个间隔分布的第一改质层。
也即是，多个第一改质层非连续设置，此处的多个为两个及两个以上，例如两个、三个或十个等，在此不做限定。
其中，目标聚焦面可根据待剥离的晶圆的厚度进行实际的设置，其中，可选地，晶圆的厚度为200μm～600μm，例如晶圆的厚度为200μm、300μm、400μm、600μm等，在此不做具体限定。
其中，晶锭的材质包括但不局限于硅，还可以为碳化硅、蓝宝石和氮化镓等等，可选地，晶锭的材质包括硅、碳化硅、蓝宝石和氮化镓中的至少一种；具体地，晶锭的材质为硅、碳化硅、蓝宝石和氮化镓中的任一种。
需要说明的是，由于晶圆的上下表面平行，因此，目标聚焦面与晶锭的表面平行，也即是获得的第三改质层与晶锭的表面平行。
可选地，形成间隔分布的多个第一改质层的形成方式包括：采用一束激光束，通过该单束激光束不断的调整形成第一改质层的位置，形成多个间隔分布的第一改质层。
除了上述设置方式以外，间隔分布的多个第一改质层的形成方式包括：采用多个间隔分布的对晶锭具有穿透性波长的激光束同时聚焦于目标聚焦面，沿预设加工路径加工所得。也即是通过一次加工同时形成多个间隔分布的第一改质层，相比于采用单束激光的方式效率更高。
其中，每个激光束的脉宽范围为200fs～10ns，波长范围为355nm～1064nm，扫描速度范围为50mm/s～200mm/s；多个激光束中的每一个激光束的上述参数可以相同，也可以不同，可根据实际的需求进行设定，同时每个激光束的能量可以相同也可以不同，具体可根据实际的需求进行设定，在此不做赘述。
可选地，多个间隔分布的激光束的总能量为10μJ～300μJ。
多束激光束可以由与其数量对应的多个激光发射器获得，但是由于激光发射器价格高，为了降低制作成本，多束激光束可以由具有一个激光发射器的激光发射***发射后经分光后所得。
具体地，激光发射***包括沿光路设置的激光发射器、沿预设方向依次间隔且平行布置的多个分光镜及最后的一个全反射镜，以及与每个分光镜、全反射镜对应的多个聚光镜。
其中，需要注意的是，每个分光镜能够调控激输送至对应的聚光镜的激光束的能量，以调节对应的待加工的第一改质层以及第二改质层的大小。
S2.然后在目标聚焦面上形成第二改质层，第二改质层的数量为一个或多个，其中，第二改质层与第一改质层交替布置且互相连接以共同形成连续的第三改质层，第三改质层沿目标聚焦面贯穿晶锭。
其中，形成间隔分布的多个第二改质层的形成方式包括：采用一束激光束，通过该单束激光束不断的调整形成第二改质层的位置，形成多个间隔分布的第二改质层。
除了上述设置方式以外，间隔分布的多个第二改质层的形成方式包括：采用多个间隔分布的对晶锭具有穿透性波长的激光束同时聚焦于目标聚焦面，沿预设加工路径加工所得。也即是通过一次加工同时形成多个间隔分布的第二改质层，相比于采用单束激光的方式效率更高。
可选地，第二改质层与第一改质层交替布置的方式包括：
位于多个第一改质层的最外侧的两个(第一个以及最后一个)第一改质层均设置于目标聚焦面的边缘处，此处，任意相邻的两个第一改质层之间形成间隔区，每个第二改质层均设置于对应的间隔区内，也即是，在目标聚焦面上形成多个间隔分布的第二改质层的步骤包括：在最外侧的第一改质层贯穿晶锭的表面时，在相邻的两个第一改质层之间形成第二改质层，进而第一改质层与第二改质层依次交替布置。
当任意相邻的两个第一改质层之间具有间隔区,且位于多个第一改质层的最外侧的任一端或两端的第一改质层与目标聚焦面的边缘处具有一定的间隔区时，此时，每个第二改质层设置于对应的间隔区内，此时第一改质层与第二改质层交替布置。
也即是，在目标聚焦面上形成多个间隔分布的第二改质层的步骤包括：在相邻的两条第一改质层之间形成第二改质层，以及在最外侧的第一改质层的外侧形成贯穿晶锭的表面的第二改质层。
在上述实现过程中，可根据位于最外侧的第一改质层是否贯穿晶锭的表面，选择第二改质层的加工方式，保证最终形成的第三改质层沿目标聚焦面贯穿晶锭。
其中，需要说明的是，每个第二改质层的形成方式为：通过控制移动的路径直接形成连续的第二改质层；或者先在间隔区形成改质层单元，改质层单元将其所在的间隔区分隔为新的间隔区，重复上述步骤，直至任意相邻的两个改质层单元连接并形成连续的第二改质层。同理，每个第一改质层也可以由上述方式制得，在此不做赘述。
可选地，第一改质层与第二改质层的连接方式包括：任意相邻的第一改质层与第二改质层部分重合，以连接形成连续的整体。或者，任意相邻的第一改质层与第二改质层对接连接，形成连续的整体。
除了上述两种设置方式以外，可选地，第一改质层与第二改质层的连接方式包括：
第一改质层与第二改质层之间具有间隙，且位于间隙的第一改质层扩展的裂纹与第二改质层扩展的裂纹连接。
在步骤S1和步骤S2中，剥离方法还包括：利用在线监测装置实时获得每个第一改质层、每个第二改质层的裂纹扩展状态。
S3.以第三改质层作为剥离界面将作为目标晶圆的部分自晶锭剥离，获得晶圆。
请参阅图1，本申请提供一种晶圆90的剥离装置100，其包括平台10、激光发射***、剥离机构(图未示)以及在线监测装置(图未示)。
其中，平台10用于放置晶锭80，平台10与激光发射***能够相对移动。
具体地，平台10能够沿互相垂直的X轴、Y轴以及Z轴移动，其中具体移动设置方式可参考相关技术，在此不做限定，只要能够实现上述三个方向的移动即可，除此以外，激光发射***也可以沿互相垂直的X轴、Y轴以及Z轴移动，通过平台10与激光发射***的相对移动实现加工方向及加工深度的调整。
具体地，激光发射***包括沿光路设置的激光发射器20、扩束镜30、沿预设方向依次间隔且平行布置的多个分光镜40及最后的一个全反射镜50，以及与每个分光镜40、全反射镜50对应的多个聚光镜60。每个分光镜40将接收的激光束分为两束，其中一束激光束依次输送至下一个分光或全反射镜50，另一束激光束输送至其对应的聚光镜60，进而通过聚光镜60将激光束沿垂直于晶锭80的目标聚焦面81的方向聚焦于晶锭80内。
分光镜40的数量例如为两个、三个、十个等，本实施例中，分光镜40的数量为三个，其在预设方向上根据接收激光束的先后顺序依次作为第一个分光镜40、第二个分光镜40以及第三个分光镜40。
其中，以激光发射器发射的初始激光束作为激光束A71，其在扩束后输送至第一个分光镜40被分为激光束B72和激光束C73，其中激光束B72输送至其对应的聚光镜60，激光束C73输送至第二个分光镜40并经第二个分光镜40分为激光束D74和激光束F76，其中激光束D74输送至其对应的聚光镜60，激光束F76输送至全反射镜50并经全反射镜50反射至其对应的聚光镜60，其中，图1中箭头为光线传输方向。
剥离机构用于将作为目标晶圆的部分自晶锭沿剥离界面剥离，剥离机构例如为晶圆剥离胶带等，在此不做限定。在线监测装置用于实时获得第一改质层82、第二改质层83的裂纹84扩展状态。
具体地，在线监测装置包括声发射检测***及CCD***，以通过声波信号传递与改质层影像实时获得裂纹84扩展状态。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
其中，需注意的是，以下实施例1和实施例2中，均采用上述晶圆90的剥离装置100进行晶圆90的剥离。
实施例1
请参阅图1，取待剥离的碳化硅晶锭80放置于运动平台10上，根据晶锭80的尺寸，设定多个间隔布置的剥离区域，同时移动运动平台10，使激光发射器20产生的激光束能够透过晶锭80表面聚焦于晶锭80内的目标聚焦面81。
请参阅图1以及图2以及图3，开启激光发射器20，获得激光束A71，激光束A71能量设置为100μJ，脉宽4ns、波长1030nm，其经扩束镜30扩束后通过第一个分光镜40分成激光束B72和激光束C73，能量各占激光束A71的30％、70％。激光束C73进入第二个分光镜40再分成激光束D74和激光束E75，其中，能量各占激光束A71的40％、30％。激光束E75通过全反射镜50形成激光束F76。
其中，激光束B72、激光束D74、激光束F76的扫描速度分别设定为60mm/s、150mm/s、60mm/s，且激光束B72、激光束D74、激光束F76均经对应的聚焦镜聚焦在各自对应的剥离区域，移动运动平台10，依次进行剥离区域的加工，得到内部含有多个非连续的第一改质层82的晶锭80后，关闭激光发射器20，其中，多个第一改质层82的最外侧的两个第一改质层82均与目标聚焦面81的边缘处留置有间隔区，且任意相邻的两个第一改质层82之间也形成间隔区，间隔区可大幅减小激光束连续作用而导致的局部区域热量集中。
其中，根据各剥离区域在晶锭80的位置差异，各激光束的能量有所不同，分别满足：E(A)≥E(B)+E(C)，E(C)≥E(D)+E(E)，E(E)≥E(F)。
再次移动运动平台10，开启激光发射器20，使激光束B72、激光束D74、激光束F76作用于间隔区并同时移动运动平台10，形成第二改质层83，并且第二改质层83与第一改质层82经裂纹84连接形成连续的第三改质层。加工过程中，通过在线监测装置实时监控晶锭80内部第一改质层82的裂纹84、第二改质层83的裂纹84扩展状态，进而获得第三改质层的形成状态，当第三改质层贯穿于晶锭80的剥离面时，即可通过剥离机构沿第三改质层从晶锭80上剥离得到晶圆90。
实施例2
请参阅图4，取待剥离的碳化硅晶锭80放置于运动平台10上，根据晶锭80的尺寸，设定多个间隔布置的剥离区域，同时移动运动平台10，使激光发射器20产生的激光束能够透过晶锭80表面聚焦于晶锭80内的目标聚焦面81。
请参阅图4以及图5，激光束A71能量设置为150μJ，脉宽800ns、波长1030nm，其经扩束镜30扩束后通过第一个分光镜40分成激光束B72和激光束C73，能量各占激光束A71的40％、60％。激光束C73进入第二个分光镜40再分成激光D和激光E，能量各占激光束A71的20％、40％。激光束E75通过全反射镜50形成激光束F76。
其中，激光束B72、激光束D74、激光束F76的扫描速度分别设定为55mm/s、125mm/s、55mm/s，且激光束B72、激光束D74、激光束F76均经对应的聚焦镜聚焦在各自对应的剥离区域进行剥离区域的加工，完成后，关闭激光发射器20。其中，多个第一改质层82的最外侧的两个第一改质层82均位于目标聚焦面81的边缘处，任意相邻的两个第一改质层82之间形成间隔区，间隔区可大幅减小激光束连续作用而导致的局部区域热量集中。
其中，根据各剥离区域在晶锭80的位置差异，各激光束的能量有所不同，分别满足：E(A)≥E(B)+E(C)，E(C)≥E(D)+E(E)，E(E)≥E(F)。
再次移动运动平台10，开启激光发射器20，使激光束B72、激光束D74、激光束F76作用于间隔区并同时移动运动平台10，形成第二改质层83，如图2所示，第二改质层83与第一改质层82经裂纹84连接形成连续的第三改质层。加工过程中，通过在线监测装置实时监控晶锭80内部第一改质层82的裂纹84、第二改质层83的裂纹84扩展状态，进而获得第三改质层的形成状态，当第三改质层贯穿于晶锭80的剥离面时，即可通过剥离机构沿第三改质层从晶锭80上剥离得到晶圆90。
综上，本申请提供的晶圆的剥离方法，可大幅减小激光束连续作用而导致的局部区域热量集中，大幅降低激光加工过程中产生的不利热影响，提高晶圆的剥离质量。利用本申请提供的晶圆的剥离装置进行晶圆的剥离，剥离效率高。
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 (7)
1.一种晶圆的剥离方法，其包括以下步骤：
先在晶锭的目标聚焦面上形成多个间隔分布的第一改质层；
然后在所述目标聚焦面上形成第二改质层，所述第二改质层的数量为一个或多个，其中，所述第二改质层与所述第一改质层交替布置且互相连接以共同形成连续的第三改质层，所述第三改质层沿所述目标聚焦面贯穿所述晶锭；以及
以第三改质层作为剥离界面，将作为目标晶圆的部分自晶锭剥离，获得所述晶圆；
其中，多个间隔分布的第一改质层的形成方法包括：采用多个间隔分布的对所述晶锭具有穿透性波长的激光束同时聚焦于目标聚焦面，沿预设加工路径加工所得；相邻的两个第一改质层之间具有间隔区；
多个间隔分布的第二改质层的形成方法包括：采用多个间隔分布的对所述晶锭具有穿透性波长的激光束同时聚焦于目标聚焦面且位于所述间隔区内，沿预设加工路径加工所得，
其中，每个所述激光束的脉宽范围为200fs～10ns，波长范围为355nm～1064nm，扫描速度范围为50mm/s～200mm/s，其中，形成第一改质层的激光束与形成第二改质层的激光束相同。
2.根据权利要求1所述的剥离方法，其特征在于，在所述目标聚焦面上形成多个间隔分布的第二改质层的步骤包括：
在最外侧的所述第一改质层贯穿所述晶锭的表面时，在相邻的两个所述第一改质层之间形成所述第二改质层；或，在相邻的两条所述第一改质层之间形成所述第二改质层，以及在最外侧的所述第一改质层的外侧形成贯穿所述晶锭的表面的所述第二改质层。
3.根据权利要求1所述的剥离方法，其特征在于，多个间隔分布的所述激光束的总能量为10μJ～300μJ。
4.根据权利要求1所述的剥离方法，其特征在于，所述第一改质层与所述第二改质层的连接方式包括：
所述第一改质层与所述第二改质层之间具有间隙，且位于所述间隙的所述第一改质层扩展的裂纹与所述第二改质层扩展的裂纹连接。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的剥离方法，其特征在于，所述剥离方法还包括：利用在线监测装置实时获得每个所述第一改质层、每个所述第二改质层的裂纹扩展状态。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的剥离方法，其特征在于，所述晶锭的材质包括硅、碳化硅、蓝宝石和氮化镓中的至少一种。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的剥离方法，其特征在于，所述晶圆的厚度为200μm～600μm。
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