CN112296540A - 一种碳化硅晶体激光切片装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳化硅晶体激光切片装置及方法，其包括激光切割机构和热力分离机构；本发明首先利用切割光源在切割面重新构建该切割面的晶体结构，使单晶态变为非晶态，然后再利用垂直辐射光源和侧面辐射光源对碳化硅晶体进行激光加热，在切割面因为之前的晶态改变，产生热应力效应，最终会沿该切割面热裂分离出表面的片状晶圆。以激光热裂分离出片状晶圆的工序要求虽然增加，但整体效率增加，可以减少4成以上的加工时间。同时激光焦点上下附近形成的切割区域比机械线切割口小，这可节剩材料至少5成。激光热裂法制备片状晶圆工艺干浄，不产生多余废料，这是一种环保工序。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅晶体加工技术领域，具体涉及一种碳化硅晶体激光切片装置及方法。
背景技术
目前碳化硅单晶生长标准技术为籽晶升华法，也被称为物理气相输运生长法PVT。籽晶升华法是通过将一块籽晶放置于坩埚内的一处温度稍低区域，碳化硅SiC源(多晶体)放置在圆柱形致密的石墨坩埚的底部，碳化硅SiC籽晶则放置在坩埚盖附近。坩埚通过射频感应或电阻加热至2300～2400℃，籽晶温度设定在比蒸发源温度低约100℃，这样使得升华的碳化硅SiC物质可以在籽晶上凝结并结晶。成核的晶体是呈周边不规状的圆柱形，成核晶体先加工成圆柱形，再加工成片状、粗抛光，细抛光等工序才形成圆形片状的芯片。
目前主流的圆柱切片工序是采用机械式多组钻石线切割法加工，其是以多组钻石线沿所需的切割面研磨。碳化硅的硬度很大，莫氏硬度为9.5级，仅次于最硬的钻石10级。以机械式切片加工效率不佳，且非常耗时，4寸芯片的加工时间需费10几个小时以上；同时对钻石线的消耗也大。机械式加工法造成的表面加工痕迹较深，加大下一步骤研磨工序的难度。也有研究提出化学机械法来改善这问题，在研磨液中填加化学反应剂，破坏切割线与晶体接触面的分子结构；这方法可以提高和改善问题，但却造成加工废液产生的环境保护问题。
因此，本发明人针对现有碳化硅晶体切片加工存在的诸多问题而深入构思，遂产生本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加工效率高且环保的碳化硅晶体激光切片装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种碳化硅晶体激光切片装置，其包括激光切割机构和热力分离机构；
所述激光切割机构包括工作台以及设置在工作台上方的切割光源，所述工作台用于放置碳化硅晶体，所述切割光源用于扫描碳化硅晶体，且该切割光源产生的光束在碳化硅晶体上的入射点形成一圆环，所述切割光源产生的光束在碳化硅晶体上的入射角θ大于60°；所述切割光源产生的光束在碳化硅晶体内形成一汇聚点，该汇聚点满足以下条件：
所述热力分离机构包括旋转盘、垂直辐射光源和侧面辐射光源，所述旋转盘用于防止晶激光切割机构处理过的碳化硅晶体，该旋转盘连接有驱动其转动的驱动件；所述垂直辐射光源设置在旋转盘上方，其产生的光束用于垂直进入碳化硅晶体内；所述侧面辐射光源设置在旋转盘的侧边，其产生的光束以2-5°的入射角进入碳化硅晶体内。
所述切割光源产生的光束中的每个光束的能量小于碳化硅晶体的热熔能量阈值；所述切割光源产生的光束在碳化硅晶体的汇聚点处的能量大于碳化硅晶体的热熔阈值。
所述旋转盘的10-30Hz的频率旋转。
所述切割光源由多个高斯激光束构成。
所述垂直辐射光源产生平行光束，该平行光束在碳化硅晶体上形成一圆面，该圆面的直径等于碳化硅晶体的圆面半径。
一种碳化硅晶体激光切片方法，其包括以下步骤：
步骤1、对碳化硅晶体进行激光切割；
首先，将需要切片的碳化硅晶体放置在工作台上；
然后，确定切割深度h，并根据设定的切割深度h调节切割光源与碳化硅晶体上表面之间的距离，使得切割光源产生的光束在碳化硅晶体上所形成的圆环满足以下条件：
最后，开启切割光源，并利用该切割光源产生的光束扫描碳化硅晶体；
步骤2、对步骤1处理过的碳化硅晶体进行热力辐射，分离出晶圆片；
具体地，将碳化硅晶体放置在旋转盘上，并控制旋转盘转动；然后开启旋转盘上方的垂直辐射光源，使得垂直辐射光源产生平行光束并垂直进入碳化硅晶体；同时，开启旋转盘侧边的侧面辐射光源，使侧面辐射光源产生的光束以2-5°的入射角进入碳化硅晶体；持续照射，直至晶圆片从碳化硅晶体中分离出来。
所述切割光源产生的光束中的每个光束的能量小于碳化硅晶体的热熔能量阈值；所述切割光源产生的光束在碳化硅晶体的汇聚点处的能量大于碳化硅晶体的热熔阈值。
所述旋转盘的10-30Hz的频率旋转。
所述切割光源多个高斯激光束构成。
所述垂直辐射光源产生平行光束，该平行光束在碳化硅晶体上形成一圆面，该圆面的直径等于碳化硅晶体的圆面半径。
采用上述方案后，本发明首先利用切割光源在切割面重新构建该切割面的晶体结构，使单晶态变为非晶态，然后再利用垂直辐射光源和侧面辐射光源对碳化硅晶体进行激光加热，在切割面因为之前的晶态改变，产生热应力效应，最终会沿该切割面热裂分离出表面的片状晶圆。以激光热裂分离出片状晶圆的工序要求虽然增加，但整体效率增加，可以减少4成以上的加工时间。同时激光焦点上下附近形成的切割区域比机械线切割口小，这可节剩材料至少5成。激光热裂法制备片状晶圆工艺干浄，不产生多余废料，这是一种环保工序。
附图说明
图1为本发明激光切割机构的结构示意图；
图2为本发明切割光源的光路图；
图3为本发明热力分离机构的结构示意图。
标号说明:
激光切割机构10；切割光源11；工作台12；热力分离机构20；旋转盘21；驱动件22；垂直辐射光源23；侧面辐射光源24；碳化硅晶体30。
具体实施方式
本发明揭示了一种碳化硅晶体激光切片装置，其包括激光切割机构10和热力分离机构20。
其中，如图1和图2所示，激光切割机构10包括工作台12以及设置在工作台12上方的切割光源11，所述工作台12用于放置碳化硅晶体30，所述切割光源11用于扫描碳化硅晶体30，且该切割光源11产生的光束在碳化硅晶体30上的入射点形成一圆环，所述切割光源11产生的光束在碳化硅晶体30上的入射角θ大于60°；所述切割光源11产生的光束在碳化硅晶体30内形成一汇聚点，该汇聚点满足以下条件：
进一步地，切割光源11由多个高斯激光束构成，该切割光源11产生的光束中的每个光束的能量小于碳化硅晶体30的热熔能量阈值；所述切割光源11产生的光束在碳化硅晶体30的汇聚点处的能量大于碳化硅晶体30的热熔阈值。使得切割光源11产生的光束只有在汇聚点处才能对碳化硅晶体30进行切割，即因为汇聚点的能量超过了热熔阈值，所以只有汇聚点处的碳化硅晶体30的单晶格结构因烧熔而重组为非晶态。
因为激光切割机构10将碳化硅晶体30的切割处的单晶态变为多晶态，所以通过热力分离机构20对碳化硅晶体30进行加热，由于热应力效应，使晶圆片从碳化硅晶体30中分离。如图3所示，该热力分离机构20包括旋转盘21、垂直辐射光源23和侧面辐射光源24，所述旋转盘21用于防止晶激光切割机构10处理过的碳化硅晶体30，该旋转盘21连接有驱动其转动的驱动件22；所述垂直辐射光源23设置在旋转盘21上方，其产生的光束用于垂直进入碳化硅晶体30内；所述侧面辐射光源24设置在旋转盘21的侧边，其产生的光束以2-5°的入射角进入碳化硅晶体30内。
进一步地，旋转盘21的10-30Hz的频率旋转。垂直辐射光源23产生平行光束，该平行光束在碳化硅晶体30上形成一圆面，该圆面的直径等于碳化硅晶体30的圆面半径。
基于同一发明构思，本发明还揭示了一种碳化硅晶体激光切片方法，其包括以下步骤：
步骤1、对碳化硅晶体30进行激光切割；
首先，将需要切片的碳化硅晶体30放置在工作台12上；
然后，确定切割深度h，并根据设定的切割深度h调节切割光源11与碳化硅晶体30上表面之间的距离，使得切割光源11产生的光束在碳化硅晶体30上所形成的圆环满足以下条件：
最后，开启切割光源11，并利用该切割光源11产生的光束扫描碳化硅晶体30。
在该步骤中，切割光源11由多个高斯激光束构成，且切割光源11产生的光束中的每个光束的能量小于碳化硅晶体30的热熔能量阈值；所述切割光源11产生的光束在碳化硅晶体30的汇聚点处的能量大于碳化硅晶体30的热熔阈值。该设置使得切割光源11产生的光束只有在汇聚点处才能对碳化硅晶体30进行切割，即因为汇聚点的能量超过了热熔阈值，所以只有汇聚点处的碳化硅晶体30的单晶格结构因烧熔而重组为非晶态。
步骤2、对步骤1处理过的碳化硅晶体30进行热力辐射，分离出晶圆片；
具体地，将碳化硅晶体30放置在旋转盘21上，并控制旋转盘21转动；然后开启旋转盘21上方的垂直辐射光源23，使得垂直辐射光源23产生平行光束并垂直进入碳化硅晶体30；同时，开启旋转盘21侧边的侧面辐射光源24，使侧面辐射光源24产生的光束以2-5°的入射角进入碳化硅晶体30；持续照射，直至晶圆片从碳化硅晶体30中分离出来。
该步骤中，旋转盘21的10-30Hz的频率旋转，垂直辐射光源23产生平行光束，该平行光束在碳化硅晶体30上形成一圆面，该圆面的直径等于碳化硅晶体30的圆面半径。
本发明首先利用切割光源11在切割面重新构建该切割面的晶体结构，使单晶态变为非晶态，然后再以激光加热，在切割面因为之前的晶态改变，产生热应力效应，最终会沿该面热裂分离出表面的片状晶圆。以激光热裂分离出片状晶圆的工序要求虽然增加，但整体效率增加，可以减少4成以上的加工时间。同时激光焦点上下附近形成的切割区域比机械线切割口小(线切割口＞切割线径)，这可节剩材料至少5成。激光热裂法制备片状晶圆工艺干浄，不产生多余废料，这是一种环保工序。
为详见本发明内容，以下将列举一具体的实施例进行说明。该实施例主要描述切片方法，其具体如下：
步骤1、对碳化硅晶体30进行激光切割；
首先，将碳化硅晶体30固定在工作台12上。
然后，使用10个或以上的100微秒1064nm波长高斯激光束(TM00，Gauss mode)作为切割光源11，在晶柱上方以一圆形排序，并以入射角60°入射至碳化硅晶体30内，透入碳化硅晶体30后并汇聚在所需的切割面内，每激光束108W/cm2，并汇聚点上激光束总和不超过1010W/cm2；并利用这激光束组，扫描碳化硅晶体30，以覆盖整个切割面，沿切割面上下区的单晶格结构会烧熔而重组为非晶态。
切割光源11的激光束组的入射点在圆柱晶体的上表面形成一圆环形，该圆环的中心点与激光束组汇聚点在同垂直线上，入射点形成的圆半径r，与切割面的深度h的关系满足以下条件：
本实施例中，折射率n为2.6767～2.6480，所以h≈0.342r。所以，只要确定了切割深度h，就可以确定圆环的半径r，也就能够确定切割光源11与碳化硅晶体30的上表面之间的距离。
调整好距离后，利用切割光源11的激光光束扫描整个碳化硅晶体30，完成切割面的晶体状态改变。
步骤2、完成上述步骤后，把晶体固定在旋转盘21上，以10～30Hz旋转。再以1个30W～50W，波长1064nm高斯连续激光束在侧面以2°～5°入射角入射晶体。同时，用平行光束垂直照射晶体表面，该平行光束以200W的钨丝灯光源，圆形光束的直径为晶体圆面的半径。持续照射15分钟以上，直到晶体内切割面产生受热而产生应力从圆柱体分离出片状晶圆。
将分离后的圆柱晶体，进行圆形表面的(分离面)研磨抛光。如果需要继续进行切割，重复上述步骤即可。
以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种碳化硅晶体激光切片装置，其特征在于：包括激光切割机构和热力分离机构；
所述激光切割机构包括工作台以及设置在工作台上方的切割光源，所述工作台用于放置碳化硅晶体，所述切割光源用于扫描碳化硅晶体，且该切割光源产生的光束在碳化硅晶体上的入射点形成一圆环，所述切割光源产生的光束在碳化硅晶体上的入射角θ大于60°；所述切割光源产生的光束在碳化硅晶体内形成一汇聚点，该汇聚点满足以下条件：
所述热力分离机构包括旋转盘、垂直辐射光源和侧面辐射光源，所述旋转盘用于防止晶激光切割机构处理过的碳化硅晶体，该旋转盘连接有驱动其转动的驱动件；所述垂直辐射光源设置在旋转盘上方，其产生的光束用于垂直进入碳化硅晶体内；所述侧面辐射光源设置在旋转盘的侧边，其产生的光束以2-5°的入射角进入碳化硅晶体内。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶体激光切片装置，其特征在于：所述切割光源产生的光束中的每个光束的能量小于碳化硅晶体的热熔能量阈值；所述切割光源产生的光束在碳化硅晶体的汇聚点处的能量大于碳化硅晶体的热熔阈值。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶体激光切片装置，其特征在于：所述旋转盘的10-30Hz的频率旋转。
4.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶体激光切片装置，其特征在于：所述切割光源由多个高斯激光束构成。
5.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶体激光切片装置，其特征在于：所述垂直辐射光源产生平行光束，该平行光束在碳化硅晶体上形成一圆面，该圆面的直径等于碳化硅晶体的圆面半径。
6.一种碳化硅晶体激光切片方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、对碳化硅晶体进行激光切割；
首先，将需要切片的碳化硅晶体放置在工作台上；
然后，确定切割深度h，并根据设定的切割深度h调节切割光源与碳化硅晶体上表面之间的距离，使得切割光源产生的光束在碳化硅晶体上所形成的圆环满足以下条件：
最后，开启切割光源，并利用该切割光源产生的光束扫描碳化硅晶体；
步骤2、对步骤1处理过的碳化硅晶体进行热力辐射，分离出晶圆片；
具体地，将碳化硅晶体放置在旋转盘上，并控制旋转盘转动；然后开启旋转盘上方的垂直辐射光源，使得垂直辐射光源产生平行光束并垂直进入碳化硅晶体；同时，开启旋转盘侧边的侧面辐射光源，使侧面辐射光源产生的光束以2-5°的入射角进入碳化硅晶体；持续照射，直至晶圆片从碳化硅晶体中分离出来。
7.根据权利要求6所述的一种碳化硅晶体激光切片方法，其特征在于：所述切割光源产生的光束中的每个光束的能量小于碳化硅晶体的热熔能量阈值；所述切割光源产生的光束在碳化硅晶体的汇聚点处的能量大于碳化硅晶体的热熔阈值。
8.根据权利要求6所述的一种碳化硅晶体激光切片方法，其特征在于：所述旋转盘的10-30Hz的频率旋转。
9.根据权利要求6所述的一种碳化硅晶体激光切片方法，其特征在于：所述切割光源多个高斯激光束构成。
10.根据权利要求6所述的一种碳化硅晶体激光切片方法，其特征在于：所述垂直辐射光源产生平行光束，该平行光束在碳化硅晶体上形成一圆面，该圆面的直径等于碳化硅晶体的圆面半径。
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