渐开线激光辅助的晶圆切割加工方法、系统及应力检测方法

1.本发明涉及晶圆切割工艺领域，具体涉及一种超快激光晶圆切割加工方法、系统及应力检测方法。


背景技术：

2.宽禁带半导体具备禁带宽度大、电子饱和飘移速度高、击穿场强大等优势，是制备高功率密度、高频率、低损耗电子器件的理想材料。碳化硅(sic)材料具有热导率高、化学稳定性好、耐高温等优点，在sic衬底上外延宽禁带半导体材料，对充分发挥宽禁带半导体材料的优势，并提升宽禁带半导体电子器件的性能具有重要意义。但是由于sic具有非常高的硬度，因此想要获得尺寸更大、更薄的晶圆需要更先进的切割技术。
3.在工业加工中，传统的金刚线切割技术在小尺寸晶圆切割中具有大批量生产的优势，在硅等硬脆半导体切割中更有普遍的运用。这种加工方法具有大量生产优势，但是传统的线锯切割晶片技术在切割过程中存在大量材料损耗并且不适用于6寸以上晶圆切割的缺点。
4.脉冲激光具有脉冲时间短、峰值能量高、激光半径小等优点，可以在非接触条件下完成对硬脆材料的精细加工。早在上世纪七十年代，garibotti等人就提出了用激光划线实现对硬脆半导体材料的切割。与传统的线切割方法类似，现有的xy轴二维移动台激光切割系统用激光束代替了金刚线在晶圆侧面划线，然后借助外力实现晶圆与晶片的分离。
5.但是现有的xy轴二维移动台激光切割工艺依然存在晶片在切割过程中，侧面崩裂的危险，于是科研工作者着手研究直接将激光聚焦到晶圆内部，通过高密度划线实现晶片的直接剥离。图1展示了激光器固定，光束在旋转的晶碇内部留下划痕的示意图。f.fukuyo等人利用纳秒激光局部加热原理，通过在硅内部高密度的激光划线，在焦深处产生局部高密度位错，实现了激光从表面聚焦到内部引起硅片的剥离。但是分光激光束很难保证应力分布均匀性，难以调控应力分布，因而该方法还是存在切口处粗糙度高、残余应力大的缺陷。
6.进一步的，为了减少热效应对切口造成的损伤以及避免引入更多的热应力，研究人员开始尝试用更短脉冲激光切割硬脆半导体。对于具体哪一种脉冲激光器的选择根据切割最终所需目的而定，飞秒激光器价格昂贵，切割条件要求高，但是热效应小，晶片切面质量高，适用于工业级别生产。皮秒脉冲激光器价格低，但是热效应大，适合在大批量实验过程中使用。


技术实现要素：

7.本发明实施例提供一种渐开线激光辅助的晶圆切割加工方法、系统及应力检测方法，以克服现有技术切口处粗糙度高、残余应力大的缺陷。
8.为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
9.第一方面，渐开线激光辅助的晶圆切割加工方法，包括：
10.将晶圆固定于转台上，转台放置于载物台上；
11.调整载物台在x
‑
y平面上的位置，使激光器聚焦在晶圆中心；
12.驱动转台匀速旋转，并驱动激光器沿x轴或y轴水平匀速运动，使激光在晶圆上的运动曲线为渐开线；在激光器匀速运动的过程中控制激光脉冲的峰值能量和脉冲宽度从而切割晶圆。
13.可选地，所述在激光器匀速运动的过程中控制激光脉冲的峰值能量和脉冲宽度，是根据预先对晶圆样品进行模拟测试获得的应力空间分布，实时调节所述激光脉冲的峰值能量和脉冲宽度的控制量；所述预先对晶圆样品进行模拟测试，具体是：驱动转台匀速旋转，并驱动激光器沿x轴或y轴水平匀速运动，使激光在晶圆样品上的运动曲线为渐开线，恒定施加恰好能在晶圆内部形成损伤的激光能量，得到应力均衡施加的晶圆样品，再测得晶圆样品的应力空间分布。
14.可选地，所述测得晶圆样品的应力空间分布，具体是基于共聚焦拉曼光谱仪进行无损检测，得到拉曼应力空间分布图。
15.可选地，所述晶圆材料为碳化硅。
16.可选地，所述激光器为光纤激光器，输出皮秒激光或飞秒激光。
17.可选地，所述转台为圆型转台。
18.第二方面，一种渐开线激光辅助的晶圆切割加工系统，包括：
19.激光器；
20.激光扫描驱动机构，用于驱动所述激光器沿x轴或y轴水平匀速运动；
21.转台，用于固定晶圆，使晶圆跟随转台水平匀速旋转；
22.载物台，用于定位放置所述转台；
23.载物台位移机构，用于调整载物台在x
‑
y平面上的位置，使激光器聚焦在晶圆中心；
24.控制器，用于控制所述转台和激光扫描驱动机构，使转台匀速旋转，且激光器沿x轴或y轴水平匀速运动，使激光在晶圆上的运动曲线为渐开线；并在激光器匀速运动的过程中控制激光脉冲的峰值能量和脉冲宽度从而切割晶圆。
25.可选地，所述控制器控制激光脉冲的峰值能量和脉冲宽度，可以是根据预先对晶圆样品进行模拟测试获得的应力空间分布，实时调节所述激光脉冲的峰值能量和脉冲宽度的控制量。
26.进一步地，所述预先对晶圆样品进行模拟测试，具体可以是：控制器控制所述转台和激光扫描驱动机构，使转台匀速旋转，且激光器沿x轴或y轴水平匀速运动，使激光在晶圆上的运动曲线为渐开线，恒定施加恰好能在晶圆内部形成损伤的激光能量，得到应力均衡施加的晶圆样品，再测得晶圆样品的应力空间分布。
27.进一步地，所述测得晶圆样品的应力空间分布，具体可以是控制器控制共聚焦拉曼光谱仪进行无损检测，得到拉曼应力空间分布图。
28.可选地，所述晶圆材料为碳化硅。
29.可选地，所述激光器为光纤激光器，输出皮秒激光或飞秒激光。
30.可选地，所述转台为圆型转台。
31.第三方面，一种基于渐开线的晶圆内超快激光应力均衡施加方法，包括：
32.步骤1：将晶圆固定于转台上，转台放置于载物台上；调试设置激光器初始脉冲峰值能量和脉冲宽度，使激光聚焦在晶圆内部，且不能在晶圆内部形成损伤；关闭激光器；
33.步骤2：调整载物台在x
‑
y平面上的位置，使激光器聚焦在晶圆中心(立体中心)；再次打开激光器，固定激光器的脉冲宽度不变，阶梯式增加激光脉冲的峰值能量，直至能量恰好能在晶圆内部形成损伤，关闭激光器；
34.步骤3：保持步骤2确定的载物台位置、激光脉冲的峰值能量和脉冲宽度不变，启动转台匀速旋转，再次打开激光器，并使激光器沿x轴或y轴水平匀速运动，使激光在晶圆上的运动曲线为渐开线，在晶圆内部形成连续损伤。
35.优选地，步骤3中，设置转台以10～40rpm匀速旋转，设置激光器沿x轴或y轴水平运动的速度为50～200mm/s。
36.第四方面，一种基于渐开线的晶圆内超快激光应力检测方法，是取经上述基于渐开线的晶圆内超快激光应力均衡施加方法得到的晶圆，基于共聚焦拉曼光谱仪进行无损检测，包括以下步骤：
37.步骤1：设置共聚焦针孔或狭缝的直径或宽度100～200μm,保证共聚焦拉曼光谱仪的z向空间分辨能力；
38.步骤2：选择物镜的工作距离为40～60倍长,数值孔径n
a
＝0.5,设置光谱扫描范围为600cm
‑1～1000cm
‑1，采集晶圆的e2(t
o
)峰所在位置；
39.步骤3：设置共聚焦拉曼光谱仪的光斑聚焦在晶圆样品表面,调整样品台位置直到表面清晰且激光光斑最小,设置此时样品台位置为z＝0μm；
40.步骤4：调整积分时间为10
‑2～1s,保证单点拉曼光谱的信噪比，检测得到表面的e2(t
o
)峰所在位置为ω0；
41.步骤5：以激光行进过的路径为中心线，从晶圆样品表面开始逐层采样扫描；设置采样点之间的弧距离为1～5μm，相邻采样层之间的采样点距离为1～5μm，一直扫到晶圆底部；
42.步骤6：保持上述步骤4中设置的共聚焦针孔或狭缝、物镜、光谱扫描范围以及积分时间不变,获得不同空间位置采样点的e2(t
o
)峰所在位置ω0，将所得ω0减去e2(t
o
)峰所在位置后，得到空间中各个采样点的拉曼峰位移δω(cm
‑1)；
43.步骤7：对步骤6扫描获得的不同空间位置的拉曼峰位移按照双轴应力模型进行计算应力(表示声子形变势能)：
44.σ(mpa)＝δω/2a
′
45.步骤8：对步骤7中获得的采样点进行空间标注，得到拉曼应力空间分布图，其中应力最大的地方就是损伤所在的区域。
46.上述x(轴)、y(轴)、z(轴)为激光加工技术领域通常的坐标轴含义，即x
‑
y平面为晶圆所在平面(一般为水平面)，z轴垂直于x
‑
y平面。
47.本发明至少具有以下有益效果：
48.本发明将晶圆固定于转台上，激光器起始位置聚焦在晶圆中心；驱动转台匀速旋转，并驱动激光器沿x轴或y轴水平匀速运动，使激光在晶圆上的运动曲线为渐开线；在激光器匀速运动的过程中控制激光脉冲的峰值能量和脉冲宽度从而切割晶圆。相比常规切割工艺，本发明加工速度更加高速、平稳，内爆位置更加精确，因此切口较为平滑、残余应力较
低。
49.本发明还对脉冲激光加工后晶圆内部残余应力分布情况做准确定位、无损分析，并用以反馈到激光加工参数的调节，从而进一步提高激光切割工艺的检测速度和稳定性；且降低了晶圆(碳化硅)相关检测实验的成本，还可同时多位置对碳化硅晶圆残余应力分布进行检测，最终能够提高材料的利用率。
附图说明
50.为了更清楚地说明现有技术以及本发明，下面将对现有技术以及本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的附图。
51.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
52.图1为一种现有技术(激光器固定分光、晶碇旋转)光束在旋转的晶碇内部留下划痕的示意图；
53.图2为本发明一个实施例中渐开线的示意图。
54.图3为本发明一个实施例的渐开线激光辅助的晶圆切割加工系统结构示意图；图中，显微镜6是在基于共聚焦拉曼光谱仪进行应力检测时使用，在晶圆切割加工时并不必需。
55.附图标号说明：
[0056]1‑
转台；2
‑
碳化硅片；3
‑
光纤激光器；4
‑
轴承架；5
‑
直线电机；6
‑
显微镜。
具体实施方式
[0057]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0058]
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“包括”、“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包括了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于已明确列出的那些步骤或单元，而是还可包含虽然并未明确列出的但对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元，或者基于本发明构思进一步的优化方案所增加的步骤或单元。
[0059]
本发明的一个实施例提供的一种渐开线激光辅助的晶圆切割加工方法，包括：
[0060]
将晶圆固定于转台上，转台放置于载物台上；
[0061]
调整载物台在x
‑
y平面上的位置，使激光器聚焦在晶圆中心；
[0062]
驱动转台匀速旋转，并驱动激光器沿x轴或y轴水平匀速运动，使激光在晶圆上的运动曲线为渐开线，如图2所示；在激光器匀速运动的过程中控制激光脉冲的峰值能量和脉冲宽度从而切割晶圆。
[0063]
从图2中可以看出，在激光器水平匀速运动和晶圆高速旋转的工作条件下产生的划痕线，形状如同阿基米德展开线。
[0064]
上述激光器匀速运动的过程中控制激光脉冲的峰值能量和脉冲宽度，是根据预先对晶圆样品进行模拟测试获得的应力空间分布，实时调节所述激光脉冲的峰值能量和脉冲宽度的控制量。
[0065]
上述预先对晶圆样品进行模拟测试，具体是：驱动转台匀速旋转，并驱动激光器沿x轴或y轴水平匀速运动，使激光在晶圆样品上的运动曲线为渐开线，恒定施加恰好能在晶圆内部形成损伤的激光能量，得到应力均衡施加的晶圆样品；再测得晶圆样品的应力空间分布，具体可基于共聚焦拉曼光谱仪进行无损检测，得到拉曼应力空间分布图。
[0066]
上述激光器输出皮秒激光或飞秒激光。
[0067]
如图3所示，本发明一个实施例提供的一种渐开线激光辅助的晶圆切割加工系统，包括：
[0068]
激光器；具体优选光纤激光器3，输出皮秒激光或飞秒激光；
[0069]
激光扫描驱动机构，具体采用直线电机5驱动光纤激光器3沿x轴或y轴水平匀速运动；这里的x轴、y轴，其相应的x
‑
y平面为晶圆所在平面(一般为水平面)，z轴垂直于x
‑
y平面；
[0070]
转台1，用于固定晶圆(碳化硅片2)，使晶圆跟随转台水平匀速旋转；
[0071]
载物台，用于定位放置转台1；
[0072]
载物台位移机构，用于调整载物台在x
‑
y平面上的位置，使激光器聚焦在晶圆中心；
[0073]
控制器，用于控制所述转台和激光扫描驱动机构，使转台匀速旋转，且激光器沿x轴或y轴水平匀速运动，使激光在晶圆上的运动曲线为渐开线；并在激光器匀速运动的过程中控制激光脉冲的峰值能量和脉冲宽度从而切割晶圆。
[0074]
可选地，所述控制器控制激光脉冲的峰值能量和脉冲宽度，可以是根据预先对晶圆样品进行模拟测试获得的应力空间分布，实时调节所述激光脉冲的峰值能量和脉冲宽度的控制量。
[0075]
与现有的xy轴二维移动台激光切割系统相比，本实施例的渐开线激光辅助的晶圆切割加工系统及应力均衡施加方案具有以下优势：(1)加工速度更加高速、平稳，内爆位置更加精确，因为xy轴二维移动台在切割过程中引入杂力过多且二维移动平台在起止时震动明显，而转台旋转的稳定性远高于轴移动平台；(2)提高材料的利用率；(3)降低碳化硅相关检测实验的成本(渐开线切割方式，可以在一片碳化硅上在多个位置做相关实验检测)；(4)可同时多位置对碳化硅晶圆残余应力分布进行检测。
[0076]
与图1所示激光器固定分光、晶碇旋转的方案相比，本实施例可确保应力分布均匀性，并调控应力分布，从而切口较为平滑、残余应力较低。
[0077]
上述晶圆材料可以是碳化硅，但不限于碳化硅，也可以是其他宽禁带半导体材料等。
[0078]
上述转台一般采用圆型转台。
[0079]
为了对脉冲激光加工后晶圆内部残余应力分布情况做准确定位、无损分析，并用以反馈到激光加工参数的调节，本发明一个实施例还提供了一种基于渐开线的晶圆内超快
激光应力均衡施加方法，包括：
[0080]
步骤1：将晶圆固定于转台上，转台放置于载物台上；调试设置激光器初始脉冲峰值能量和脉冲宽度，使激光聚焦在晶圆内部，且不能在晶圆内部形成损伤；关闭激光器；
[0081]
步骤2：调整载物台在x
‑
y平面上的位置，使激光器聚焦在晶圆中心(立体中心)；再次打开激光器，固定激光器的脉冲宽度不变，阶梯式增加激光脉冲的峰值能量，直至能量恰好能在晶圆内部形成损伤，关闭激光器；
[0082]
步骤3：保持步骤2确定的载物台位置、激光脉冲的峰值能量和脉冲宽度不变，启动转台匀速旋转，再次打开激光器，并使激光器沿x轴或y轴水平匀速运动，使激光在晶圆上的运动曲线为渐开线，在晶圆内部形成连续损伤。
[0083]
优选地，步骤3中，设置转台以10～40rpm匀速旋转，设置激光器沿x轴或y轴水平运动的速度为50～200mm/s。经多次测试，以上述参数进行模拟测试，效果较佳(应力影响小于10％，且尽可能多的在一个片子上测试应力)。
[0084]
申请人模拟测试过程中，以划线应力影响较小为主要考虑因素，也考虑了以下几个方面：碳化硅尺寸大概几厘米的范围，对于转台转速达到上万rpm也可行，但是，相应的激光器沿x轴或y轴水平匀速运动的速度也就需要很快(因为渐开线不宜过密)，从而保证划线产生的应力在一个合理的范围，保证它们之间影响较小。
[0085]
瑞利散射：大部分入射光发生的是弹性散射，即只改变了光线行进方向，没有改变激光的能量，射出样品后频率没有改变。
[0086]
拉曼散射：一部分光子在行进过程中与样品分子发生了非弹性碰撞，及入射光子与分子或者晶格之间发生了能量的交换，导致散射出来的光子不仅改变了方向，也改变了频率。
[0087]
对经上述基于渐开线的晶圆内超快激光应力均衡施加方法得到的晶圆，基于共聚焦拉曼光谱仪进行无损检测，包括以下步骤：
[0088]
步骤1：设置共聚焦针孔或狭缝的直径或宽度100～200μm,保证共聚焦拉曼光谱仪的z向空间分辨能力；
[0089]
步骤2：选择物镜(显微镜6)的工作距离为40～60倍长,数值孔径n
a
＝0.5,设置光谱扫描范围为600cm
‑1～1000cm
‑1，采集晶圆的e2(t
o
)峰所在位置；
[0090]
步骤3：设置共聚焦拉曼光谱仪的光斑聚焦在晶圆样品表面,调整样品台位置直到表面清晰且激光光斑最小,设置此时样品台位置为z＝0μm；
[0091]
步骤4：调整积分时间为10
‑2～1s,保证单点拉曼光谱的信噪比，检测得到表面的e2(t
o
)峰所在位置为ω0；
[0092]
步骤5：以激光行进过的路径为中心线，从晶圆样品表面开始逐层采样扫描；设置采样点之间的弧距离为1～5μm，相邻采样层之间的采样点距离为1～5μm，一直扫到晶圆底部；
[0093]
步骤6：保持上述步骤4中设置的共聚焦针孔或狭缝、物镜、光谱扫描范围以及积分时间不变,获得不同空间位置采样点的e2(t
o
)峰所在位置ω0，将所得ω0减去e2(t
o
)峰所在位置后，得到空间中各个采样点的拉曼峰位移δω(cm
‑1)；
[0094]
步骤7：对步骤6扫描获得的不同空间位置的拉曼峰位移按照双轴应力模型进行计算应力(表示声子形变势能)：
[0095]
σ(mpa)＝aω/2a'
[0096]
步骤8：对步骤7中获得的采样点进行空间标注，得到拉曼应力空间分布图，其中应力最大的地方就是损伤所在的区域。
[0097]
本发明实施例极大地提高了加工过程的加工速度，也保证了加工过程的高稳定性；采用激光内爆的方式，使激光聚焦位置更加准确；提高了激光切割碳化硅晶圆技术的材料利用率，降低碳化硅相关检测实验成本，改善了以往一维直线激光切割系统对材料利用率较低的缺陷，并且本发明的激光切割系统可同时多位置对碳化硅晶圆残余应力分布进行检测，从而更有利于精细化控制激光工作参数，进一步提升切割质量。
[0098]
基于共聚焦拉曼光谱仪的检测方法，避免了对于碳化硅晶圆的损伤，可以无损检测碳化硅内部损伤所在深度；共聚焦拉曼平均每立方微米的检测时间为0.2s，可以实现小范围短时间内对拉曼应力的检测。
[0099]
上述x(轴)、y(轴)、z(轴)为激光加工技术领域通常的坐标轴含义，即x
‑
y平面为晶圆所在平面(一般为水平面)，z轴垂直于x
‑
y平面。
[0100]
以上几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
[0101]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合(只要这些技术特征的组合不存在矛盾)，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述；这些未明确写出的实施例，也都应当认为是本说明书记载的范围。
[0102]
上文中通过一般性说明及具体实施例对本发明作了较为具体和详细的描述。应当指出的是，在不脱离本发明构思的前提下，显然还可以对这些具体实施例作出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。