一种脆性半导体材料的脆性裂片系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及激光加工技术领域，具体涉及一种脆性半导体材料的脆性裂片系统。
【背景技术】
[0002]脆性断裂与韧性断裂的区别主要是从宏观特征来划分的，判定依据就是“断裂前有没有发生明显的塑性变形”。脆性断裂在断裂前几乎不产生塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5 %时属于脆性断裂，断口平整光亮，有金属光泽，且与正应力垂直。韧性断裂在断裂前发生显著的塑性变形，伴随塑性变形及能量吸收，工件外形呈颈缩、弯曲及断面收缩。
[0003]脆性半导体材料，以硅晶圆切割为例，主流切割技术还是采用金刚石刀片切割，这种切割方式存在切割缝宽较宽，切割效率低下，耗材成本较高等缺点，因此激光切割晶圆应该成为主流技术，但是由于激光切割硅晶圆时会留下激光切割纹理或者说是激光切割痕迹，这些痕迹下面其实暗藏了大量微裂纹与应力集中，还具有一定的的粗糙度，随着时间的推移，这些裂纹逐渐扩展到芯片的电路中间，造成芯片报废。工程上采用三点测试或者四点测试方法，测量脆性材料被激光切割后，切割后的脆性材料的抗弯强度是否下降以及降低多少，一般的激光切割方法，由于切割纹理造成众多微裂纹的存在，导致激光切割后的脆性半导体材料抗弯强度急剧降低，影响了脆性半导体材料的后续使用。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种脆性半导体材料的脆性裂片系统，能够获得高质量的断裂切口，保持脆性半导体材料原有的抗弯强度，消灭应力集中微裂纹，实现脆性半导体材料高速高质量裂片。
[0005]本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：
[0006]本实用新型提供了一种脆性半导体材料的脆性裂片系统，包括加热模块和冷却模块；
[0007]所述加热模块采用加热激光束对脆性半导体材料的待裂片部位内部快速加热，以使脆性半导体材料的待裂片部位内部膨胀形成压应力；同时所述冷却模块对脆性半导体材料的待裂片部位表面进行快速冷却，以使脆性半导体材料的待裂片部位表面收缩形成拉应力，从而使得脆性半导体材料发生脆性断裂，形成光滑切口；其中，所述脆性半导体材料对所述加热激光束光学透明或者部分光学透明，以使所述加热激光束能够进入所述脆性半导体材料内部，使得所述脆性半导体材料的待裂片部位内部能够吸收激光能量从而形成温升，同时，所述脆性半导体材料的待裂片部位内部被加热温度低于该脆性半导体材料塑性形变温度。
[0008]所述脆性半导体材料对加热激光束的吸收，可以是脆性半导体材料本身对一定波长激光是部分透明部分吸收，也可以是脆性半导体材料本身对一定波长激光是透明的，但是由于加热激光束聚焦后激光焦点功率密度较高，使得原本脆性半导体材料对该波长激光透明转为吸收。
[0009]本实用新型的有益效果为:采用加热模块对脆性半导体材料的待裂片部位的内部进行快速加热，以使脆性半导体材料的待裂片部位内部膨胀形成压应力，同时采用冷却模块对脆性半导体材料的待裂片部位表面进行快速冷却，以使脆性半导体材料的待裂片部位表面收缩形成拉应力，从而使得脆性半导体材料发生脆性断裂，形成光滑切口，能够完美地对脆性半导体材料裂片加工，相对于传统的脆性半导体材料的加工方式，能够获得极高的切口质量，维持脆性半导体材料的抗弯强度，消除了传统激光切割造成的微裂纹与应力集中，提高脆性半导体材料的裂片效率。
[0010]在上述技术方案的基础上，还可以作如下改进。
[0011 ]进一步的，所述冷却模块采用冷却流体束或者低温装载台对脆性半导体材料的待裂片部位表面进行快速冷却。
[0012]进一步的，所述冷却流体束为液态低温惰性气体、气态低温惰性气体、低温空气、液态二氧化碳、低温二氧化碳气体、液氮、低温氮气中的一种或者多种组合。
[0013]进一步的，还包括光束整形元件以及激光聚焦模块；
[0014]所述光束整形元件对由激光器发射的激光束进行光束整形，所述激光聚焦模块对整形后的激光束进行聚焦，形成加热激光束，其中，所述加热激光束的聚焦焦点为平顶聚焦光斑。
[0015]所述进一步的有益效果为：采用平顶聚焦光斑有利于脆性半导体材料的均匀加热，且平顶聚焦光斑较深较短，避免了脆性半导体材料表面的过度加热。
[0016]进一步的，所述激光聚焦模块包括激光聚焦镜片模组和位于其下方的冷却流体束腔，且所述冷却流体束腔还设置有冷却流体束入口和冷却流体束出口。
[0017]进一步的，还包括清洗模块，其中，清洗模块采用清洗激光束或者机械研磨装置去除所述脆性半导体材料表面阻挡所述加热激光束进入脆性半导体材料的待裂片部位内部的隔离材料，所述隔离材料包括金属或非金属材料。
[0018]所述进一步的有益效果为：去除脆性半导体材料表面的隔离材料，有利于加热激光束进入脆性半导体材料内部进行快速加热。
[0019]进一步的，所述清洗激光束与所述加热激光束来自同一激光光源的不同出光模式或者来自不同的激光光源；
[0020]当所述清洗激光束与所述加热激光束来自同一激光光源的不同出光模式时，所述加热激光束为连续激光或者低峰值功率脉冲激光束，所述清洗激光束为脉冲激光束；
[0021 ]当所述清洗激光束与加热激光束来自不同的激光光源时，所述加热激光束为连续激光或者低峰值功率脉冲激光束，所述清洗激光束为超短脉冲激光束。
【附图说明】
[0022]图Ι-a为本实用新型实施例I中加热激光束与冷却流体束位于同一面且同轴示意图；
[0023]图1-b为实施例I中加热激光束与冷却流体束位于同一面不同轴示意图；
[0024]图2-a为实施例I中加热激光束与冷却流体束位于不同面同轴示意图；
[0025]图2-b为实施例I中加热激光束与冷却流体束位于不同面且不同轴示意图；
[0026]图3-a为实施例I中另一种加热激光束与冷却流体束同轴示意图；
[0027]图3-b为实施例I中另一种加热激光束与冷却流体束不同轴示意图。
[0028]附图中，各部件的标号如下所示：
[0029]I、冷却流体束，2、加热激光束，3、脆性半导体材料，31、待裂片部位表面，32、待裂片部位内部，4、激光器，5、第一激光束，6、光学整形兀件，7、第二激光束，8、激光聚焦模块，81、激光聚焦镜片模组，82、冷却流体束腔，83、冷却流体束入口。
【具体实施方式】
[0030]以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
[0031]实施例1、一种脆性半导体材料的脆性裂片系统。以下结合图Ι-a至图3-b对本实施例提供的系统进行描述。
[0032]参见图Ι-a以及图3-a所示，本实施例提供的脆性半导体材料的脆性裂片系统包括加热模块和冷却模块，其中，所述加热模块采用加热激光束2对脆性半导体材料3的待裂片部位内部32快速加热，以使脆性半导体材料的待裂片部位内部3膨胀形成压应力；同时所述冷却模块对脆性半导体材料3的待裂片部位表面31进行快速冷却，以使脆性半导体材料3的待裂片部位表面31收缩形成拉应力，从而使得脆性半导体材料3发生脆性断裂，形成光滑切口。其中，所述脆性半导体材料3对所述加热激光束2光学透明或者部分光学透明，以使所述加热激光束2能够进入所述脆性半导体材料3内部，使得所述脆性半导体材料3的待裂片部位内部32能够吸收激光能量从而形成温升，同时，所述脆性半导体材料的待裂片部位内部32被加热温度低于该脆性半导体材料塑性形变温度，以保证脆性半导体材料的待裂片部位的内部快速加热后发生弹性形变，但不发生塑性形变。
[0033]在本实施例中，脆性半导体材料3为硅晶圆，实际上脆性半导体材料3包括但不限于砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碲化镉(CdTe)、砸化锌(ZnSe)、蓝宝石材料、部分陶瓷材料等。脆性半导体材料3对加热激光束2部分透明，使得脆性半导体材料3的待裂片部位内部32能够吸收激光能量从而形成升温，其中，升温范围限制于脆性半导体材料的弹性形变范围内，同时加热激光束也不允许破坏脆性半导体材料(指塑性形变或者内部爆炸）。加热激光束2可以采用1.5微米到5微米波长中红外波段的光纤激光，在本实施例中，所述加热激光束2为连续激光，波长为1940纳米，激光功率200瓦，光束质量因子小于I. I。
[0034]冷却模块采用冷却流体束I或者低温装载台对脆性半导体材料的待裂片部位的表面进行快速冷却，当采用冷却流体束I时，冷却流体束I可以为液态、气态低温惰性气体、低温空气、液态二氧化碳、低温二氧化碳气体、液氮、低温氮气、液态氢、低温氢气中的一种或者多种组合。当使用低温装载台对脆性半导体材料的表面进行快速冷却时，将脆性半导体材料放置于低温装载台上，以使低温装载台对脆性半导体材料3的接触面进行快速却。本实施例采用了低温氮气对脆性半导体材料进行冷却，气体流速为5升/分钟，上述的低温是指低于5°C。
[0035]参见图Ι-a和图2-a或者参见图1-b和图2-b所示，加热激光束2与冷却流体束I可以位于脆性半导体材料的同一面，也可以位于脆性半导体材料的不同面，加热激光束2与冷却流体束I可以位于脆性半导体材料的同一面，这样采用激光切割头比较方便，激光切割头带有可调整聚焦镜，激光切割头的侧面有一个进气口，用于输入高压冷却流体，这样加热激光束2和冷却流体束I可以实现同轴。加热激光束与冷却流体束也可以位于脆性半导体材料的两面，这样做的好处是，当部分加热激光被脆性半导体材料吸收之后，加热激光在脆性半导体材料的出射表面的激光能量较小，冷却流体束对脆性半导体材料待裂片