一种SiC衬底双脉冲飞秒激光切片的方法与流程

一种sic衬底双脉冲飞秒激光切片的方法
技术领域
1.本发明属于半导体技术领域，涉及碳化硅的切割，尤其涉及一种sic衬底双脉冲飞秒激光切片的方法。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，人们对于电子器件的要求也越来越高，高温、高频、抗辐射及大功率成为最基本的需求。第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的导热率、更高的抗辐射能力、更大的电子饱和漂移速率等特性，在光电子和微电子领域具有重要的应用价值。而sic是第三代半导体的典型代表，但是其硬度非常高，莫氏硬度为9.5级，仅次于金刚石(10级)，不易切割。现有的sic切割加工的方法主要有游离砂浆切割、金刚石线锯切割和飞秒激光切割。
3.传统的游离砂浆切割和金刚石线锯切割法的主要缺陷在于材料损耗大，加工时间长。由于受到钢丝锯尺寸的限制，该方法只能切割出厚度较大的晶片。此外，切割后的晶片表面粗糙度，翘曲度较大，并且伴随着大量的表面和亚表面损伤(脆性剥落，裂纹，非晶化，相变，位错增殖等)，损伤层的厚度超过了100μm。为了去除这些损伤，后续还要引入减薄，粗磨，精磨，cmp等工序，既增加成本，又污染环境，其材料的损耗超过了惊人的50％。
4.专利文献cn110549016a公开了一种碳化硅的单脉冲飞秒激光切割方法，通过飞秒激光的多光子激发原理，使激光聚焦平面处的sic晶体结构被破坏，从而实现了对莫氏硬度为9.5的sic晶体的精准切割。该方法具有切割精准、节省材料、工艺简单、无污染，可重复性好等优点。但是，切割完的sic晶片并不能轻易地剥离开，仍需要较大外部机械应力才能将其解离。而且，切割后的激光切片损伤层厚度接近100μm，仍然较大。此外，该种方法所需的激光单脉冲能量较高，有较大的成本压力。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对传统切片方式存在的材料损耗大，加工时间长，成本高以及对环境的污染严重等问题；以及普通飞秒激光切割所存在的晶片剥离拉力过大，所需单脉冲能量过高和切片损伤厚度过大等缺陷，提出一种结合“加热-冷却”过程的sic衬底双脉冲飞秒激光切片剥离方法，在低能量的飞秒激光双脉冲切割之后，采用“快热冷-剥离”法来产生足够的内应力，进一步破坏激光切割后的非晶结构，降低所需的外部剥离的机械应力的大小。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种sic衬底双脉冲飞秒激光切片的方法，包括以下步骤：
8.1)清理碳化硅晶片，固定在加工设备上；
9.2)设置飞秒激光器的参数；
10.3)设置双脉冲激光的光路，先制造具有光程差的光路，再汇聚在一起制成双脉冲光路，聚焦在碳化硅晶片内部；
11.4)移动加工设备，利用双脉冲飞秒激光对碳化硅晶片进行精准切割；
12.5)步骤4)切割后的碳化硅晶片在保护气氛中进行加热处理，取出后快速冷却，利用拉力装置，解离碳化硅晶片。
13.在本发明中，本发明利用特定能量的飞秒激光，结合分光器，反射镜，先制造出两条具有一定光程差的光路，然后再将两条光程差为皮秒级别的光路汇聚在一起，制成一条双脉冲光路，最后聚焦在碳化硅晶片内部，进行单次扫描。由于第一个脉冲导致的“黑化”结构会吸收第二个脉冲的能量，因此双脉冲激光切割后的损伤层厚度远远小于单脉冲激光切割的结果。在完成双脉冲激光切割的工序之后，将碳化硅晶片在充满氩气的环境中进行高温处理，取出后迅速放入水中冷却，让其在快速升降温过程中产生足够的内应力，进一步破坏损伤层结构，以降低最后剥离所需的外应力的大小。
14.当飞秒激光与物质相互作用时，价电子吸收多光子的能量而处于激发态，产生高密度的等离子体，当等离子体的浓度达到“临界密度”时，晶体材料就会大量吸收激光的能量，损伤就会发生，sic的化学键被断裂。飞秒激光的优势在于：电子吸收光子被激发的时间在飞秒范围(脉冲作用过程中)，而电-声子耦合的时间在皮秒量级，因此电子吸收的激光能量还未传给离子，激光作用的时间就结束了。在整个过程中，电子的温度虽然很高，但是离子的温度还是非常低，整个过程可以认为是非热加工过程，不会发生热扩散，热熔化和烧蚀。
15.而对于双脉冲飞秒激光而言，第一个脉冲产生的是多光子激发过程，而第二个脉冲的光子则以第一个脉冲激发的电子为自由电子，产生雪崩电离，更有效地产生自由电子。因此，双脉冲切割效率远远高于单脉冲，由于第二个脉冲光子的能量被第一个脉冲所造成的“自由电子”所吸收，切割损伤的“黑化”结构不会沿着激光传播方向过度延伸，限制了损伤层的厚度。
16.配合加工台在水平面的移动，让激光切片后的“黑化”损伤区布满整个碳化硅平面，此时激光切片的工序才结束。结束该工序后，将切割后sic晶片在氩气环境中进行快速高温加热处理，然后迅速取出放入水中进行淬火，在热胀冷缩的过程中，让其产生内应力，并进一步地破坏“黑化”非晶结构。最后利用拉力装置，用较小的力就能将晶片进行解离。
17.作为本发明的一种优选方案，步骤1)中，所述的清理碳化硅晶片是将碳化硅晶片在酒精中进行超声清洗。
18.作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，飞秒激光器的参数为：波长为780nm，脉冲宽度为125-135fs，脉冲能量为25-35μj，重复频率为9.5-10.5khz。
19.作为本发明的一种优选方案，飞秒激光器的参数为：波长为750-800nm，脉冲宽度为130fs，脉冲能量为30μj，重复频率为10khz。
20.作为本发明的一种优选方案，步骤3)中，所述的光路为：利用半波片与偏振分光器将线偏振激光脉冲转化为具有相同能量的s和p偏振脉冲；将s和p偏振脉冲光路引进不同的路线，通过控制两条光路走过的距离，形成1-10ps的光程差；最后再利用半波片和偏振分光器将其汇合，最终形成单股双脉冲激光束，通过凸透镜，将其聚焦在加工台上的sic晶片的切片所需的深度。
21.作为本发明的一种优选方案，所述的光程差为5ps。
22.作为本发明的一种优选方案，步骤4)中，加工设备的移动速度为1.5-2.5mm/s。
23.作为本发明的一种优选方案，步骤4)中，加工设备的移动速度为2mm/s。
24.作为本发明的一种优选方案，步骤5)中，加热处理为：在480-550℃中保温4-6h；取出后进行水冷。
25.作为本发明的一种优选方案，步骤5)中，所述保护气氛为氩气氛围。
26.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
27.本发明通过双脉冲的激光切片手段，大大减小了激光切片过程中造成的损伤层厚度，避免了材料的大量浪费；同时，利用“快热冷”手段，大大降低了切片后剥离所需的外部拉力的大小，让其可以被轻松剥离；本发明的方法材料损耗小，加工时间短，成本低，对环境的污染小。
附图说明
28.图1是本发明方法得到的sic晶片残片。
29.图2是本发明方法sic晶片剥离截面放大图。
30.图3是双脉冲飞秒激光切割前后sic晶片的拉曼光谱。
31.图4是本发明的双脉冲激光光路示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.参见图4，本发明所采用的的双脉冲激光光路装置是通过激光发射器发出的脉冲进半波片后经过偏振分光器转化为能量相同的s和p偏振脉冲，其中，s偏振脉冲经2个反射镜后反射后垂直射入半波片(即图4中的λ/2片)与另一个偏振分光器；p偏振脉冲经另外2个反射镜后反射后射入半波片，与s偏振脉冲在偏振分光器汇合，形成单股双脉冲激光束。
34.实施例
35.本实施例提供了sic衬底双脉冲飞秒激光切片的方法，包括以下步骤：
36.1)将sic晶片放在酒精中进行超声清洗，取出表面污渍，然后进行烘干，最后固定在激光加工台上；
37.2)调节飞秒激光器的参数，将参数调节成波长为780nm，脉冲宽度为130fs，脉冲能量为30μj，重复频率为10khz,将激光加工台的移动速度设置为2mm/s；
38.3)利用双脉冲激光光路装置，制造出一条双脉冲激光；首先利用半波片与偏振分光器，将线偏振激光脉冲转化为具有相同能量的s和p偏振脉冲；将两条脉冲光路引进不同的路线，通过精确控制两条光路走过的距离，让其形成5ps的光程差，最后再利用半波片和偏振分光器将其汇合，最终形成单股双脉冲激光束，通过凸透镜，将其聚焦在加工台上的sic晶片的切片所需的深度；
39.4)通过移动加工台，激光的非线性吸收使碳化硅转化成非晶硅和石墨，实现晶体结构的破坏，让切割后的“黑化”损伤区布满sic晶片该深度的整个平面，实现精准切割；
40.5)在完成步骤4)后，将sic晶片放置充满氩气环境的马弗炉中，快速加热至500℃，
保温5小时，然后取出后迅速放入水中冷却。最后借助拉力装置，用较小的力就能将晶片剥离开。
41.通过本发明的方法，切割后得到的sic晶片残片如图1所示，sic晶片剥离截面放大图如图2所示。
42.图3为双脉冲飞秒激光切割前后sic晶片的拉曼光谱，切割前晶片具有非常尖锐的sic拉曼峰，切割后sic峰基本消失，取而代之的是si和c的宽带的拉曼信号。
43.可见，本发明通过双脉冲的激光切片手段，大大减小了激光切片过程中造成的损伤层厚度，避免了材料的大量浪费；同时，利用“快热冷”手段，大大降低了切片后剥离所需的外部拉力的大小，让其可以被轻松剥离；本发明的方法材料损耗小，加工时间短，成本低，对环境的污染小。
44.以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。