基于激光诱导改性的碳化硅晶圆冷裂剥离方法

本发明属于碳化硅晶圆加工，涉及基于激光诱导改性的碳化硅晶圆冷裂剥离方法。

背景技术：

1、碳化硅是第三代半导体材料中最具代表性的材料，随着电力电子系统、新能源汽车等领域中半导体的生产对超薄晶片的需求不断增长，对剥离晶片的表面精度也越来越高。但是，在当前的传统制造工艺过程中，一般采用金刚石线切割来获取晶片，切割时在碳化硅晶锭的周围等间距的固定金刚石线锯，通过拉伸金刚石线锯，切割出碳化硅晶片，然而利用线锯法从晶锭分离晶片所需时间长，且切出晶片表面粗糙度较大，研磨抛光也需要大量时间，传统的切割工艺也加大了碳化硅材料的成本。

2、为了提高材料利用率并切割出超薄的晶片，探究了利用激光改性剥离工艺来代替机械加工工艺的晶片切片新途径，解决切割过程中的碎片、污染物和不必要的材料浪费等固有问题。激光加工属于非接触式加工，可以有效的避免刀具磨损和机械应力的影响，控制了成本的同时实现了高质量和高精度的切割，因此更有利于加工超薄硬脆材料。

3、传统的激光内加工方式采用单一的超短脉冲激光光束诱导改性会导致能量过多的积累，从而使热激波将裂纹向不必要的方向扩展，并且最后的剥离手段大多都采用机械剥离或应力诱导的方式达到剥离的目的，从而导致晶片加工精度不高，剥离效率低，因而研究高效率的剥离方式也成为了学者们所重点研究的对象。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于激光诱导改性的碳化硅晶圆冷裂剥离方法，该方法使用液氮作为辅助环境在碳化硅晶圆周围浸没降温的方式进行晶片分离，并能同时对多个碳化硅晶圆进行分离，提高剥离精度和加工效率。

2、本发明所采用的技术方案是，基于激光诱导改性的碳化硅晶圆冷裂剥离方法，具体包括如下步骤：

3、步骤1，对待切割的碳化硅晶锭进行表面抛光和除杂处理；

4、步骤2，设定飞秒激光器的脉冲能量，将通过飞秒激光器发射激光光束作为飞秒脉冲激光光束i，控制飞秒脉冲激光光束i的焦点在碳化硅晶锭的预定深度层进行扫描，形成空洞吸收区域和裂纹改质区域；

5、步骤3，在步骤2的基础上调整飞秒激光器的脉冲能量，将通过飞秒激光器发射激光光束作为飞秒脉冲激光光束ii，将飞秒脉冲激光光束ii聚焦到空洞吸收区域中进行扫描，使任意相邻的空洞吸收区域内的裂纹通过横向扩展连接在一起，完成对碳化硅晶锭的改性；

6、步骤4，采用液氮冷裂的方式将经步骤3改性后的碳化硅晶锭进行剥离。

7、本发明的特点还在于：

8、步骤2中，设置飞秒激光器的脉冲能量为15μj～20μj；飞秒脉冲激光光束i的焦点在碳化硅晶锭的预定深度层上通过点成线的方式扫描出若干个平行切割道，且相邻两个切割道的间隔为15um～30um。

9、步骤2中，裂纹改质区域位于空洞吸收区域的上方15um～30um区域处。

10、步骤3中，飞秒激光器的脉冲能量为25μj～40μj，脉冲宽度为700fs～1ps；飞秒脉冲激光光束ii的聚焦焦点位置位于预定深度层上方2μm～5μm的位置。

11、步骤2中和步骤3中，飞秒激光器发射的激光光束射入碳化硅晶锭的过程为：

12、将碳化硅晶锭固定在三维精密电控平台上，控制电脑控制激光光束经飞秒激光器发射后依次经过衰减片、光阑、玻片再经过反光镜两次反射后进入扩束镜扩大光束直径后经过锥透镜、凸透镜再经反光镜反射一次通过扫描振镜、场镜后射入放置于三维精密电控平台的碳化硅晶锭中。

13、步骤4的具体过程为：

14、步骤4.1，将改性后的碳化硅晶锭进行清洗，然后在碳化硅晶锭圆周表层处和底处涂上底漆，再用促粘剂对碳化硅晶锭的表面进行涂敷；

15、步骤4.2，在碳化硅晶锭的涂敷层上添加聚合物聚二甲基硅氧烷胶，完成碳化硅晶锭与聚合物的粘贴，即完成贴膜处理；

16、步骤4.3，将步骤4.2贴膜完成后的碳化硅晶锭放置于碳化硅晶圆冷冻剥离装置中，对碳化硅晶锭进行固定；

17、步骤4.4，向碳化硅晶圆冷冻剥离装置中倒入液氮，使碳化硅晶锭完全浸没在液氮中，同时使冷却时碳化硅晶圆冷冻剥离装置始终保持水平，静置55min～65min；

18、步骤4.5，向碳化硅晶锭表面的聚合物上涂敷解胶剂，使碳化硅晶锭表面的聚合物发生溶解，即可直接得到目标晶片，目标晶片取得之后，将剩余的晶锭进行表面抛光以后继续循环进行改性剥离过程来获取碳化硅晶片。

19、碳化硅晶圆冷冻剥离装置包括中空圆柱状的外壳，外壳的底部同轴设有晶圆卡座，晶圆卡座的形状为六边形蜂窝状，碳化硅晶锭放置于晶圆卡座的蜂窝状凹槽中，外壳的顶部通过螺纹连接有密封盖。

20、本发明的有益效果是，与现有技术中利用激光加工来形成碳化硅晶片方法不同的是，本发明通过使用高低能量的双飞秒激光束来聚焦到不同深度层，通过先产生预制裂纹，再使用激光能量诱导裂纹扩展的方式，来减少了裂纹的错误扩展。同时用冷裂剥离方法使用液氮作为辅助环境在碳化硅晶圆周围浸没降温的方式进行晶片分离，并能同时对多个碳化硅晶圆进行分离，提高剥离精度和加工效率。

技术特征：

1.基于激光诱导改性的碳化硅晶圆冷裂剥离方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于激光诱导改性的碳化硅晶圆冷裂剥离方法，其特征在于：所述步骤2中，设置飞秒激光器(1)的脉冲能量为15μj～20μj；飞秒脉冲激光光束i的焦点在碳化硅晶锭(13)的预定深度层(16)上通过点成线的方式扫描出若干个平行切割道，且相邻两个切割道的间隔为15um～30um。

3.根据权利要求2所述的基于激光诱导改性的碳化硅晶圆冷裂剥离方法，其特征在于：所述步骤2中，裂纹改质区域(18)位于空洞吸收区域(17)的上方15um～30um区域处。

4.根据权利要求2所述的基于激光诱导改性的碳化硅晶圆冷裂剥离方法，其特征在于：所述步骤3中，飞秒激光器(1)的脉冲能量为25μj～40μj，脉冲宽度为700fs～1ps；飞秒脉冲激光光束ii的聚焦焦点位置位于预定深度层(16)上方2μm～5μm的位置。

5.根据权利要求4所述的基于激光诱导改性的碳化硅晶圆冷裂剥离方法，其特征在于：所述步骤2中和步骤3中，飞秒激光器(1)发射的激光光束(12)射入碳化硅晶锭(13)的过程为：

6.根据权利要求5所述的基于激光诱导改性的碳化硅晶圆冷裂剥离方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程为：

7.根据权利要求6所述的基于激光诱导改性的碳化硅晶圆冷裂剥离方法，其特征在于：所述碳化硅晶圆冷冻剥离装置包括中空圆柱状的外壳(19)，外壳(19)的底部同轴设有晶圆卡座(21)，晶圆卡座(21)的形状为六边形蜂窝状，碳化硅晶锭(13)放置于晶圆卡座(21)的蜂窝状凹槽中，外壳(19)的顶部通过螺纹连接有密封盖(22)。

技术总结
本发明公开了基于激光诱导改性的碳化硅晶圆冷裂剥离方法，具体包括如下步骤：步骤1，对待切割的碳化硅晶锭进行表面抛光和除杂处理；步骤2，形成空洞吸收区域和裂纹改质区域；步骤3，在步骤2的基础上调整飞秒激光器的脉冲能量，将通过飞秒激光器发射激光光束作为飞秒脉冲激光光束II，将飞秒脉冲激光光束II聚焦到空洞吸收区域中进行扫描，使任意相邻的空洞吸收区域内的裂纹通过横向扩展连接在一起，完成对碳化硅晶锭的改性；步骤4，采用液氮冷裂的方式将经步骤3改性后的碳化硅晶锭进行剥离。本发明使用液氮作为辅助环境在碳化硅晶圆周围浸没降温的方式进行晶片分离，并能同时对多个碳化硅晶圆进行分离，提高剥离精度和加工效率。

技术研发人员：汤奥斐,李淑娟,杨癸庚,郭伟超,师碧波,南巨龙,罗舒涵
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27