[發明專利]超快激光連續裂片裝置及方法

在審

• 申請號: 202011159285.5
• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112192772A
• 公開（公告）日: 2021-01-08
• 發明（設計）人: 林學春;何超建;于海娟;苗張旺;韓世飛
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: B28D5/00
• 分類號: B28D5/00;B28D7/00;H01L21/78
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 孫蕾

一種超快激光連續裂片方法，包括以下步驟：將超快激光光源的激光從材料拋光的上表面聚焦到距離底部一定厚度處進行掃描加工，掃描間隔控制可變，形成改質層；將所述改質層以下的部分通過冷裂，從改質層處裂開并從待冷裂材料主體剝離下來；將待冷裂材料下移一個晶片厚度，也就是將超快激光聚焦點上移一個晶片厚度，重復上述加工過程，即實現超快激光連續裂片。本發明提出的方法只需一次對材料的上表面進行拋光/研磨等工序，連續裂片過程中不需要材料拋光、研磨等工序，當材料底部形成破裂層后進行后續處理可直接得到高質量的晶圓薄片，降低加工成本的同時，提高了冷裂效率。

技術領域

本發明涉及激光裂片技術領域，尤其涉及一種對于超硬材料的超快激光連續裂片裝置及方法。

背景技術

以碳化硅、金剛石、碳化鎵等寬禁帶化合物半導體為代表的第三代半導體材料，其生長工藝復雜、材料硬度高，增加了半導體晶圓加工難度，阻礙了半導體器件的應用。傳統的晶圓加工技術采用金剛石線或漿基鋸絲切割工藝，其加工時間長，切割極限高，同時需要后續的研磨拋光，加工成本始終居高不下。

激光冷裂技術是一種新型的對超硬材料的非接觸的激光加工技術，利用高能超快激光的冷加工特點，基于多光子吸收效應，實現材料局部的晶格結構的破壞，形成改制層，同時利用脆性材料和粘附在材料表面的聚合物材料之間的熱膨脹系數的差異，將結合的材料冷卻到聚合物材料的玻璃化轉化溫度之下引起熱應力，從而導致材料的橫向分離，完成激光裂片過程。相比傳統裂片工藝，生產效率提升40％，晶圓剝離厚度小于100μm，材料利用率提高了3倍，是大規模SiC推廣應用的新一代加工工藝。

激光冷裂技術是由脈沖激光透過經拋光過的材料表面到材料內部，經激光輻照加工，材料內部改質，從而產生冷裂層，經后續處理獲得超薄的晶圓。頂部輻照的激光冷裂技術需要對材料進行拋光、研磨等工序，降低了加工效率，限制了激光冷裂技術的潛力。

發明內容

有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種超快激光連續裂片裝置及方法，以期部分地解決上述技術問題中的至少之一。

為了實現上述目的，作為本發明的一方面，提供了一種超快激光連續裂片方法，包括以下步驟：

將超快激光光源的激光從材料拋光的上表面聚焦到距離底部一定厚度處進行掃描加工，掃描間隔控制可變，形成改質層；

將所述改質層以下的部分通過冷裂，從改質層處裂開并從待冷裂材料主體剝離下來；

將待冷裂材料下移一個晶片厚度，也就是將超快激光聚焦點上移一個晶片厚度，重復上述加工過程，即實現超快激光連續裂片。

作為本發明的另一方面，提供了一種超快激光連續裂片裝置，所述裝置包括超快激光光源、光束整形耦合系統、三維位移系統和控制器；其中，

超快激光光源，用于提供超快激光脈沖，為激光裂片提供光源；

光束整形耦合系統，位于激光輸出路徑上，包括激光擴束系統和激光聚焦系統；其中，激光擴束系統位于超快激光光源的輸出光路上；激光聚焦系統位于超快激光光源的輸出光路上；

三維位移系統，用于控制位于三維位移系統上的待冷裂材料的運動方向、速度和軌跡，從而實現超快激光脈沖焦點在材料內部的不同的作用位置和不同的運動軌跡；

控制器，輸出端與三維位移系統相連，用于控制三維位移系統的運動方向、速度和軌跡。

其中，所述超快激光光源包括皮秒激光器、亞皮秒激光器、飛秒激光器和阿秒激光器。

其中，所述超快激光光源，針對不同的材料，需求不同的激光輻照參數，包括激光輻照波長、單脈沖能量、脈沖寬度和聚焦光斑大小。