一种基于激光致裂的碳化硅剥离片及加工方法

技术领域

本发明属于碳化硅切割技术领域，具体涉及一种基于激光致裂的碳化硅剥离片加工方法，尤其涉及尺寸不小于8英寸的碳化硅晶圆用剥离片的加工方法。

背景技术

随着产业的发展，对于元器件的性能要求越来越高，逐步逼近硅材料的物理极限。碳化硅衬底由于其优异的物理特性，相比于硅材料，在高压、高频、高温等领域有着无可比拟的优势。目前广泛应用于电力电子，微波射频器件及高端照明等领域。

碳化硅晶体莫氏硬度为9.2，仅次于金刚石，物理化学性质及其稳定，是典型的硬脆材料，超精密加工一直是业界面临的难题。现有技术是采用机械的方式进行切割，主要是利用砂浆多线切割和金刚石线多线切割的方式。这两种方式的磨料参与加工的方式不同，一个是游离磨料切割，一个是固结磨料加工，但是本质上是相同的，都是一种物理接触式切割方式。

但这两种切割方法同样存在一些问题：随着尺寸的增加，纵向切割接触面积越来越大，磨料所能提供单位面积的切削力降低，会在加工过程中产生较大的形变应力。

发明专利CN110010519A“一种碳化硅晶体激光切片装置及方法”提出了通过脉冲激光在晶锭内部进行聚焦，进而在焦点处形成一层改性层，然后将晶片从这层改性层进行分离，该方法不但可以提高加工效率，也可以极大的减少材料的浪费。但是，该发明在整个加工过程中，平台加减速的时间占据了很大一部分，同时，频繁的加减速也可能因惯性造成平台上加工晶锭固定不稳定而影响激光焦点在晶锭内的深度不一，造成形成的改性层高度不一致，并最终造成晶片的厚度均匀性较差，在加减速段也可能造成激光能量的不足或过度而影响到改性层的改性程度，影响后续晶片分离的成功率。

发明专利CN114473188A“一种用于剥离晶片的激光加工方法、装置”公开了通过碳化硅晶锭做旋转运动，激光扫描线运动，对碳化硅晶锭进行扫描形成改性层，激光改性的运动轨迹不再是晶体内部往复的折线，减少了折线运动过程中电机加速减速所浪费的时间，提高加工效率，通过两个激光头分别对晶体内部和边缘分区域加工，实现了内部和边缘的改性层处于同一水平面上，从而保证了晶片片内的厚度一致性。但是该发明剥离过程中无法自动调节激光头与碳化硅晶锭的角度，每剥离完一片都需要人工调节，增加了加工时间，且容易造成材料的损耗和产生加工应力，加工应力会导致后续加工过程中裂片，以及弯曲度和翘曲度超标的问题。因此，降低加工应力势在必行。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于激光致裂的碳化硅剥离片加工方法，能够降低碳化硅剥离片的应力和材料的损耗，提高碳化硅剥离片的品质。

本发明一方面提供了一种基于激光致裂的碳化硅剥离片的加工方法，所述方法包括以下步骤：

S01、检测碳化硅晶锭的(0001)晶面，得到晶面位置信息；

S02、计算所述晶面位置信息与第一平面之间的夹角值，判断所述夹角值是否满足预设夹角值的要求，其中，所述第一平面与第一激光束所在的第一方向始终保持垂直；

S03a、如满足，则启动第一激光束扫描碳化硅晶锭，以形成含有多个裂纹且沿所述第一平面延展的待剥离面；S03b、如不满足，则调节碳化硅晶锭的角度和/或第一方向的角度，并返回S02步骤，直至夹角值满足预设夹角值的要求；

S04、对所述待剥离面施加振动，以得到碳化硅剥离片。

本发明另一方面提供了一种8英寸碳化硅剥离片，所述8英寸碳化硅剥离片的尺寸为8英寸，Bow≤60μm，Sori≤100μm，损伤层深度≤100μm且表面裂纹台阶高度最大值不超过损伤层深度的70％。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

1、本发明的激光剥离可以降低碳化硅晶片加工应力，减少外延后面型变化量(＜10um)；

2、使用本发明提供的基于激光致裂的碳化硅剥离片的加工方法，能够提高单位碳化硅棒长的产片数量(＞30％)；

3、本发明提供的加工方法中，以裂纹扩展的方式代替磨削的方式，实现了晶体材料零损耗；

4、本发明的8英寸碳化硅剥离片可以为后续的减薄和抛光工序制定合理的工艺参数提供依据，降低碳化硅晶片的加工损伤。

附图说明

图1示出了本发明的基于激光致裂的碳化硅剥离片加工方法的一个示例性实施例的工艺流程示意图；

具体实施方式

为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、机构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、机构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

示例1

图1示出了本发明的基于激光致裂的碳化硅剥离片加工方法的一个示例性实施例的工艺流程示意图。

在本发明的一个示例性实施例中，如图1所示，基于激光致裂的碳化硅剥离片加工方法包括以下步骤：

S01、检测碳化硅晶锭的(0001)晶面，得到晶面位置信息。

具体来讲，可以利用布拉格衍射的原理进行晶面检测，即碳化硅表面晶体由晶面族A、B、C组成面间距为d，当激光射线以掠射角α投射到碳化硅晶体时，晶面A上点阵的散射和晶面B、C上的点阵的散射相互干涉，对于同一层的激光散射线，当散线与晶面间的夹角等于掠射角时，在这个方向上射线产生相长干涉，对于同一层的散射线，当散射线与晶面间的夹角等于掠射角时，在这个方向上射线产生相长干涉。而对于不同层的散射线，当光程差为波长的整数倍时，各个面的散射线相互加强，形成极大的光强。利用这一原理，完成晶面检测，得到晶面信息。

S02、计算晶面位置信息与第一平面之间的夹角值，判断夹角值是否满足预设夹角值的要求，其中，第一平面与第一激光束所在的第一方向始终保持垂直。

具体来讲，第一平面为与第一激光束基本保持垂直的碳化硅晶锭所在的面。第一方向为第一激光束照射的方向。夹角值为碳化硅晶锭的(0001)晶面与碳化硅晶锭的第一平面的夹角。预设夹角值可以为在0～10°范围内选择的确定值，进一步地，预设夹角值可以为在0.5～3.5°或4.5～7°范围内选择的确定值。例如，也可以为0°或4°。所述预设夹角值的要求可以为等于预设夹角值，也可以为在预设夹角值的上下10％范围内，例如，4±0.1°。

S03a、如满足，则启动第一激光束扫描碳化硅晶锭，以形成含有多个裂纹且沿第一平面延展的待剥离面。

具体来讲，若碳化硅晶锭的(0001)晶面与碳化硅晶锭的第一平面的夹角在预设夹角值范围内，则启动第一激光束对碳化硅晶锭进行激光扫描，以形成含有多个裂纹且沿所述第一平面延展的待剥离面。第一激光束的平均输出功率可以为0.8～3.5W，波长可以为780～1100nm，扫描速度可以为300～700mm/s，扫描间距可以为0.1～0.5mm，扫描时间可以为10～40min，扫描次数可以为2～6次。

S03b、如不满足，则调节碳化硅晶锭的角度和/或第一方向的角度，并返回S02步骤，直至夹角值满足预设夹角值的要求，随后进行S03a步骤。

具体来讲，若碳化硅晶锭的(0001)晶面与碳化硅晶锭的第一平面的夹角不在预设夹角值范围内，则可以通过调节碳化硅晶锭的角度，即调节碳化硅的晶锭的(0001)面，或者可以通过调节第一激光束所在的第一方向。调节完后返回S02步骤中，计算夹角值，并判断是否满足预设夹角值。若满足，则进入S03a；若不满足，则继续调节夹角值，直至满足预设夹角值。

S04、对待剥离面施加振动，以得到碳化硅剥离片。

对S03a步骤中的待剥离面施加振动，以使待剥离面沿裂纹延伸或断开，得到剥离片。振动可以通过机械振动、超声方式等实现。例如，对于超声方式而言，超声的频率可以为100～150KHZ，超声时间可以为10～60s，发射模式可以为连续波或脉冲波。

采用上述加工方法得到的8英寸碳化硅剥离片的厚度可以为100～1000μm，尺寸为8英寸，Bow≤60μm，Sori≤100μm，损伤层深度≤100μm且表面裂纹台阶高度最大值不超过损伤层深度的70％。

在本发明中Bow指的是弯曲度，代表晶片中心相对参考平面凹或凸的程度。Sori指的是基于最小二乘法前表面的翘曲度，代表衬底整体相对于中位面的偏差程度。外延前后面型变化指的是外延前后Bow的变化、外延前后Sori的变化。

示例2

在本发明的另一个示例性实施例中，基于激光致裂的碳化硅剥离片加工方法除包括上述步骤外，还可进一步包括：S05步骤或者S05′步骤。

具体来讲，S05步骤可以为：沿第一平面磨平S04步骤留在碳化硅晶锭上的剥离区域，并再次进行S01至S04的步骤，以得到另一碳化硅剥离片。

S05′步骤可以为：沿第一平面磨平S04步骤留在碳化硅晶锭上的剥离区域后，直接启动第一激光束再次扫描碳化硅晶锭，以形成含有多个裂纹且沿第一平面延展的另一待剥离面，随后进行S04步骤，以得到又一碳化硅剥离片。

在S03a步骤，若夹角判定单元通过计算并判断夹角值满足预设夹角值的要求的情况下，可以启动第二激光束围绕碳化硅晶锭的圆周方向扫描该碳化硅晶锭，且确保第二激光束所在的第二方向始终处于第一平面内，即第二激光束可以完全照射到碳化硅晶锭的表面进行圆周方向的剥离。第一激光束的致裂方向垂直于激光入射方向，第二激光束的致裂方向是沿着激光入射方向，可以通过光斑整形对激光致裂方向进行调节。有利于碳化硅晶锭边缘圆周的剥离，还可以进一步优化损伤层深度和表面台阶裂纹的深度。第二激光头被设置为能够与第一激光头联动控制，两个激光头先后对碳化硅晶锭进行剥离，第一激光头产生第一激光束对碳化硅晶锭除圆周边缘以外的区域进行剥离，第二激光头产生第二激光束对碳化硅晶锭圆周边缘区域进行剥离，控制第一激光束的焦点和第二激光束的位置，确保二者在同一平面产生裂纹。设置第二激光束与只有第一激光束剥离的结果相比，可以优化至少10％的损伤层深度和表面台阶裂纹的深度。第二激光束的平均输出功率为设置的第一激光束平均输出功率参数的0.3～0.5倍，波长为780～1100nm，扫描速度为设置的第一激光束扫描速度参数的0.3～0.5倍，扫描间距为0.1～0.5mm，扫描时间为10～40min，扫描次数为2～6次。

采用上述加工方法得到的8英寸碳化硅剥离片的Bow可以为30～57μm，Sori可以为50～97μm，损伤层深度可以为60～95μm且表面裂纹台阶高度最大值可以为损伤层深度的50～70％

示例3

在本发明的另一个示例性实施例中，基于激光致裂的碳化硅剥离片加工方法包括以下步骤：

S01、检测碳化硅晶锭的(0001)晶面，得到晶面位置信息；

S02、设置预设值为0°±0.01°，计算晶面位置信息与第一平面之间的夹角值，判断夹角值是否满足预设夹角值的要求；

S03、判断夹角值为0°，满足预设夹角值的要求，启动第一激光束扫描碳化硅晶锭，设置第一激光束激光的平均输出功率为1.1w，波长为1064nm，扫描速度为300mm/s，扫描间距为0.12mm，扫描时间为20min，扫描次数为5次。启动第二激光束围绕碳化硅晶锭的圆周方向扫描，设置第二激光束激光的平均输出功率为0.55w，波长为1064nm，扫描速度为150mm/s，扫描间距为0.12mm，扫描时间为20min，扫描次数为5次。形成含有多个裂纹且沿第一平面延展的待剥离面；

S04、对S03步骤中的待剥离面施加超声，超声的频率为150KHZ，超声时间为40s，发射模式为脉冲波，得到8英寸碳化硅剥离片1#。

示例4

在本发明的又一个示例性实施例中，基于激光致裂的碳化硅剥离片加工方法包括以下步骤：

S01、检测碳化硅晶锭的(0001)晶面，得到晶面位置信息；

S02、设置预设值为4°±0.01°，计算晶面位置信息与第一平面之间的夹角值，判断夹角值是否满足预设夹角值的要求；

S03b、夹角值为0°，不满足预设值要求，则通过设置在碳化硅晶锭下方的倾角调节机构来调节碳化硅晶锭的角度，并返回S02步骤，循环调节和判断多次，直至夹角值满足预设夹角值的要求，随后进行S03a步骤。这里，倾角调节机构可设置在用于固定和支撑碳化硅晶锭下端的固定单元(例如，负压吸附机构或夹持机构)的下方，且能够沿位于同一平面且彼此垂直、或者位于平行的两个平面且异面垂直的两个方向(例如，基本沿水平面方向延伸的X方向和Y方向)调整碳化硅晶锭的角度。

S03a、判断夹角值为4°，满足预设夹角值的要求，启动第一激光束扫描碳化硅晶锭，设置第一激光束激光的平均输出功率为2.5w，波长为1064nm，扫描速度为500mm/s，扫描间距为0.18mm，扫描时间为30min，扫描次数为4次。形成含有多个裂纹且沿第一平面延展的待剥离面；

S04、对S03步骤中的待剥离面施加超声，超声的频率为120KHZ，超声时间为30s，发射模式为脉冲波，得到8英寸碳化硅剥离片2#。

示例5

在本发明的再一个示例性实施例中，基于激光致裂的碳化硅剥离片加工方法包括以下步骤：

S01、检测碳化硅晶锭的(0001)晶面，得到晶面位置信息；

S02、设置预设值为4°±0.01°，计算晶面位置信息与第一平面之间的夹角值，判断夹角值是否满足预设夹角值的要求；

S03b、夹角值为0°，不满足预设值要求，则通过设置在碳化硅晶锭下方的倾角调节机构来调节碳化硅晶锭的角度，并返回S02步骤，循环调节和判断多次，直至夹角值满足预设夹角值的要求，随后进行S03a步骤。这里，倾角调节机构可设置在用于固定和支撑碳化硅晶锭下端的固定单元(例如，负压吸附机构或夹持机构)的下方，且能够沿位于同一平面且彼此垂直、或者位于平行的两个平面且异面垂直的两个方向(例如，基本沿水平面方向延伸的X方向和Y方向)调整碳化硅晶锭的角度。

S03a、判断夹角值为4°，满足预设夹角值的要求，启动第一激光束扫描碳化硅晶锭，设置第一激光束激光的平均输出功率为2.5w，波长为1064nm，扫描速度为500mm/s，扫描间距为0.18mm，扫描时间为30min，扫描次数为4次。启动第二激光束围绕碳化硅晶锭的圆周方向扫描，设置第二激光束激光的平均输出功率为1.0w，波长为1064nm，扫描速度为150mm/s，扫描间距为0.18mm，扫描时间为30min，扫描次数为4次。形成含有多个裂纹且沿第一平面延展的待剥离面；

S04、对S03步骤中的待剥离面施加超声，超声的频率为120KHZ，超声时间为30s，发射模式为脉冲波，得到8英寸碳化硅剥离片3#。

示例6

在本发明的再一个示例性实施例中，基于激光致裂的碳化硅剥离片加工方法包括以下步骤：

S01、检测碳化硅晶锭的(0001)晶面，得到晶面位置信息；

S02、设置预设值为2°±0.01°，计算晶面位置信息与第一平面之间的夹角值，判断夹角值是否满足预设夹角值的要求；

S03b、夹角值为1°，不满足预设值要求，则通过设置在第一激光头上方的激光调节机构来调节第一激光束所在的第一方向的角度，并返回S02步骤，循环调节和判断多次，直至夹角值满足预设夹角值的要求，随后进行S03a步骤。这里，激光调节机构至少可以在两个维度上变化，以调整第一方向的角度，并且能够使得第一激光束在扫描时始终维持前述调整后的角度。

S03a、判断夹角值为2°，满足预设夹角值的要求，启动第一激光束扫描碳化硅晶锭，设置第一激光束激光激光的平均输出功率为3.2w，波长为1064nm，扫描速度为700mm/s，扫描间距为0.25mm，扫描时间为10min，扫描次数为3次。形成含有多个裂纹且沿第一平面延展的待剥离面；

S04、对S03步骤中的待剥离面施加超声，超声的频率为100KHZ，超声时间为20s，发射模式为连续波，得到8英寸碳化硅剥离片4#。

示例7

在本发明的再一个示例性实施例中，基于激光致裂的碳化硅剥离片加工方法包括以下步骤：

S01、检测碳化硅晶锭的(0001)晶面，得到晶面位置信息；

S02、设置预设值为2°±0.01°，计算晶面位置信息与第一平面之间的夹角值，判断夹角值是否满足预设夹角值的要求；

S03b、夹角值为1°，不满足预设值要求，则通过设置在第一激光头上方的激光调节机构来调节第一激光束所在的第一方向的角度，并返回S02步骤，循环调节和判断多次，直至夹角值满足预设夹角值的要求，随后进行S03a步骤。这里，激光调节机构至少可以在两个维度上变化，以调整第一方向的角度，并且能够使得第一激光束在扫描时始终维持前述调整后的角度。

S03a、判断夹角值为2°，满足预设夹角值的要求，启动第一激光束扫描碳化硅晶锭，设置第一激光束激光激光的平均输出功率为3.2w，波长为1064nm，扫描速度为700mm/s，扫描间距为0.25mm，扫描时间为10min，扫描次数为3次。启动第二激光束围绕碳化硅晶锭的圆周方向扫描，设置第二激光束激光的平均输出功率为1.5w，波长为1064nm，扫描速度为350mm/s，扫描间距为0.25mm，扫描时间为10min，扫描次数为3次。形成含有多个裂纹且沿第一平面延展的待剥离面；

S04、对S03步骤中的待剥离面施加超声，超声的频率为100KHZ，超声时间为20s，发射模式为连续波，得到8英寸碳化硅剥离片5#。

示例8

在本发明的再一个示例性实施例中，基于激光致裂的碳化硅剥离片加工方法包括以下步骤：

S01、检测碳化硅晶锭的(0001)晶面，得到晶面位置信息；

S02、设置预设值为6°±0.01°，计算晶面位置信息与第一平面之间的夹角值，判断夹角值是否满足预设夹角值的要求；

S03、判断夹角值为6°，满足预设夹角值的要求，启动第一激光束扫描碳化硅晶锭，设置第一激光束激光激光的平均输出功率为0.8w，波长为1064nm，扫描速度为600mm/s，扫描间距为0.5mm，扫描时间为40min，扫描次数为6次。启动第二激光束围绕碳化硅晶锭的圆周方向扫描，设置第二激光束激光的平均输出功率为0.32w，波长为1064nm，扫描速度为240mm/s，扫描间距为0.5mm，扫描时间为40min，扫描次数为6次。形成含有多个裂纹且沿第一平面延展的待剥离面；

S04、对S03步骤中的待剥离面施加超声，超声的频率为200KHZ，超声时间为10s，发射模式为连续波，得到8英寸碳化硅剥离片6#。

将上述示例3至示例8所得到的8英寸碳化硅剥离片1#～6#进行性能测试，测试结果如表1所示。

表1碳化硅剥离片性能测试表

根据表1所示，采用本申请的加工方法得到的碳化硅剥离片1#～6#的厚度为100～1000μm，尺寸为8英寸，Bow≤60μm，Sori≤100μm，损伤层深度≤100μm且表面裂纹台阶高度最大值不超过损伤层深度的70％。进一步的，碳化硅剥离片1#～6#的Bow为30～57μm，Sori为50～97μm，损伤层深度为60～95μm且表面裂纹台阶高度最大值为损伤层深度的50～70％。因此，采用本申请加工方法能够降低碳化硅晶片的加工损伤，提高了加工效率，可以为后续的减薄和抛光工序制定合理的工艺参数提供依据。

本发明源于泰山产业领军人才工程专项经费的资助。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。