基于空间光调制器的碳化硅晶锭激光分片装置及其方法与流程

本发明涉及一种基于空间光调制器的碳化硅晶锭激光分片装置及其方法，属于激光加工。

背景技术：

1、目前，碳化硅(sic)作为典型的第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子飘移速度高以及热导率大等特点，是制备光电子器件以及电力电子器件的理想材料，可广泛应用于半导体、新能源以及消费电子等行业。sic晶体因其与外延层材料氮化镓(gan)具有高匹配的晶格常数和热膨胀系数及良好的热导率，是gan基器件的理想衬底材料。由于sic有着非常高的硬度，要获得良好的半导体晶圆，就需要先进的晶锭切割技术。传统的加工方法是使用线锯将晶锭切割成片，再研磨并减薄到特定厚度，这种加工方法不仅效率非常低(以6英寸sic为例，切割一个晶锭需要110-120小时)，而且会带来大量的材料损耗(40％～50％)。因此，探索高效率、高品质的sic晶锭分片方法是推动sic产业发展的至关重要的因素。

2、激光隐形分片方法是将激光束聚焦到材料内部一定深度，材料在短时间内吸收激光能量导致局部受热升温、熔化及气化，最终在材料内部形成改质层，最后通过超声波振动方式对其进行分片剥离。激光隐形分片方法作为一种非接触式加工，对sic晶锭分片具有效率高、损耗低等显著优势。专利号jp2018159320公开了“kabra”碳化硅激光分片方法，通过激光的二次加工来实现低损耗、高效率的碳化硅晶锭分片；专利号us16606540公开了一种冷切割，激光在晶锭内部改质后，通过将聚合物和晶锭快速冷却的方式使得晶片实现自动分离，该种方法使得单片晶片损伤约为80um。专利公开号cn214024100u公开了一种碳化硅晶体激光切片装置，激光对sic晶锭内部切割改质后，再通过垂直辐射光源和侧面辐射光源对sic晶锭进行加热，最终达到晶片分离，加工过程复杂，降低了加工效率。专利公开号cn117139865a公开了一种低损耗的碳化硅晶锭激光切片方法，通过激光对sic晶锭内部二次扫描，扩展裂纹，形成均匀改质层。

3、上述方法均没有提及光束整形在sic晶锭激光分片中的影响，空间光调制器作为新型可编程式的光学整形器件在激光加工中的作用越来越显著，其可以通过编程的方式对激光光束的振幅、相位以及偏振等光学参量进行柔性调控，配合外光路系统在材料内部得到任意的光场强度分布。不同的激光光斑聚焦在sic晶锭材料内部，对材料的改质扩展有不同的效果，对sic晶锭分片的效率提升和材料损耗降低都有不同的作用。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种基于空间光调制器的碳化硅晶锭激光分片装置及其方法，旨在提高sic晶锭激光分片的效率和损耗。

2、本发明的目的通过以下技术方案来实现：

3、基于空间光调制器的碳化硅晶锭激光分片装置，特点是：激光器的输出光路上依次布置有扩束镜和空间光调制器，空间光调制器的输出光路上依次设有第一透镜、第一反射镜、第二透镜以及第二反射镜，第二反射镜的反射光路上布置有物镜，物镜正对于待加工碳化硅晶锭；第一透镜焦距是第二透镜焦距的两倍，空间光调制器连接计算机。

4、进一步地，上述的基于空间光调制器的碳化硅晶锭激光分片装置，其中，激光器是发射激光波长为1000nm～1100nm、发射激光频率在10khz～100khz之间连续可调、平均功率为0～50w可调、脉冲宽度为100fs～10ns可调的激光器。

5、进一步地，上述的基于空间光调制器的碳化硅晶锭激光分片装置，其中，激光器是发射激光波长为1064nm、脉冲宽度为4ps、平均功率为20w、重复频率为10khz～100khz的激光器。

6、进一步地，上述的基于空间光调制器的碳化硅晶锭激光分片装置，其中，空间光调制器是波长范围300nm～1100nm、像素1920×1080、有效区域15.4mm×8.6mm的空间光调制器。

7、进一步地，上述的基于空间光调制器的碳化硅晶锭激光分片装置，其中，所述物镜是数值孔径为0.45、放大倍率为50倍的物镜。

8、本发明基于空间光调制器的碳化硅晶锭激光分片方法，其中，激光器输出的光束经过扩束镜将光斑放大并准直，覆盖空间光调制器的有效窗口，通过空间光调制器进行相位调制，空间光调制器加载计算机生成的圆形平顶光束和横向多焦点结合的全息相位图，第一反射镜和第二反射镜改变光路传输方向，第一透镜焦距是第二透镜焦距的两倍，组成4f系统进行像传递至物镜入光口，用以像传递和缩束，物镜输出的激光在碳化硅晶锭内部形成横向多焦点和圆形平顶光束，通过控制空间光调制器所加载的相位图，生成多个横向焦点，焦点间距通过相位图进行调整；利用空间光调制器光斑整形在碳化硅晶锭内部聚焦成横向双焦点，利用圆形平顶光束进行分片，对碳化硅晶锭分片加工。

9、更进一步地，上述的基于空间光调制器的碳化硅晶锭激光分片方法，其中，利用gsw算法获取圆形平顶光束和横向双焦点的全息相位图，然后进行相位叠加，形成组合相位图，加载到空间光调制器中，聚焦到碳化硅晶锭中形成横向双焦点的圆形平顶光束。

10、更进一步地，上述的基于空间光调制器的碳化硅晶锭激光分片方法，其中，由计算机通过matlab软件或python软件，利用gsw算法生成圆形平顶光束和横向双焦点的全息相位图，步骤为：

11、1)初始化，将输入图像的灰度值作为振幅输入，并对图像每一像素赋予随机相位，作为初始的输入图像；

12、2)迭代过程，先对初始的复原图像进行傅里叶变换，得到目标图像，保留目标图像相位，将振幅设置为1，再对其进行傅里叶逆变换，得到变换后的复原图像，复原图像乘上权重因子，作为输入图像进行迭代；

13、3)结束条件，达到预设的迭代次数或复原图像与目标图像的预设值相同时，提取目标图像的相位信息，得到相位图。

14、更进一步地，上述的基于空间光调制器的碳化硅晶锭激光分片方法，其中，将横向双焦点的圆形平顶光束聚焦在碳化硅晶锭内部一深度内，设置脉冲能量为10～100μj，脉冲宽度为100fs～10ns，横向双焦点间距为10μm～200μm可调，脉冲激光在碳化硅晶锭内部焦点处形成凹坑，并在凹坑周围产生裂纹，形成改质层；装载碳化硅晶锭的运动平台移动速度为100～500mm/s，扫描后，碳化硅晶锭内部形成均匀的改质层，使改质层完全断裂，将位于表面固定厚度的碳化硅晶片与下方晶锭完全分离。

15、更进一步地，上述的基于空间光调制器的碳化硅晶锭激光分片方法，其中，通过施加拉力或者超声震动方式使改质层完全断裂。

16、本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

17、①本发明通过空间光调制器产生的可控横向双焦点用于碳化硅晶锭分片，大幅度提高现有分片效率，可应用于硅晶圆、砷化镓、磷化铟以及氮化镓等半导体材料晶锭的分片加工工艺；

18、②通过空间光调制器的光斑整形技术，采用圆形平顶光束，由于其能量分布均匀，在碳化硅晶锭的内部加工过程中，能够形成均匀的改质扩展，有利于减小由于加工不均匀导致的材料损耗；

19、③利用gsw算法生成圆形平顶光束和横向双焦点相位图，提高激光光束能量利用率和光斑一致性，提升sic晶锭激光分片的效率，减低损耗。

20、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。