双激光同步同轴改质剥离装置及双激光同步同轴改质剥离方法

本公开涉及晶圆激光切割，尤其涉及一种双激光同步同轴改质剥离装置及双激光同步同轴改质剥离方法。

背景技术：

1、以碳化硅、金刚石、碳化镓等宽禁带化合物半导体为代表的第三代半导体材料，其生长工艺复杂、材料硬度高，增加了半导体晶圆加工难度，阻碍了半导体器件的应用。以碳化硅晶锭为例，其主要剥离方式为金刚石线锯切割，但是该方法属于接触式线切割，存在切割质量问题，如断线、晶锭开裂、晶锭内部残余应力以及刀口损耗等问题，消除这些缺陷需要昂贵的后续工艺，如研磨、机械抛光和化学抛光等，可见传统的剥离方法已经不足以满足碳化硅晶圆的市场需求。

2、随着激光加工技术的不断发展，研究人员探索通过激光的方式实现对碳化硅晶锭内部的改质，激光改质后再通过冷裂剥离、机械剥离以及化学刻蚀等方法实现碳化硅晶锭的剥离，但是现有的剥离过程需要合胶和脱胶等工艺，限制了碳化硅晶锭的剥离效率。

3、有鉴于此，市面上亟需一种新式的激光改质剥离方法，以提高碳化硅等半导体采用激光改质剥离的质量和效率。

技术实现思路

1、本公开实施例提供了一种双激光同步同轴改质剥离装置及双激光同步同轴改质剥离方法，为了解决现有技术中激光改质剥离半导体晶锭存在的剥离过程工序复杂、剥离效率较低的问题。

2、本公开实施例提供的双激光同步同轴改质剥离装置包括移动平台、第一脉冲激光系统、第二脉冲激光系统和脉冲延时调控系统；

3、所述移动平台能够沿多个不同方向移动待剥离件；

4、所述第一脉冲激光系统通过第一光路向待剥离件发射超短脉冲激光，以使待剥离件内部形成的初始改质层；

5、所述第二脉冲激光系统同步通过第二光路向待剥离件发射连续激光，以使所述初始改质层升温形成开裂的完全改质层；

6、所述脉冲延时调控系统设置于所述第一光路中，用于调控所述第一脉冲激光系统的脉冲延时。

7、在一可实施方式中，所述第一光路中的前段中设置有分束器、所述第一光路的后段中设置有合束器；

8、所述分束器用于将所述第一光路分为第一子光路和第二子光路，所述合束器用于将所述第一子光路、所述第二子光路合为所述第一光路；

9、所述脉冲延时调控系统设置于所述第二子光路中，且能够调控所述第二子光路与所述第一子光路的光程差，从而与所述第一子光路产生脉冲延时。

10、在一可实施方式中，所述脉冲延时调控系统包括多个设置于所述第二子光路中反射镜；

11、所述第一子光路中、及所述第二子光路在所述脉冲延时调控系统的前端分别设置有调控所述超短脉冲激光能量的半波片和偏振片。

12、在一可实施方式中，所述第二光路中分别设有用于调节光路方向的第二反射镜、以及用于与所述第一光路合束的第二合束器。

13、在一可实施方式中，所述双激光同步同轴改质剥离装置还包括光束聚焦系统；

14、所述光束聚焦系统包括设置于所述移动平台上方的聚焦物镜；

15、所述聚焦物镜用于将所述超短脉冲激光及所述连续激光共同聚焦于待剥离件内部的待剥离层。

16、在一可实施方式中，所述第一脉冲激光系统包括皮秒激光器、纳秒激光器和飞秒激光器中的一种或多种。

17、在一可实施方式中，所述移动平台包括x轴移动子平台、y轴移动子平台和z轴移动子平台。

18、在一可实施方式中，所述第一脉冲激光系统能够根据待剥离件材料特性及待剥离层的位置，调节输出不同的激光参数；

19、其中，所述激光参数包括激光波长、单脉冲能量、脉冲宽度和聚焦光斑大小中的一种或多种。

20、另外，本公开实施例还提供了一种双激光同步同轴改质剥离方法，能够适用于上述的双激光同步同轴改质剥离装置，其包括：

21、第一步骤，确定待剥离件中的待剥离层；

22、第一步骤，对所述待剥离层发射超短脉冲激光，使所述待剥离层形成初始改质层；

23、第二步骤，对所述初始改质层发射连续激光，使所述初始改质层升温形成开裂的完全改质层；

24、其中，所述第二步骤与第三步骤同步进行、或所述第二步骤与第三步骤依次进行。

25、在一可实施方式中，对所述初始改质层发射连续激光包括：将所述超短脉冲激光聚焦于所述待剥离层，并对所述待剥离层进行扫描加工；

26、对所述初始改质层发射连续激光包括：将所述连续激光聚焦于所述初始改质层，并对所述初始改质层进行同步同轴扫描加工；

27、其中，所述扫描加工的扫描间隔与扫描速度可调设置

28、本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

29、本公开实施例提供的双激光同步同轴改质剥离装置能够将超短脉冲激光聚焦于待剥离层中并进行扫描发射，这样超短脉冲激光便能够使待剥离层中碳化硅晶锭发生晶型转变以及断链反应，单晶碳化硅转变为非晶态硅与非晶态碳，从而形成具有一定厚度、一定微裂纹的初始改质层；并且再同步通过第二脉冲激光系统向待剥离件中初始改质层发射连续激光，连续激光加热初始改质层，初始改质层吸收激光能量后温度上升并产生拉应力，促使微裂纹沿初始改质层均匀扩展，得到布满微裂纹的完全改质层，使待剥离碳化硅晶锭的内部完全开裂，省略了剥离过程需要合胶和脱胶等工艺，而且超短脉冲激光和连续激光高效协同作用，显著减少了改质和剥离的时间，提高了碳化硅晶锭的剥离效率，并且同步发生的初始改质层和裂纹扩展的完全改质层，能够使得碳化硅晶锭的应力集中更加均匀，促使裂纹沿初始改质层稳定扩展，从而实现更高质量的剥离，使最终剥离下来的碳化硅晶片表面粗糙度更低，有助于后续晶圆磨抛处理。

30、另外，本公开实施例提供的双激光同步同轴改质剥离方法能够适用于上述的双激光同步同轴改质剥离装置，能够实现同样的有益效果。

31、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

技术特征：

1.一种双激光同步同轴改质剥离装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的双激光同步同轴改质剥离装置，其特征在于，所述第一光路中的前段中设置有分束器（101）、所述第一光路的后段中设置有合束器（102）；

3.根据权利要求2所述的双激光同步同轴改质剥离装置，其特征在于，所述脉冲延时调控系统（11）包括多个设置于所述第二子光路中反射镜（111）；

4.根据权利要求1所述的双激光同步同轴改质剥离装置，其特征在于，所述第二光路中分别设有用于调节光路方向的第二反射镜（21）、以及用于与所述第一光路合束的第二合束器（22）。

5.根据权利要求1所述的双激光同步同轴改质剥离装置，其特征在于，所述双激光同步同轴改质剥离装置还包括光束聚焦系统（4）；

6.根据权利要求1所述的双激光同步同轴改质剥离装置，其特征在于，所述第一脉冲激光系统（1）包括皮秒激光器、纳秒激光器和飞秒激光器中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的双激光同步同轴改质剥离装置，其特征在于，所述移动平台（3）包括x轴移动子平台、y轴移动子平台和z轴移动子平台。

8.根据权利要求1所述的双激光同步同轴改质剥离装置，其特征在于，所述第一脉冲激光系统（1）能够根据待剥离件材料特性及待剥离层的位置，调节输出不同的激光参数；

9.一种双激光同步同轴改质剥离方法，能够适用于权利要求1~8中任一项所述的双激光同步同轴改质剥离装置，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的双激光同步同轴改质剥离方法，其特征在于，对所述初始改质层发射连续激光包括：将所述超短脉冲激光聚焦于所述待剥离层，并对所述待剥离层进行扫描加工；

技术总结本公开涉及晶圆激光切割技术领域，提供了一种双激光同步同轴改质剥离装置及双激光同步同轴改质剥离方法，前者包括移动平台、第一脉冲激光系统、第二脉冲激光系统和脉冲延时调控系统；移动平台能够沿多个不同方向移动待剥离件；第一脉冲激光系统通过第一光路向待剥离件发射超短脉冲激光，以使待剥离件内部形成的初始改质层；第二脉冲激光系统同步通过第二光路向待剥离件发射连续激光，以使初始改质层升温形成开裂的完全改质层；脉冲延时调控系统设置于第一光路中，用于调控第一脉冲激光系统的脉冲延时。后者能够适用于前者，能够提高半导体晶锭的剥离效率，改善质量剥离。技术研发人员：郭伟,李红梅,李宇昕,王宏伟,付丞,王文波,储旭东,徐庆锋,谈琪,岑文洋受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所技术研发日：技术公布日：2025/1/13