一种半绝缘型碳化硅单晶片剥离方法及剥离装置
阅读说明：本技术 一种半绝缘型碳化硅单晶片剥离方法及剥离装置 (Stripping method and stripping device for semi-insulating silicon carbide single crystal wafer ) 是由 王蓉 耿文浩 皮孝东 王明华 杨德仁 于 2021-11-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及单晶片剥离技术领域,公开了一种半绝缘型碳化硅单晶片剥离方法及剥离装置,包括：提供半绝缘型碳化硅晶锭,将半绝缘型碳化硅晶锭浸泡入刻蚀液中,其中,半绝缘型碳化硅晶锭包括非晶层和位于非晶层表面的单晶层,非晶层位于半绝缘型碳化硅晶锭内部的预定位置处；采用特定波长的入射光对半绝缘型碳化硅晶锭进行照射,入射光经过单晶层照射在非晶层表面,在非晶层表面形成光生空穴-电子对；在照射的过程中,刻蚀液对具有光生空穴-电子对的非晶层表面进行选择性刻蚀,得到半绝缘型碳化硅单晶片；本发明能够获得厚度可控的半绝缘型碳化硅单晶片,无需减薄研磨处理,且得到的单晶片表面或亚表面无损伤层、无应力残余,操作简单,成本低。(The invention relates to the technical field of single crystal wafer stripping, and discloses a stripping method and a stripping device for a semi-insulating silicon carbide single crystal wafer, which comprise the following steps: providing a semi-insulating silicon carbide crystal ingot, and soaking the semi-insulating silicon carbide crystal ingot into an etching liquid, wherein the semi-insulating silicon carbide crystal ingot comprises an amorphous layer and a monocrystalline layer positioned on the surface of the amorphous layer, and the amorphous layer is positioned at a preset position inside the semi-insulating silicon carbide crystal ingot; irradiating the semi-insulating silicon carbide crystal ingot by adopting incident light with specific wavelength, wherein the incident light is irradiated on the surface of the amorphous layer through the monocrystalline layer to form a photo-generated hole-electron pair on the surface of the amorphous layer; in the irradiation process, the etching liquid selectively etches the surface of the amorphous layer with the photo-induced hole-electron pairs to obtain a semi-insulating silicon carbide single crystal wafer; the method can obtain the semi-insulating silicon carbide single crystal wafer with controllable thickness, does not need thinning and grinding treatment, has no damage layer on the surface or subsurface of the obtained single crystal wafer, has no stress residue, and is simple to operate and low in cost.)
技术领域
本发明涉及单晶片剥离技术领域，具体为一种半绝缘型碳化硅单晶片剥离方法及剥离装置。
背景技术
目前，在碳化硅晶锭切片工序中，“激光切割法”是一种新型的生产碳化硅单晶片的方法，有望替代传统的“金刚石线切割法”。在干燥环境下，激光聚焦在平行于碳化硅晶锭基面的切割面上，局部加热产生高密度位错，在碳化硅晶锭的预定深度处形成一层很薄的混有非晶硅、非晶碳和非晶碳化硅的非晶层，其中，所述非晶层的厚度大约为50μm；然后通过机械剥离非晶层的方式得到碳化硅晶锭。
该方法切割损失少、晶圆表面或亚表面加工痕迹少，能够显著降低下一步研磨工序的难度。然而，激光处理得到的非晶层内部结构并不均匀，在机械剥离过程中可能会因受力不均而造成碳化硅单晶片破裂，并且剥离后的碳化硅单晶片表面会有残余应力存在，不利于下一步加工；因此截至目前，由“激光切割法”得到的碳化硅晶锭尺寸均较小（＜1cm×1cm），不能满足2-8英寸半绝缘型碳化硅单晶片的生产。
发明内容
本发明的目的在于克服现有剥离方法效果不好的问题，提供了一种半绝缘型碳化硅单晶片剥离方法及剥离装置。
为了实现上述目的，本发明提供一种半绝缘型碳化硅单晶片剥离方法，包括：提供半绝缘型碳化硅晶锭，将所述半绝缘型碳化硅晶锭浸泡入刻蚀液中，其中，所述半绝缘型碳化硅晶锭包括非晶层和位于所述非晶层表面的单晶层，所述非晶层位于所述半绝缘型碳化硅晶锭内部的预定深度处；
采用特定波长的入射光对所述半绝缘型碳化硅晶锭进行照射，入射光经过所述半绝缘型碳化硅晶锭表面的单晶层照射在所述非晶层表面，在所述非晶层表面形成光生空穴-电子对；
在照射的过程中，所述刻蚀液对具有光生空穴-电子对的非晶层表面进行选择性刻蚀，实现所述单晶层的剥离，得到半绝缘型碳化硅单晶片。
作为一种可实施方式，所述刻蚀液对具有光生空穴-电子对的非晶层表面进行选择性刻蚀的步骤包括：所述刻蚀液将所述非晶层表面的光生电子吸收，所述非晶层表面剩余的光生空穴破坏所述非晶层表面的Si-C和Si-Si，所述刻蚀液对破坏后的非晶层表面进行选择性刻蚀。
作为一种可实施方式，所述刻蚀液包含氧化剂和氧化硅腐蚀液；所述刻蚀液对具有光生空穴-电子对的非晶层表面进行选择性刻蚀的步骤包括：所述氧化剂将所述非晶层表面的光生电子吸收并发生氧化反应，所述非晶层表面剩余的光生空穴与所述非晶层表面的Si-C和Si-Si发生反应生成氧化硅，所述氧化硅腐蚀液与所述氧化硅发生反应，从而对所述非晶层表面进行选择性刻蚀。
作为一种可实施方式，所述氧化硅腐蚀液包括氢氟酸HF，所述非晶层表面剩余的光生空穴与所述非晶层表面的Si-C和Si-Si发生反应生成氧化硅，所述氧化硅腐蚀液与所述氧化硅发生反应的反应过程包括：
所述非晶层表面剩余的光生空穴h+与所述非晶层表面的Si-C和Si-Si发生反应生成SiO2，其中，光生空穴h+和Si-C发生反应的化学公式为：；光生空穴h+和Si-Si发生反应的化学公式为：；
生成SiO2后，SiO2和所述氢氟酸HF发生反应，其中，SiO2和氢氟酸HF发生反应的化学公式为：。
作为一种可实施方式，所述氧化剂包括三氧化铬CrO3、双氧水H2O2或者过硫酸钾K2S2O8。
作为一种可实施方式，当所述氧化剂为三氧化铬CrO3、所述氧化硅腐蚀液为氢氟酸HF时，所述氢氟酸HF的摩尔浓度范围为5-10 mol/L，所述氢氟酸HF和所述三氧化铬CrO3的摩尔浓度比范围为5：1-25：1。
作为一种可实施方式，采用特定波长的入射光对所述半绝缘型碳化硅晶锭进行照射的步骤包括：采用大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值的入射光垂直照射在所述半绝缘型碳化硅晶锭表面。
作为一种可实施方式，所述单晶层的晶型为4H型或者6H型，其中，4H型和6H型对应的吸收光波长临界值分别为380nm和410nm。
作为一种可实施方式，还包括：采用搅拌器对所述刻蚀液进行恒速搅拌，使得所述刻蚀液保持固定范围内的流速。
作为一种可实施方式，所述半绝缘型碳化硅晶锭的电阻率为105-108Ω•cm，所述半绝缘型碳化硅晶锭的尺寸范围为2-8英寸，发射入射光的光源距离所述刻蚀液表面的高度范围为5-10cm，所述刻蚀液的流速范围为1-5 mL/min，所述搅拌器的转速范围为300-500r/min。
作为一种可实施方式，在所述刻蚀液和发射入射光的光源中间采用滤光片进行滤波，使得到达所述半绝缘型碳化硅晶锭表面的入射光的波长大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值。
作为一种可实施方式，在所述刻蚀液和发射入射光的光源中间采用与所述单晶层属于同种晶型的半绝缘型碳化硅晶圆片进行滤波，入射光经过所述半绝缘型碳化硅晶圆片照射在所述半绝缘型碳化硅晶锭表面，所述半绝缘型碳化硅晶圆片用于吸收小于等于所述半绝缘型碳化硅晶圆片对应的吸收光波长临界值的入射光，使得照射在所述半绝缘型碳化硅晶锭表面的入射光的波长大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值。
作为一种可实施方式，发射入射光的光源包括氙灯、汞灯或led紫外光灯。
作为一种可实施方式，所述非晶面的形成过程包括以下步骤：聚焦激光在位于所述半绝缘型碳化硅预定深度处并平行于半绝缘型碳化硅晶锭基面的切割面上，对所述半绝缘型碳化硅晶锭进行局部加热产生高密度位错，从而在半绝缘型碳化硅晶锭的预定深度处形成一层非晶层，其中，所述非晶层包括非晶硅、非晶碳和非晶碳化硅。
相应的，本发明还提供一种半绝缘型碳化硅单晶片剥离装置，包括电解槽和光源；所述电解槽用于容纳刻蚀液，所述电解槽内部设有支架，所述支架用于放置半绝缘型碳化硅晶锭，所述半绝缘型碳化硅晶锭浸泡在所述刻蚀液中，其中，所述半绝缘型碳化硅晶锭包括非晶层和位于所述非晶层表面的单晶层，所述非晶层位于所述半绝缘型碳化硅晶锭内部的预定深度处；
所述光源设于所述刻蚀液表面上方的预定位置处，所述光源发射的具有特定波长的入射光经过所述半绝缘型碳化硅晶锭表面的单晶层照射在所述非晶层表面，使得所述非晶层表面形成光生空穴-电子对，在照射的过程中，所述刻蚀液对具有光生空穴-电子对的非晶层表面进行选择性刻蚀，实现所述单晶层的剥离，得到半绝缘型碳化硅单晶片。
作为一种可实施方式，所述光源和所述刻蚀液之间还设有滤光片，所述滤光片用于滤波，使得到达所述半绝缘型碳化硅晶锭表面的入射光的波长大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值。
作为一种可实施方式，所述刻蚀液与所述光源之间还设有与所述单晶层属于同种晶型的半绝缘型碳化硅晶圆片，入射光通过所述半绝缘型碳化硅晶圆片照射在所述半绝缘型碳化硅晶锭表面，所述半绝缘型碳化硅晶圆片用于吸收小于等于所述半绝缘型碳化硅晶圆片对应的吸收光波长临界值的入射光，使得照射在所述半绝缘型碳化硅晶锭表面的入射光的波长大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值。
作为一种可实施方式，所述光源包括氙灯、汞灯或led灯。
作为一种可实施方式，所述电解槽的左右两侧分别设有刻蚀液入口、刻蚀液出口，其中，所述刻蚀液入口的高度低于所述刻蚀液出口的高度。
作为一种可实施方式，所述电解槽的底部还设有搅拌器，所述搅拌器用于对所述刻蚀液进行恒速搅拌，使所述刻蚀液保持固定范围内的流速。
本发明的有益效果：本发明提供了一种半绝缘型碳化硅单晶片剥离方法及剥离装置，包括：提供半绝缘型碳化硅晶锭，将所述半绝缘型碳化硅晶锭浸泡入刻蚀液中，其中，所述半绝缘型碳化硅晶锭包括非晶层和位于所述非晶层表面的单晶层，所述非晶层位于所述半绝缘型碳化硅晶锭内部的预定深度处；采用特定波长的入射光对所述半绝缘型碳化硅晶锭进行照射，入射光经过所述半绝缘型碳化硅晶锭表面的单晶层照射在所述非晶层表面，在所述非晶层表面形成光生空穴-电子对；在照射的过程中，所述刻蚀液对具有光生空穴-电子对的非晶层表面进行选择性刻蚀，实现所述单晶层的剥离，得到半绝缘型碳化硅单晶片；本发明能够获得厚度可控的半绝缘型碳化硅单晶片，无需后续的减薄研磨处理，且得到的所述单晶片表面或亚表面无损伤层、无应力残余，操作简单，成本低。
附图说明
图1为本发明实施例的半绝缘型碳化硅单晶片剥离方法的流程步骤示意图。
图2 为本发明实施例的半绝缘型碳化硅单晶片剥离方法中半绝缘型碳化硅晶锭的结构示意图。
图3为本发明实施例的半绝缘型碳化硅单晶片剥离装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本实施例提供一种技术方案：一种半绝缘型碳化硅单晶片剥离方法，包括以下步骤：
步骤S100：提供半绝缘型碳化硅晶锭，将所述半绝缘型碳化硅晶锭浸泡入刻蚀液中，其中，所述半绝缘型碳化硅晶锭包括非晶层和位于所述非晶层表面的单晶层，所述非晶层位于所述半绝缘型碳化硅晶锭内部的预定深度处；
步骤S200：采用特定波长的入射光对所述半绝缘型碳化硅晶锭进行照射，入射光经过所述半绝缘型碳化硅晶锭表面的单晶层照射在所述非晶层表面，在所述非晶层表面形成光生空穴-电子对；
步骤S300：在照射的过程中，所述刻蚀液对具有光生空穴-电子对的非晶层表面进行选择性刻蚀，实现所述单晶层的剥离，得到半绝缘型碳化硅单晶片。
如图2所示为半绝缘型碳化硅晶锭示意图，所述半绝缘型碳化硅晶锭的厚度约为450μm，所述半绝缘型碳化硅晶锭包括单晶层31和非晶层32和下面的结构，所述单晶层31位于所述非晶层32表面上方，箭头所示方向为入射光照射方向，所述非晶层的厚度约50μm，所述非晶层32包括非晶硅、非晶碳和非晶碳化硅，且非晶硅、非晶碳和非晶碳化硅对应的禁带宽度均低于单晶碳化硅。
所述刻蚀液对具有光生空穴-电子对的非晶层表面进行选择性刻蚀的步骤包括：所述刻蚀液将所述非晶层表面的光生电子吸收，所述非晶层表面剩余的光生空穴破坏所述非晶层表面的Si-C和Si-Si，所述刻蚀液对破坏后的非晶层表面进行选择性刻蚀。
所述刻蚀液包含氧化剂和氧化硅腐蚀液；所述刻蚀液对具有光生空穴-电子对的非晶层表面进行选择性刻蚀的步骤包括：所述氧化剂将所述非晶层表面的光生电子吸收并发生氧化反应，所述非晶层表面剩余的光生空穴与所述非晶层表面的碳化硅的Si-C和Si-Si发生反应生成氧化硅， 所述氧化硅腐蚀液与所述氧化硅发生反应，从而对所述非晶层表面进行选择性刻蚀。
所述氧化硅腐蚀液包括氢氟酸HF，所述非晶层表面剩余的光生空穴与所述非晶层表面的碳化硅的Si-C和Si-Si发生反应生成氧化硅，所述氧化硅腐蚀液与所述氧化硅发生反应的反应过程包括：
所述非晶层表面剩余的光生空穴h+与所述非晶层表面的Si-C和Si-Si发生反应生成SiO2，其中，光生空穴h+和Si-C发生反应的化学公式为：；光生空穴h+和Si-Si发生反应的化学公式为：。
生成SiO2后，SiO2和所述氢氟酸HF发生反应，其中，SiO2和氢氟酸HF发生反应的化学公式为：。
通过以上分解公式，所述非晶层的上表面和下表面都会实现剥离，即所述非晶层会被消解掉，最终只剩下所述单晶层和所述下面的结构。
所述氧化剂包括三氧化铬CrO3、双氧水H2O2或者过硫酸钾K2S2O8。
当所述氧化剂为三氧化铬CrO3、所述氧化硅腐蚀液为氢氟酸HF时，所述氢氟酸HF的摩尔浓度范围为5-10 mol/L，所述氢氟酸HF和所述三氧化铬CrO3的摩尔浓度比范围为5：1-25：1。
采用特定波长的入射光对所述半绝缘型碳化硅晶锭进行照射的步骤包括：采用大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值的入射光垂直照射在所述半绝缘型碳化硅晶锭表面。
所述单晶层的晶型为4H型或者6H型，其中，4H型和6H型对应的吸收光波长临界值分别为380nm和410nm；因此，当单晶层采用的是4H型的碳化硅单晶时，采用波长大于380nm的入射光照射在所述碳化硅晶锭表面，当单晶层采用的是6H型的碳化硅单晶时，采用波长大于410nm的入射光照射在所述碳化硅晶锭表面。
具体的，4H型和6H型碳化硅单晶对应的吸收光波长临界值分别为380nm和410nm，当≤380nm（或≤410nm）的光均可被半绝缘型4H型（或6H型）碳化硅单晶吸收，并在所述半绝缘型碳化硅晶圆生成光生空穴-电子对，而＞380nm（或＞410nm）的光不能被4H型（或6H型）碳化硅单晶吸收，但能被对应的非晶层吸收，并生成光生空穴-电子对，与刻蚀液发生反应，这是因为非晶层的禁带宽度低于单晶碳化硅的禁带宽度；因此，通过选择入射光的波长范围可实现选择性光刻蚀。
本实施例的半绝缘型碳化硅单晶片剥离方法还包括：采用搅拌器对所述刻蚀液进行恒速搅拌，使得所述刻蚀液保持固定范围内的流速；具体的，所述刻蚀液连续通过所述刻蚀液入口流入所述电解池并通过所述刻蚀液出口流出电解池，所述电解池底部有搅拌器恒速搅拌，共同促进光刻蚀过程中的物料传递。
所述半绝缘型碳化硅晶锭的电阻率为105-108Ω•cm，所述半绝缘型碳化硅晶锭的尺寸范围为2-8英寸，发射入射光的光源距离所述刻蚀液表面的高度范围为5-10cm，所述刻蚀液的流速范围为1-5 mL/min，所述搅拌器的转速范围为300-500 r/min。
发射入射光的光源包括350W氙灯，所述氙灯发射的入射光的波长范围是350nm～780nm，而在其他实施例中，也可以选用其他光源，例如汞灯、led紫外光灯均可作为替代光源。
为了使到达所述半绝缘型碳化硅晶锭表面的入射光的波长大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值，在所述刻蚀液和发射入射光的光源中间采用滤光片进行滤波，使得到达所述半绝缘型碳化硅晶锭表面的入射光的波长大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值；或者，在所述刻蚀液和发射入射光的光源中间采用与所述单晶层属于同种晶型的半绝缘型碳化硅晶圆片进行滤波，入射光经过所述半绝缘型碳化硅晶圆片照射在所述半绝缘型碳化硅晶锭表面，所述半绝缘型碳化硅晶圆片用于吸收小于等于所述半绝缘型碳化硅晶圆片对应的吸收光波长临界值的入射光，使得照射在所述半绝缘型碳化硅晶锭表面的入射光的波长大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值。
例如，若所述单晶层的晶型为4H，则采用的所述半绝缘型碳化硅晶圆片的晶型也需为4H型，若所述单晶层的晶型为6H型，则采用的所述半绝缘型碳化硅晶圆片的晶型也需为6H；
以4H型碳化硅晶圆片为例，4H型碳化硅晶圆片中碳化硅为单晶，4H型碳化硅单晶可吸收小于等于380nm的入射光，产生光生空穴-电子对，光生电子和光生空穴寿命很短，为皮秒级，由于半绝缘型碳化硅晶圆片周围没有氧化剂的存在，光生电子会很快和光生空穴发生复合而泯灭，从而实现对氙灯发出的光进行吸收过滤，透过且没有被4H型碳化硅晶圆片吸收的入射光，即波长大于380nm的入射光，会进一步穿过所述刻蚀液到达经激光预处理的晶型为4H型的碳化硅晶锭表面，然后再经过半绝缘型碳化硅晶锭表面的单晶层，最终到达非晶层表面，实现对非晶层的刻蚀，最终实现半绝缘型碳化硅单晶片的剥离，且所得单晶片表面无应力残余。
所述非晶面的形成过程包括以下步骤：聚焦激光在位于所述半绝缘型碳化硅预定深度处并平行于半绝缘型碳化硅晶锭基面的切割面上，对所述半绝缘型碳化硅晶锭进行局部加热产生高密度位错，从而在半绝缘型碳化硅晶锭的预定深度处形成一层非晶层，其中，所述非晶层贯穿所述半绝缘型碳化硅晶锭的横截面，所述非晶层包括非晶硅、非晶碳和非晶碳化硅。
需要说明的是，在本实施例中，通过激光切割预处理形成非晶面的技术属于现有技术，因此，本实施例不再对其进行详细说明。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种半绝缘型碳化硅单晶片剥离装置，包括：电解槽和光源；
所述电解槽用于容纳刻蚀液，所述电解槽内部设有支架，所述支架用于放置半绝缘型碳化硅晶锭，所述半绝缘型碳化硅晶锭浸泡在所述刻蚀液中，其中，所述半绝缘型碳化硅晶锭包括非晶层位于所述非晶层表面的单晶层，所述非晶层位于所述半绝缘型碳化硅晶锭内部的预定深度处；
所述光源设于所述刻蚀液表面上方的预定位置处，所述光源发射的具有特定波长的入射光经过所述半绝缘型碳化硅晶锭表面的单晶层照射在所述非晶层表面，使得所述非晶层表面形成光生空穴-电子对，在照射的过程中，所述刻蚀液对具有光生空穴-电子对的非晶层表面进行选择性刻蚀，实现所述单晶层的剥离，得到半绝缘型碳化硅单晶片。
具体的，如图3所示，所述电解槽内部设有支架40并装有刻蚀液60，所述支架40用于放置半绝缘型碳化硅晶锭30，所述半绝缘型碳化硅晶锭30浸泡在所述刻蚀液60中，所述光源设于所述刻蚀液60上方的预定位置处，所述光源发射的入射光如箭头所示方向经过所述半绝缘型碳化硅晶锭表面的单晶层照射在所述非晶层的表面，其中，所述入射光的波长大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值。
所述支架为聚四氟乙烯支架，所述电解槽为聚四氟乙烯电解槽。
所述光源包括氙灯、汞灯和led紫外光灯。
为了使到达所述半绝缘型碳化硅晶锭表面的入射光的波长大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值，所述刻蚀液与所述光源之间还设有滤光片，所述滤光片用于滤波，使得到达所述半绝缘型碳化硅晶锭表面的入射光的波长大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值；或者，所述刻蚀液与所述光源之间还设有与所述单晶层属于同种晶型的半绝缘型碳化硅晶圆片20，入射光通过所述半绝缘型碳化硅晶圆片20照射在所述半绝缘型碳化硅晶锭30表面，所述半绝缘型碳化硅晶圆片20用于吸收小于等于所述半绝缘型碳化硅晶圆片20对应的吸收光波长临界值的入射光，使得照射在所述半绝缘型碳化硅晶锭30表面的入射光的波长大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值。
所述电解槽的左右两侧分别设有刻蚀液入口12、刻蚀液出口11，其中，所述刻蚀液入口12的高度低于所述刻蚀液出口11的高度。
所述电解槽的底部还设有搅拌器50，所述搅拌器50用于对所述刻蚀液60进行恒速搅拌，使所述刻蚀液60保持固定范围内的流速。
本发明所采用的剥离半绝缘型碳化硅单晶片的方法以及半绝缘型碳化硅单晶片剥离装置，能够获得厚度可控的半绝缘型碳化硅单晶片，无需减薄研磨处理，所述单晶片包括2英寸、4英寸、6英寸和8英寸的单晶片，所述单晶片表面或亚表面无损伤层、无应力残余，操作简单，成本低，替代了目前现有技术中所采用的高成本、低效率的“金刚石线切割法”。
本发明虽然己以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。