阅读说明：本技术 晶锭剥离方法及晶锭剥离装置 (Ingot peeling method and ingot peeling device ) 是由 王宏建 赵卫 杨涛 何自坚 王自 于 2020-11-09 设计创作，主要内容包括：本申请实施例提供一种晶锭剥离方法及晶锭剥离装置,属于半导体衬底制备技术领域。晶锭剥离方法包括：将激光束聚焦于位于磁流变液中的晶锭内预设深度处,通过激光束完成对晶锭的预设深度处的预设剥离面的扫描加工,以使预设剥离面处形成改质层。对磁流变液施加磁场,使得磁流变液相对晶锭运动以磨抛并去除改质层。晶锭剥离装置用于进行晶锭剥离方法。激光剥离的过程中能够实现磨抛,在有效改善剥离表面质量的情况下,能够提高加工效率。(The embodiment of the application provides an ingot stripping method and an ingot stripping device, and belongs to the technical field of semiconductor substrate preparation. The ingot peeling method includes: and focusing the laser beam at a preset depth in the crystal ingot in the magnetorheological fluid, and finishing scanning processing on a preset stripping surface at the preset depth of the crystal ingot through the laser beam so as to form a modified layer at the preset stripping surface. A magnetic field is applied to the magnetorheological fluid such that the magnetorheological fluid moves relative to the ingot to polish and remove the altered layer. The ingot peeling apparatus is used for performing an ingot peeling method. The laser stripping process can realize grinding and polishing, and the processing efficiency can be improved under the condition of effectively improving the quality of the stripped surface.)

晶锭剥离方法及晶锭剥离装置

技术领域

本申请涉及半导体衬底制备技术领域，具体而言，涉及一种晶锭剥离方法及晶锭剥离装置。

背景技术

晶圆作为半导体技术领域的核心材料，一定程度上直接决定了半导体元器件的制造水平。通过金刚石工具切割晶锭直接获取晶圆的方式，存在材料损耗大、工具磨损严重；对于硬脆材料更是极易产生致命的微裂纹及崩边缺陷，导致材料报废。

激光加工技术能够较好地解决上述问题，但剥离得到的晶圆表面仍需通过后续的磨抛加工提高表面质量，以此获得晶圆成品。而分散的加工工序不仅降低了加工效率，而且难以管控剥离质量。

现有技术中，在一些情况下，通过在激光加工设备上设置辅助磁场，通过磁场有效影响激光加工过程中的熔池流动、传热和等离子体的运动方向，以实现大尺寸、形状复杂的工件抛光，还可解决抛光过程中熔池飞溅、冷却温度不均及由抛光面积大引起的缺陷。上述方法虽然可以有效对材料表面进行加工，但是无法对材料内部进行处理，因此仍无法解决加工工序分散存在的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种晶锭剥离方法及晶锭剥离装置，激光剥离的过程中能够实现磨抛，在有效改善剥离表面质量的情况下，能够提高加工效率。

本申请的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种晶锭剥离方法，包括：

将激光束聚焦于位于磁流变液中的晶锭内预设深度处，通过激光束完成对晶锭的预设深度处的预设剥离面的扫描加工，以使预设剥离面处形成改质层。

对磁流变液施加磁场，使得磁流变液相对晶锭运动以磨抛并去除改质层。

第二方面，本申请实施例提供一种晶锭剥离装置，用于进行如第一方面实施例提供的晶锭剥离方法，包括：容置本体、激光组件、运动平台以及磁组件。

具有用于容置磁流变液和晶锭的容置腔。

激光组件用于对容置于容置腔内的晶锭发射聚焦于晶锭内预设深度处的激光束。

运动平台设置于容置本体和/或激光组件，以使激光束能够完成对晶锭的预设深度处的预设剥离面的扫描加工。

磁组件用于对容置于容置腔内的磁流变液施加磁场。

本申请实施例提供的晶锭剥离方法和晶锭剥离装置，有益效果包括：

将激光束聚焦于晶锭内预设深度处进行预设剥离面的扫描加工，在预设剥离面处形成改质层。通过对磁流变液施加磁场，使得磁流变液体在相对晶锭运动，利用磁流变液中的磁性颗粒对改质层进行磨抛以去除改质层。上述方法，在通过去除改质层进行剥离的同时，能够实现对剥离表面的磨抛，在有效改善剥离表面质量的情况下，提高加工效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为现有技术的晶锭剥离方法的流程示意图；

图2为现有技术的晶锭剥离方法中，晶锭的剥离状态图；

图3为本申请实施例提供的晶锭剥离装置实施晶锭剥离方法的示意图；

图4为本申请实施例提供的晶锭剥离方法的流程示意图；

图5为本申请实施例提供的晶锭剥离方法中，晶锭的剥离状态图。

图标：10-晶锭；20-晶圆；30-磁流变液；40-激光束；50-预设剥离面；60-待加工区域；70-已加工区域；80-磁流变作用区域；200-晶锭剥离装置；210-容置本体；211-容置腔；212-支撑平台；220-激光组件；221-激光器；222-扩束镜；223-反射镜；224-聚焦镜；230-运动平台；240-磁组件；241-第一磁体；242-第二磁体。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

需要说明的是，本申请中的“和/或”，如“方案A和/或方案B”，均是指可以单独地为方案A、单独地为方案B、方案A加方案B，该三种方式。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

此外，术语“平行”、“垂直”、“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件之间绝对平行或垂直、部件绝对水平或竖直，而是可以稍微倾斜。

请参阅图1和图2，现有技术中，采用激光对晶锭10进行剥离制备晶圆20等晶片时，将激光束40聚焦于晶锭10内预设深度处，通过激光束40完成对晶锭10的预设深度处的预设剥离面50扫描加工。

在加工过程中，在预设剥离面50所对应的区域中：待进行激光束40扫描的区域为待加工区域60；完成激光束40扫描的区域为已加工区域70，完成激光扫描的已加工区域70处会形成改质层。当预设剥离面50所对应的区域均变为已加工区域70，此时完成对预设剥离面50的扫描加工，整个预设剥离面50处均形成改质层。

现有技术中，在完成对预设剥离面50的扫描加工后，直接通过施加作用力将连接于改质层两侧的材料进行分离。如图1所示，剥离得到的晶圆20的剥离表面平整度较差，需要进一步将晶圆20置于磨抛装置中对晶圆20的剥离表面进行磨抛，提高晶圆20的剥离表面以满足生产和使用要求。

可以理解的是，在本申请中，预设剥离面50是指晶锭10的一个完整的截面，使得完成对预设剥离面50的扫描加工后，能够实现从晶锭10剥离晶片。

下面对本申请实施例的晶锭剥离方法及晶锭剥离装置200进行具体说明。

请参阅图3～图5，第一方面，本申请实施例提供一种晶锭剥离方法，包括：将激光束40聚焦于位于磁流变液30中的晶锭10内预设深度处，通过激光束40完成对晶锭10的预设深度处的预设剥离面50的扫描加工，以使预设剥离面50处形成改质层。对磁流变液30施加磁场，使得磁流变液30相对晶锭10运动以磨抛并去除改质层。

第二方面，本申请实施例提供一种晶锭剥离装置200(如图3所示)，用于进行如第一方面实施例提供的晶锭剥离方法，晶锭剥离装置200包括容置本体210、激光组件220、运动平台230以及磁组件240。容置本体210具有用于容置磁流变液30和晶锭10的容置腔211。激光组件220用于对容置于容置腔211内的晶锭10发射聚焦于晶锭10内预设深度处的激光束40。运动平台230设置于容置本体210和/或激光组件220，以使激光束40能够完成对晶锭10的预设深度处的预设剥离面50的扫描加工。磁组件240用于对容置于容置腔211内的磁流变液30施加磁场。

如图4和图5所示，在本申请实施例的加工过程中，在预设剥离面50所对应的区域中：待进行激光束40扫描的区域为待加工区域60；完成激光束40扫描的区域为已加工区域70，完成激光扫描的已加工区域70处会形成改质层；磁流变液30对改质层进行磨抛和去除作用的区域为磁流变作用区域80。

在本申请的实施例中，将激光束40聚焦于晶锭10内预设深度处进行预设剥离面50的扫描加工，在预设剥离面50处形成改质层。通过对磁流变液30施加磁场，使得磁流变液30在相对晶锭10运动，利用磁流变液30中的磁性颗粒对改质层进行磨抛以去除改质层。在本申请的实施例中，磁流变液30的液面不低于改质层的上表面，保证磁流变液30能够作用于改质层。上述方法，在通过去除改质层进行剥离的同时，能够实现对剥离表面的磨抛，在有效改善剥离表面质量的情况下，提高加工效率。

可选的，晶锭10的材质为碳化硅、氮化镓、硅或者蓝宝石。上述材质的半导体衬底应用广泛，且其通过激光扫描形成的改质层能够有效地被磁流变液30进行磨抛和去除，使得剥离速度快且剥离得到的表面质量好。

可选的，磁流变液30包括纳米级金刚石、亚微米级羰基铁粉、分散剂及防锈剂。纳米级金刚石和亚微米级羰基铁粉的组合具有合适的研磨性能和研磨粒度，保证能够较好地对改质层进行磨抛和去除。防锈剂使得磁流变液30中的磁性颗粒具有较好的稳定性，分散剂使得磁流变液30中的磁性颗粒能够较好地分散及流动，进而使得磁流变液30中的磁性颗粒在磁场作用下能够较好地相对晶锭10运动而进行改质层的磨抛和去除。

请继续参阅图3，示例性的，在晶锭剥离装置200中，激光组件220设置于容置本体210上方，激光组件220发射的激光束40沿竖直方向朝向容置于容置腔211内的晶锭10发射。

进一步的，激光组件220包括激光器221、扩束镜222、反射镜223和聚焦镜224。激光器221、扩束镜222和反射镜223沿水平方向依次间隔设置，扩束镜222和反射镜223设置于激光器221的激光发射侧；反射镜223和聚焦镜224沿竖直方向依次间隔设置，聚焦镜224设置于反射镜223的下方。

激光器221用于朝向扩束镜222发射水平的激光束40。扩束镜222用于将激光器221发射的激光束40扩束后沿水平的方向发射至反射镜223。反射镜223用于将扩束镜222扩束后的激光反射后沿竖直方向发射至聚焦镜224，能够有效节省空间。聚焦镜224用于将反射镜223反射的激光束40聚焦后发射至晶锭10的预设深度处，保证有较好的激光扫描效果。

适应性的，在晶锭剥离方法中，选择晶锭10中一个水平的径向面作为晶锭10的预设剥离面50，使得预设剥离面50与发射于晶锭10的激光束40垂直，方便控制激光束40和晶锭10在水平面内相对运动以完成对整个预设剥离面50的扫描加工。

可选的，容置腔211内的底部设置有支撑平台212，用于将晶锭10固定在支撑平台212上表面。

在一些示例性的实施方案中，当晶锭剥离方法剥离得到的晶片的厚度为目标厚度时，使得预设深度超出目标厚度50μm～150μm，例如但不限于为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm和150μm中的任一者或任意两者之间的范围。研究发现，由于激光束40在进行激光扫描时，会使得预设剥离面50及其上下方一定厚度范围内的材料形成改质层。若预设深度较小，激光扫描时容易使得待剥离晶片开裂；若预设深度较大，则容易得到厚度偏厚的产品，且使得晶锭10原料的浪费较多。

可选的，晶锭剥离方法剥离得到的晶片的厚度为200μm～600μm，例如但不限于为200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm和600μm中的任一者或任意两者之间的范围。上述厚度的产品能够较好地满足使用需要，有利于广泛应用。

示例性的，激光束40的脉宽为200fs～10ns，例如但不限于为200fs、500fs、1ps、5ps、10ps、200ps、500ps、1ns、3ns、4ns、5ns、6ns、8ns和10ns中的任一者或任意两者之间的范围，在保证较好的扫描效果的同时，避免产热过多。

激光束40的波长为355nm～1064nm，例如但不限于为355nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm和1064nm中的任一者或任意两者之间的范围，使得激光束40能够较好地透过晶锭10以聚焦于晶锭10内预设深度处。

激光束40的功率为1W～10W，例如但不限于为1W、2W、3W、4W、5W、6W、7W、8W、9W和10W中的任一者或任意两者之间的范围。

示例性的，激光束40相对晶锭10的扫描速度为50mm/s～500mm/s，例如但不限于为50mm/s、100mm/s、150mm/s、200mm/s、250mm/s、300mm/s、350mm/s、400mm/s、450mm/s和500mm/s中的任一者或任意两者之间的范围。

可以理解的是，在申请的实施例中，在一些实施方式中，可以先完成激光束40对预设剥离面50的扫描加工，使得整个预设剥离面50处均形成改质层；再对磁流变液30施加磁场，使得磁流变液30对形成于整个预设剥离面50处的改质层进行磨抛和去除。在另一些实施方案中，也可以在激光束40完成对预设剥离面50局部的扫描加工时，对磁流变液30施加磁场对已加工区域70的改质层进行磨抛和去除。

在一些可能的实施方案中，该通过激光束40完成对晶锭10的预设深度处的预设剥离面50的扫描加工的步骤中，包括：将激光束40从晶锭10的边缘向内部进行相对运动。该方式使得改质层从晶锭10的边缘向内部生成，方便在完成部分区域的激光扫描后，及时地采用磁流变液30对改质层进行处理。

可选的，该通过激光束40完成对晶锭10的预设深度处的预设剥离面50的扫描加工的步骤中，将磁场沿改质层的生成方向移动。需要说明的是，在本申请的实施例中，改质层的生成方向，是指已加工区域70指向未加工区域的方式。

作为一种示例，采用激光束40对预设剥离面50进行多次扫描。在每次扫描处理中，激光束40沿第一预设方向(如图3所示的Y方向)，从晶锭10在Y方向上的一侧运动到另一侧。在多次扫描中，激光束40沿第二预设方向(如图3所示的X方向)，从晶锭10在X方向上的一侧移动至另一侧。第一预设方向和第二预设方向均相互垂直且均与预设剥离面50平行。可选的，将磁场沿多次扫描的移动方向(即第二预设方向)进行移动。如图5所示，在多次扫描中，当激光束沿第二预设方向从晶锭的左侧移动至右侧时，磁场沿第二预设方向从晶锭的左侧移动至右侧。可以理解的是，在多次扫描中，当激光束沿第二预设方向从晶锭的右侧移动至左侧时，磁场同样地沿第二预设方向从晶锭的右侧移动至左侧。

进一步的，在本申请的晶锭剥离装置200中，磁组件240包括磁性相反的第一磁体241和第二磁体242，第一磁体241和第二磁体242用于设置于晶锭10的两侧，例如设置于晶锭在第一预设方向上的两侧。上述设置方式，使得磁场具有与改质层对应且平行于预设剥离面50的作用磁感线，并使得作用磁感线沿第一预设方向延伸。

适应性的，在晶锭剥离方法中，对磁流变液30施加磁场的步骤中，包括：在晶锭10的两侧设置磁性相反的第一磁体241和第二磁体242，使得晶锭处于第一磁体241和第二磁体242之间形成的磁场中，且穿过改质层的磁感线为平行于预设剥离面50直线。

通过第一磁体241和第二磁体242形成穿过晶锭10的磁场，其设置方便，同时方便通过控制第一磁体241和第二磁体242的运动以控制磁场运动。可以理解的是，在本申请的实施例中，磁组件240的设置形式不限，利于还可以设置为磁场发生器。

示例性的，将晶锭10置于运动平台230，通过运动平台230带动晶锭10运动，以使得晶锭10和激光束40相对运动。采用运动平台230带动晶锭10移动的方式实现晶锭10和激光束40的相对运动，其操作方便且可控性好。

作为一种示例，运动平台230被构造成能够沿X方向、Y方向和Z方向运动。沿Z方向的运动，方便调节晶锭10的相对高度，方便控制激光束40聚焦于晶锭10内的深度。沿X方向和Y方向的运动，方便控制晶锭10相对激光束40运动而完成对预设剥离面50的扫描加工。

可以理解的是，在本申请的实施例的晶锭剥离方法，也可以将激光束40进行移动，例如通过将激光组件220设置于容置本体210，以实现聚焦深度的控制和扫描加工的控制。在本申请的晶锭剥离装置200中，运动平台230示例性地设置于容置本体210底部，运动平台230也可以设置于内部，例如将运动平台230作为支撑平台212。

以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

一种晶锭剥离装置200，如图3所示，包括：容置本体210、激光组件220、运动平台230和磁组件240。其中：

容置本体210具有用于容置磁流变液30和晶锭10的容置腔211，容置腔211内的底部设置有用于将晶锭10固定在上表面的支撑平台212。

激光组件220设置于容置本体210上方，其包括激光器221、扩束镜222、反射镜223和聚焦镜224。激光器221、扩束镜222和反射镜223沿水平方向依次间隔设置；扩束镜222和反射镜223设置于激光器221的激光发射侧，二者均位于支撑平台212上方。

运动平台230设置于容置本体210的底部，被构造成能够沿X方向、Y方向和Z方向运动。

磁组件240包括磁性相反的第一磁体241和第二磁体242，第一磁体241和第二磁体242用于设置于晶锭10在X方向上的两侧。

实施例2

一种晶锭剥离方法，采用实施例1提供的晶锭剥离装置200进行，包括：

取待剥离的碳化硅晶锭10放置于支撑平台212的上表面，在容置腔211内装入磁流变液30。

根据需剥离得到的碳化硅晶圆20的厚度350μm，通过运动平台230在Z方向运动，调节晶锭10的相对高度，以将激光束40聚焦于碳化硅晶锭10内部的预设深度450μm处。其中，激光束40的脉宽为4ns、波长为1064nm且功率为3W。

将激光束40对晶锭10内部进行扫描，使得碳化硅晶锭10内部形成改质层。其中，扫描速度为300mm/s。扫描路径为：控制运动平台230在X方向运动，以使激光束40完成从晶锭10在Y方向上的一侧到另一侧边缘的单次扫描；然后控制运动平台230在X方向运动实现，以实现下一次扫描，多次扫描从晶锭10在X方向上的一侧运动到另一侧边缘，进行自碳化硅晶锭10的周向外部向内部运动的扫描加工。

在晶锭10的两侧设置磁性相反的第一磁体241和第二磁体242，使得第一磁体241和第二磁体242之间形成磁场。此时磁流变液30在磁极的作用下，将冲击已加工区域70的改质层。此时在碳化硅晶锭10内部形成三个区域，即待加工区域60、已加工区域70及磁流变作用区域80。

随着激光剥离加工的进行，待加工区域60不断缩小。已加工区域70先增大，此后扫描加工的同时伴随磁流变作用，使得已加工区域70大小保持较为稳定；随着扫描加工完成，继续进行的磁流变作用使得已加工区域70逐渐减小。当待磁流变液30将碳化硅晶锭10内部已形成的改质层完全去除掉，即可得到从碳化硅晶锭10上剥离碳化硅晶圆20。

实施例3

一种晶锭剥离方法，采用实施例1提供的晶锭剥离装置200进行，其与实施例2的不同之处在于：

待剥离的晶锭10为硅晶锭10。

激光束40的脉宽为10ps、波长为1030nm且功率为2W；扫描速度为400mm/s。

实施例4

一种晶锭剥离方法，采用实施例1提供的晶锭剥离装置200进行，其与实施例2的不同之处在于：

待剥离的晶锭10为蓝宝石晶锭10。

激光束40的脉宽为290ps、波长为1030nm且功率为4W；扫描速度为350mm/s。

实施例5

一种晶锭剥离方法，采用实施例1提供的晶锭剥离装置200进行，其与实施例2的不同之处在于：

激光束40的脉宽为8ns、波长为532nm且功率为7W；扫描速度为70mm/s。

实施例6

一种晶锭剥离方法，采用实施例1提供的晶锭剥离装置200进行，其与实施例2的不同之处在于：

激光束40的脉宽为4ns、波长为800nm且功率为5W；扫描速度为230mm/s。

对比例1

一种晶锭剥离方法，其与实施例2的不同之处在于，在未装入磁流变液30的容置腔211内进行晶锭10的剥离。

试验例

对实施例和对比例剥离得到的晶圆20的剥离表面的质量进行检查，发现，实施例1～6的晶圆20表面轮廓差值低于30μm，表面质量高；对比例1的晶圆20表面轮廓差值低于100μm，表面质量差。实施例的晶圆20的表面质量明显高于对比例1。

以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。