一种高效减薄剥离半导体材料的加工装置及方法与流程

本发明涉及半导体材料加工，尤其涉及一种高效减薄剥离半导体材料的加工装置及方法。

背景技术：

1、以碳化硅、氮化镓、金刚石为代表的第三代半导体具有大禁带宽度、高热导率以及高击穿阈值等优秀的物理特性，在半导体芯片行业、航空航天以及新能源领域有着巨大的应用前景。但是由于第三代半导体均为高硬度、易碎特性，这为其精密加工带来了巨大的挑战。传统的接触式切割方法存在着效率低、损耗大等问题，例如多线切割的方法损耗率可达1：1。

2、随着激光改质剥离方案的提出，非接触式加工得到了人们广泛的关注。专利“cn110010519a”发明了利用激光诱导材料改质的方法，结合剥离技术实现非接触式切割减薄碳化硅材料。但是已有的关于激光减薄剥离半导体材料也同样面临诸多问题，例如效率不高，一个四英寸的碳化硅晶锭减薄成晶圆需要激光改质剥离40分钟以上。同时碳化硅存在生长缺陷、参杂不均匀等自身特性问题，这对激光加工同样带来了很多误差。最后激光加工中无法规避的聚焦系统过热、材料翘曲等问题同样为碳化硅减薄加工带来了诸多不确定因素。

3、由于传统接触式加工方法存在着损耗大、效率低的问题，已有激光改质剥离的方法无法规避材料缺陷和加工参数实时变化的问题，存在加工精度低的问题，因此急需发明一种精密、高效以及智能的自适应高效减薄剥离半导体材料的加工装置及方法，这对扩展第三代半导体的应用提供了可靠的帮助。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种高效减薄剥离半导体材料的加工装置及方法，通过采用将一束激光分成多束激光的方法，并实时监测电导率、材料表面缺陷、加工距离以及聚焦系统温度等参数，可以实时调节激光加工参数，从而实现高效、精密减薄剥离半导体材料的加工，降低了第三代半导体材料的使用成本提供了新的思路。本发明不仅解决了接触式加工带来的损耗大、效率低的问题，同时也提高了激光改质剥离技术的加工精度，为降低第三代半导体材料的使用成本提供了可靠的帮助。

2、一种高效减薄剥离半导体材料的加工装置，包括用以发出激光光束的激光器、用以扩大激光光束直径的扩束器、用以将激光器发出的一束激光光束分成多束分光束的分光器、用以将多束分光束分别聚焦在半导体材料内部的多个聚焦系统、以及计算机；

3、其中，所述多束分光束同时聚焦在半导体材料内部的所需减薄剥离的位置且各束分光束的激光焦点位置不同，每束分光束的分光光路上均对应设置有一个聚焦系统，聚焦系统安装在z轴位移平台上，半导体材料设置在x-y轴位移平台上，z轴位移平台和x-y轴位移平台均与计算机电连接。

4、优选地，所述分光器由多个相平行的分光元件组成，后一分光元件位于前一分光元件的透射方向上，每束分光束均在其所对应的分光元件的反射方向上进行传播，聚焦系统设置在分光元件的反射方向。

5、优选地，前n-1个分光元件均为分光镜，第n个分光元件为激光反射镜，n为分光束的数量，n≥2。

6、优选地，分光束的传播光路上沿着光的传播方向依次设置有用以调整分光束激光能量的能量衰减器、用以调整分光束激光能量分布的空间光调制器、以及聚焦系统。

7、优选地，每个聚焦系统的一侧均设置有用以实时检测激光改质过程中半导体材料电阻率变化情况的电阻测试系统，每个电阻测试系统将其检测到的电阻率分别传输给计算机，计算机对接收到的信息进行处理以向各z轴位移平台发送对应的高度调整控制信号以使各路分光束的激光焦点在半导体材料内部z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置、并根据各路分光束激光能量变化情况控制调整其激光能量以使各激光焦点处的能量保持不变。

8、优选地，每个聚焦系统的一侧均设置有用以实时检测半导体材料在激光改质加工过程中产生的畸变情况的材料畸变检测装置，每个材料畸变检测装置将其检测到的畸变信息分别传输给计算机，计算机对接收到的信息进行处理以向各z轴位移平台发送对应的高度调整控制信号以使各路分光束的激光焦点在半导体材料内部z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置。

9、优选地，所述材料畸变检测装置为激光测距仪或干涉仪。

10、优选地，所述半导体材料在激光改质加工过程中产生的畸变包括半导体材料发生的翘曲和半导体材料表面产生的凹凸缺陷。

11、优选地，每个z轴位移平台上均设置有用以实时检测激光改质过程中聚焦系统温度变化的温度传感器，每个温度传感器将其检测到的温度信号分别传输给计算机，计算机根据各路分光束的激光焦点形貌畸变情况和激光能量变化情况分别控制调整各分光光路的激光能量分布和激光能量以使各路分光束的激光焦点形状保持不变、激光焦点处的激光能量保持不变，并根据热透镜效应对激光焦点位置的影响控制各z轴位移平台以使各路分光束的激光焦点在半导体材料内部z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置。

12、优选地，每个z轴位移平台上均设置有用以实时检测激光改质过程中半导体材料表面出现的缺陷的ccd相机，每个ccd相机将其拍摄到的影像信息分别传输给计算机，计算机根据各路分光束的激光能量变化情况分别控制调整其激光能量以使各路分光束激光焦点处的能量保持不变。

13、优选地，每个z轴位移平台上均设置有用以实时检测激光改质过程中聚焦系统温度变化的温度传感器，每个温度传感器将其检测到的温度信号分别传输给计算机，计算机根据各路分光束的激光焦点形貌畸变情况和激光能量变化情况分别控制调整各分光光路的激光能量分布和激光能量以使各路分光束的激光焦点形状保持不变、激光焦点处的激光能量保持不变，并根据热透镜效应对激光焦点位置的影响控制各z轴位移平台以使各路分光束的激光焦点在半导体材料内部z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置。

14、优选地，所述温度传感器为接触式温度传感器或非接触式温度传感器，当温度传感器为接触式温度传感器时，其固定在聚焦系统上；当温度传感器为非接触式温度传感器时，其设置于聚焦系统一侧且其与聚焦系统和材料畸变检测装置位于同一直线上。

15、优选地，所述非接触式温度传感器为红外热成像仪。

16、优选地，每个z轴位移平台上均设置有用以实时检测激光改质过程中半导体材料表面出现的缺陷的ccd相机，每个ccd相机将其拍摄到的影像信息分别传输给计算机，计算机根据各路分光束的激光能量变化情况分别控制调整其激光能量以使各路分光束激光焦点处的能量保持不变。

17、优选地，每个z轴位移平台上均设置有用以实时检测激光改质过程中半导体材料表面出现的缺陷的ccd相机，每个ccd相机将其拍摄到的影像信息分别传输给计算机，计算机根据各路分光束的激光能量变化情况分别控制调整其激光能量以使各路分光束激光焦点处的能量保持不变。

18、优选地，所述半导体材料表面出现的缺陷包括结构缺陷和杂质缺陷，结构缺陷包括点状缺陷、微裂缺陷。

19、优选地，所述扩束器的扩束比为1:2～1:5。

20、优选地，所述激光器发出的激光光束为基频激光，激光的脉冲宽度范围为100fs～100ps，所述激光器发出激光的激光能量调整范围为20μj～100μj。

21、一种高效减薄剥离半导体材料的加工方法，利用所述的装置对半导体材料进行激光改质剥离加工，所述方法具体包括以下步骤：

22、s1，根据待激光改质剥离的半导体材料的尺寸大小确定所需激光改质的光路数量；

23、s2，根据确定的所需激光改质的光路数量，在所述高效减薄剥离半导体材料的加工装置中设置相应的分光器以使其将激光器发出的激光光束分成所需数量的分光束；

24、s3，移动x-y轴位移平台对半导体材料进行高效激光改质加工，各束分光束分别沿着其各自的分光光路向下传输并聚焦在半导体材料内部所需减薄剥离的不同位置；

25、激光改质加工过程中，计算机根据电阻测试系统、材料畸变检测装置、ccd相机和温度传感器中的任一个或几个传输过来的信息来对应控制衰减器和/或z轴位移平台和/或空间光调制器以使各路分光束的激光焦点形状保持不变、激光焦点处的激光能量保持不变、各路分光束的激光焦点在半导体材料内部z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置；

26、s4，激光改质加工完成后，将加工好的半导体材料从x-y轴位移平台上取出，并放到剥离设备中进行剥离作业，从而实现半导体材料的激光改质剥离加工。

27、优选地，当电阻测试系统检测到激光改质过程中半导体材料的电阻率发生变化并将其检测到的电阻率传输给计算机时，计算机根据接收到的数据控制各z轴位移平台以使各路分光束的激光焦点在半导体材料内部z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置、并根据各路分光束激光能量变化情况控制调整其激光能量以使各激光焦点处的能量保持不变；

28、当材料畸变检测装置检测到激光改质过程中半导体材料产生畸变并将其检测到的畸变信息分别传输给计算机时，计算机根据接收到的数据控制各z轴位移平台以使各路分光束的激光焦点在半导体材料内部z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置；

29、当温度传感器检测到激光改质过程中聚焦系统的温度变化并将其检测到的温度信号传输给计算机时，计算机根据各路分光束的激光焦点形貌畸变情况和激光能量变化情况分别控制调整各分光光路的激光能量分布和激光能量以使各路分光束的激光焦点形状保持不变、激光焦点处的激光能量保持不变，并根据热透镜效应对激光焦点位置的影响控制各z轴位移平台以使各路分光束的激光焦点在半导体材料内部z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置；

30、当ccd相机检测到激光改质过程中半导体材料表面出现缺陷并将其拍摄到的影像信息传输给计算机时，计算机根据各路分光束的激光能量变化情况分别控制调整其激光能量以使各路分光束激光焦点处的能量保持不变。

31、本发明的有益效果是：

32、1、本发明通过采用将一束激光分成多束激光的方法，并通过引入电阻测试系统、激光测距仪、红外热成像仪和ccd相机对半导体材料激光改质加工过程中的电阻率变化情况、材料发生的材料翘曲、材料表面出现的不同尺寸的缺陷以及聚焦系统升温带来的热透镜效应引发的误差进行实时测量，并将测量数据发送给计算机，计算机对接收到的数据进行数据并根据处理结果实时向z轴位移平台、衰减器和空间光调制器发送控制信号，对加工参数进行实时调整，从而实现自适应激光减薄剥离半导体材料的加工，提高了激光减薄剥离的精度，不仅解决了接触式加工带来的损耗大、效率低的问题，同时也提高了激光改质剥离技术的加工精度，为降低第三代半导体材料的使用成本提供了可靠的帮助。

33、2、本发明利用激光诱导半导体材料产生非线性吸收，进而产生应力差实现改质，在激光加工过程中引入电阻测试系统、激光测距仪、红外热成像仪和ccd相机对半导体材料激光改质加工过程中的电阻率变化情况、材料发生的材料翘曲、材料表面出现的不同尺寸的缺陷以及聚焦系统升温带来的热透镜效应引发的误差进行实时测量，有效地解决了激光改质剥离技术中难以规避的材料均匀性、加工过程中材料翘曲、表面缺陷以及聚焦系统温度过高等带来的加工精度问题，提高了加工精度。

34、3、本发明可以针对不同性质、不同材料、不同功能等任意半导体材料实现智能自适应激光减薄剥离加工，同时可以根据所需加工半导体材料的尺寸，设计出不同的激光分束方案，具有很高的适用性。