一种碳化硅单晶片剥离方法及剥离装置

1.本发明涉及碳化硅单晶片制造技术领域，具体为一种碳化硅单晶片剥离方法及剥离装置。


背景技术：

2.目前，生产碳化硅单晶片的方法普遍采用的是金刚石线锯切片工艺。虽然能够获得高产量的碳化硅单晶片，但每根金刚石线造成碳化硅材料的切口损失厚度超过180μm，并且严重损耗金刚石线。另一方面，金刚石线锯过程中产生的机械振动和应力会造成晶圆片表面出现大量的划痕和裂纹等机械损伤，需要进一步去除总厚度约150μm的表面层来消除线切割工艺造成的影响。因此，生产一片厚度约350μm的碳化硅晶圆片，需要消耗掉约330μm厚的碳化硅材料。
3.在碳化硅晶锭切片工序中，激光切片技术与光电化学腐蚀技术相结合的方式是一种新型的生产碳化硅晶圆片的方法，有望替代传统的金刚石线锯切片工艺。在干燥环境下，通过激光切片技术将脉冲激光聚焦在平行于基面的切割面上，局部瞬态高温产生高密度位错，形成一层很薄的（＜50μm）混有非晶硅、非晶碳和非晶碳化硅的非晶层。由于非晶层的禁带宽度均低于单晶碳化硅，因此利用光电化学腐蚀技术在禁带宽度上的选择性对非晶层进行选择性的腐蚀，得到晶圆级的、表面无损伤层和无应力残余的碳化硅晶圆片，能够显著降低下一步研磨工序的难度。然而，由于非晶层的光电化学腐蚀是从层边缘向层内部进行的，而窄的腐蚀面积严重限制反应过程中的物料传输速率，造成非晶层的腐蚀速率低下，不利于快速剥离，因此需要进一步提高腐蚀速率。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有剥离方法效率不高的问题，提供了一种碳化硅单晶片剥离方法及剥离装置。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种碳化硅单晶片剥离方法，包括以下步骤：提供碳化硅晶锭，其中，所述碳化硅晶锭包括非晶层和单晶层，所述单晶层包括分别位于所述非晶层两侧表面的第一单晶层和第二单晶层，所述非晶层位于所述碳化硅晶锭内部的预定深度处，所述第一单晶层为待剥离的碳化硅单晶片，所述第二单晶层的外侧表面依次设有导电层和绝缘层；将所述碳化硅晶锭浸泡入刻蚀液中，将所述碳化硅晶锭作为阳极通过所述导电层连接电压输出端并在所述刻蚀液中设置阴极连接电压输入端，其中，所述刻蚀液包含氧化剂和氧化硅腐蚀液；采用大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值的入射光照射在所述碳化硅晶锭表面，入射光经过所述碳化硅晶锭表面的第一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，向所述碳化硅晶锭提供正恒电位并对所述刻蚀液进行微波加
热，所述非晶层表面的光生电子沿电流转移到所述阴极上与所述氧化剂发生反应，所述氧化硅腐蚀液对具有光生空穴的非晶层表面进行选择性刻蚀，实现所述第一单晶层的剥离，得到碳化硅单晶片。
6.作为一种可实施方式，进行微波加热时的微波输出功率为100～300w，对应的所述刻蚀液的温度为30～90℃。
7.作为一种可实施方式，将所述碳化硅晶锭作为阳极通过所述导电层连接电压输出端并在所述刻蚀液中设置阴极连接电压输入端，具体为基于二电极体系将所述碳化硅晶锭作为阳极通过所述导电层连接电压输出端并在所述刻蚀液中设置阴极连接电压输入端，或者基于三电极体系将所述碳化硅晶锭作为阳极通过所述导电层连接电压输出端并在所述刻蚀液中设置阴极连接电压输入端。
8.作为一种可实施方式，在照射的过程中，向所述碳化硅晶锭提供正恒电位并对所述刻蚀液进行微波加热时，还包括对所述刻蚀液提供超声振动。
9.作为一种可实施方式，所述非晶层表面的光生电子沿电流转移到所述阴极上与所述氧化剂发生反应，所述氧化硅腐蚀液对具有光生空穴的非晶层表面进行选择性刻蚀的过程具体包括：所述非晶层表面的光生电子沿电流转移到所述阴极上与所述氧化剂发生反应，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。
10.作为一种可实施方式，所述氧化剂为氢离子h

，所述氧化硅腐蚀液为氢氟酸hf，所述非晶层表面的光生电子沿电流转移到所述阴极上与所述氧化剂发生反应的反应过程包括：h

与所述光生电子e-发生还原反应，其中，发生还原反应的化学公式为：；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：。
11.作为一种可实施方式，采用大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值的入射光照射在所述碳化硅晶锭表面的步骤具体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碳化硅晶锭表面，其中，当采用的单晶层的晶型为4h型或者6h型时， 4h型和6h型对应的吸收光波长临界值分别为380nm和410nm。
12.作为一种可实施方式，所述阴极为铂网，所述碳化硅晶锭的氮掺杂浓度范围为5
×
10
14
～3
×
10
19 /cm3，所述碳化硅晶锭的厚度范围为0.5～50毫米，所述碳化硅晶锭的尺寸范围为2-8英寸，所述非晶层的厚度范围为2～50微米，所述非晶层距离所述第一单晶层上侧表面的距离范围为5～600微米；向所述碳化硅晶锭提供正恒电位的电压范围为1-8v；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，所述刻蚀液的浓度范围为1-20%。
13.作为一种可实施方式，还包括，在所述光源上采用滤光片进行滤波，使得到达所述
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。
14.作为一种可实施方式，还包括，在刻蚀液的上方采用有机玻璃片对所述氧化硅腐蚀液挥发后形成的蒸汽进行阻挡，防止所述氧化硅腐蚀液挥发后形成的蒸汽腐蚀所述滤光片。
15.相应的，本发明还提供了一种微波辅助碳化硅单晶片剥离装置，包括微波装置、电解槽和光源；所述微波装置用于容纳所述电解槽，所述电解槽用于容纳刻蚀液，所述刻蚀液内部设置有安装结构，所述安装结构用于安装碳化硅晶锭、二电极体系中的阴极，其中，所述碳化硅晶锭包括非晶层和单晶层，所述单晶层包括分别位于所述非晶层两侧表面的第一单晶层和第二单晶层，所述非晶层位于所述碳化硅晶锭内部的预定深度处，所述第一单晶层为待剥离的碳化硅单晶片，所述第二单晶层的外侧表面依次设有导电层和绝缘层，所述碳化硅晶锭作为阳极通过所述导电层连接电压输出端，所述阴极连接电压输入端；所述刻蚀液包含氧化剂和氧化硅腐蚀液；所述光源设于所述刻蚀液上方并与所述刻蚀液表面之间具有预定距离，所述光源发射的大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值的入射光经过所述碳化硅晶锭表面的第一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，向所述碳化硅晶锭提供正恒电位并通过所述微波装置对所述刻蚀液进行微波加热，所述非晶层表面的光生电子沿电流转移到所述阴极上与所述氧化剂发生反应，所述氧化硅腐蚀液对具有光生空穴的非晶层表面进行选择性刻蚀，实现所述第一单晶层的剥离，得到碳化硅单晶片。
16.作为一种可实施方式，所述光源设在所述微波装置的上侧，所述光源上还设有滤光片，所述滤光片用于滤波，使得到达所述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。
17.作为一种可实施方式，所述电解槽的上方开口处还设有有机玻璃片，用于对所述氧化硅腐蚀液挥发后形成的蒸汽进行阻挡，防止所述氧化硅腐蚀液挥发后形成的蒸汽腐蚀所述滤光片。
18.作为一种可实施方式，所述刻蚀液中还设有超声棒，所述超声棒用于在照射的过程中向所述碳化硅晶锭提供正恒电位并对所述刻蚀液进行微波加热时，对所述刻蚀液提供超声振动。
19.本发明的有益效果：本发明提供一种碳化硅单晶片剥离方法及剥离装置，通过将碳化硅晶锭作为阳极通过碳化硅晶锭上的导电层连接电压输出端并在刻蚀液中设置阴极连接电压输入端；采用大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值的入射光照射在所述碳化硅晶锭表面；在照射的过程中，向所述碳化硅晶锭提供正恒电位并对所述刻蚀液进行微波加热，实现单晶层的剥离，得到碳化硅单晶片。本发明采用的刻蚀工艺方法，可快速获得厚度可控的碳化硅单晶片，无需减薄研磨处理，单晶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
20.图1为本发明实施例碳化硅单晶片剥离方法步骤示意图。
21.图2为本发明实施例碳化硅单晶片剥离方法中包含导电层和绝缘层的碳化硅晶锭结构示意图。
22.图3为本发明实施例微波辅助碳化硅单晶片剥离装置结构示意图。
具体实施方式
23.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。
24.参见图1，本实施例提供一种技术方案：一种碳化硅单晶片剥离方法，包括以下步骤：步骤s100，提供碳化硅晶锭，其中，所述碳化硅晶锭包括非晶层和单晶层，所述单晶层包括分别位于所述非晶层两侧表面的第一单晶层和第二单晶层，所述非晶层位于所述碳化硅晶锭内部的预定深度处，所述第一单晶层为待剥离的碳化硅单晶片，所述第二单晶层的外侧表面依次设有导电层和绝缘层；步骤s200，将所述碳化硅晶锭浸泡入刻蚀液中，将所述碳化硅晶锭作为阳极通过所述导电层连接电压输出端并在所述刻蚀液中设置阴极连接电压输入端，其中，所述刻蚀液包含氧化剂和氧化硅腐蚀液；步骤s300，采用大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值的入射光照射在所述碳化硅晶锭表面，入射光经过所述碳化硅晶锭表面的第一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s400，在照射的过程中，向所述碳化硅晶锭提供正恒电位并对所述刻蚀液进行微波加热，所述非晶层表面的光生电子沿电流转移到所述阴极上与所述氧化剂发生反应，所述氧化硅腐蚀液对具有光生空穴的非晶层表面进行选择性刻蚀，实现所述第一单晶层的剥离，得到碳化硅单晶片。
25.执行步骤s100，如图2所示，为碳化硅晶锭1，所述碳化硅晶锭的氮掺杂浓度范围为5
×
10
14
～3
×
10
19 /cm3，所述碳化硅晶锭的厚度范围为0.5～50毫米，所述碳化硅晶锭的尺寸范围为2-8英寸，所述碳化硅晶锭1包括单晶层和非晶层200，所述非晶层200位于所述碳化硅晶锭1的预定深度处，所述非晶层的厚度范围为2～50微米，所述非晶层距离所述第一单晶层外侧表面的距离范围为5～600微米，所述碳化硅晶锭1从上到下依次包括第一单晶层100、非晶层200、第二单晶层300、设在所述第二单晶层300外侧表面也就是下表面的导电层120和覆盖所述导电层120的绝缘层110，所述非晶层200位于所述碳化硅晶锭1内部的预定深度处，所述第一单晶层100为待剥离的碳化硅单晶片，所述碳化硅晶锭作为阳极也就是工作电极通过所述导电层连接电压输出端，所述阴极也就是对电极为铂网连接电压输入端，所述导电层具体为导电银胶，所述绝缘层具体为聚四氟乙烯膜。
26.其中，所述非晶层的形成过程包括以下步骤：聚焦激光在位于所述碳化硅晶锭预定深度处并平行于碳化硅晶锭基面的切割面上，对所述碳化硅晶锭进行局部加热产生高密度位错，从而在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。
27.将所述碳化硅晶锭作为阳极通过所述导电层连接电压输出端并在所述刻蚀液中设置阴极连接电压输入端，具体为基于二电极体系将所述碳化硅晶锭作为阳极通过所述导电层连接电压输出端并在所述刻蚀液中设置阴极连接电压输入端，或者基于三电极体系将所述碳化硅晶锭作为阳极通过所述导电层连接电压输出端并在所述刻蚀液中设置阴极连接电压输入端。
28.在本实施例中，采用的是通过两电极体系进行的腐蚀过程，目的为了将碳化硅晶锭全部暴露在可见光中，同时通过导电层与电压输出端相连，能够将非晶层的光生电子全部导出体外，剥离效率更好，另外，相较于三电机体系，由于氢氟酸hf对三电极体系中的参比电极的损伤比较大，而本实施例利用两电极体系得到了更好的效果。
29.执行步骤s200，将所述碳化硅晶锭浸泡入刻蚀液中的所述刻蚀液的浓度范围为1-20%，所述刻蚀液包含氧化剂和氧化硅腐蚀液，所述氧化剂为氢离子h

，所述氧化硅腐蚀液为氢氟酸hf，具体的，所述刻蚀液为将浓度为40%的氢氟酸hf与超纯水按1:1～1：39的质量比混合、搅拌，制成的1-20%的氢氟酸hf水溶液，且在腐蚀的过程中，所述刻蚀液的流速范围为1-5 ml/min，还通过搅拌器对所述刻蚀液进行充分反应，其中，所述搅拌器的转速范围为300～500 r/min。
30.执行步骤s300，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，所述光源为氙灯、汞灯或led紫外光灯，所述光源上还采用了滤光片进行滤波，使得到达所述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。
31.采用大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值的入射光照射在所述碳化硅晶锭表面的步骤具体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碳化硅晶锭表面，其中，当采用的单晶层的晶型为4h型或者6h型时， 4h型和6h型对应的吸收光波长临界值分别为380nm和410nm。
32.另外，在腐蚀的过程中，还包括在刻蚀液的上方采用有机玻璃片对所述氧化硅腐蚀液挥发后形成的蒸汽进行阻挡，防止所述氧化硅腐蚀液挥发后形成的蒸汽腐蚀所述滤光片。
33.执行步骤s400，在照射的过程中，向所述碳化硅晶锭提供正恒电位的电压范围为1-8v，所述非晶层表面的光生电子沿电流转移到所述阴极上与所述氧化剂发生反应，所述氧化硅腐蚀液对具有光生空穴的非晶层表面进行选择性刻蚀的过程具体包括：所述非晶层表面的光生电子沿电流转移到所述阴极上与所述氧化剂发生反应，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。
34.所述氧化剂为氢离子h

，所述氧化硅腐蚀液为氢氟酸hf，所述非晶层表面的光生电子沿电流转移到所述阴极上与所述氧化剂发生反应的反应过程包括：h

与所述光生电子e-发生还原反应，其中，发生还原反应的化学公式为：；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：。
35.在照射的过程中向所述碳化硅晶锭提供正恒电位时，当对所述刻蚀液进行微波加热，所述微波的输出功率为100～300w，对应的所述刻蚀液的温度为30～90℃。
36.其中，微波是一种电磁波，频率约为2.45ghz，波长约为122mm，微波会引起水分子中的正、负电荷中心发生震动而被吸收，使得刻蚀液内外的温度同时迅速上升。对于碳化硅晶锭中非晶层的光电化学腐蚀反应，微波产生的高温有利于加快反应速率，促进非晶层表面反应物和产物的传递，提升反应动力学。此外，碳化硅材料无法吸收波长处于厘米级的微波，进而排除对非晶层在光电化学腐蚀禁带宽度选择性上的干扰。因此，本发明采用微波辅助进行快速光电化学腐蚀剥离碳化硅单晶，大大提高了剥离效率。
37.如图3所示为微波装置11，所述电解槽7位于所述微波装置11内部，所述电解槽7内装有刻蚀液，所述光源10位于所述微波装置的上方，在所述电源10对所述碳化硅晶锭1进行照射的过程中，向所述碳化硅晶锭1的导电层提供正恒电位，并通过所述微波装置11对位于内部的电解槽7进行微波加热，使所述电解槽7内部的刻蚀液处于预定温度，加快刻蚀速率，解决了激光处理后形成的非晶层在光电化学腐蚀过程中，是由外而内进行腐蚀的，腐蚀速率低下，不利于碳化硅晶圆片的快速剥离的技术问题。
38.本实施例采用的微波加热，加热更加均匀，相比于传统的热传导式加热方式，微波加热可在分子水平上进行加热，不存在温度梯度，加热均匀，能够实现非晶层的快速氧化。如果采用其他方式加热，由于加热的不均匀性，对刻蚀液的流速等条件都有很高的要求，不利于运用在碳化硅剥离的过程中，而本实施例采用了微波加热的方式，达到了实验目的，且具有很好的效果。
39.进一步的，在照射的过程中向所述碳化硅晶锭提供正恒电位并对所述刻蚀液进行微波加热时，为了进一步提升剥离效率，还包括对所述刻蚀液提供超声振动，如图3所示，通过在刻蚀液中设置超声仪12，对所述刻蚀液提供超声振动；其中，在进行超声振动时使用的超声频率为40khz, 超声波声功率为50～500w。
40.当进行超声振动时，由于超声波能够使刻蚀液中产生大量的空化气泡，而空化气泡在破裂瞬间能够产生强烈冲击，这有利于光电化学反应过程中的物料传递，因此，本发明采用超声波辅助进行快速光电化学腐蚀剥离碳化硅晶圆片，进一步提高了剥离速率，解决了技术问题。
41.本发明实施例提供的技术方案，通过将碳化硅晶锭作为阳极通过碳化硅晶锭上的导电层连接电压输出端并在刻蚀液中设置阴极连接电压输入端；采用大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值的入射光照射在所述碳化硅晶锭表面；在照射的过程中，向所述碳化硅晶锭提供正恒电位并对所述刻蚀液进行微波加热，实现单晶层的剥离，得到碳化硅单晶片。本发明采用微波辅助光电化学刻蚀工艺方法，可快速获得厚度可控的碳化硅单晶片，无需减薄研磨处理，单晶表面或亚表面无损伤层、无应力残余，操作简单，成本低，且进一步提高了光电化学腐蚀的速率。
42.相应的，基于同一发明构思，本实施例还提供了一种碳化硅单晶片剥离装置，包括微波装置、电解槽和光源；所述微波装置用于容纳所述电解槽，所述电解槽用于容纳刻蚀液，所述刻蚀液内
部设置有安装结构，所述安装结构用于安装碳化硅晶锭、二电极体系中的阴极，其中，所述碳化硅晶锭包括非晶层和单晶层，所述单晶层包括分别位于所述非晶层两侧表面的第一单晶层和第二单晶层，所述非晶层位于所述碳化硅晶锭内部的预定深度处，所述第一单晶层为待剥离的碳化硅单晶片，所述第二单晶层的外侧表面依次设有导电层和绝缘层，所述碳化硅晶锭作为阳极通过所述导电层连接电压输出端，所述阴极连接电压输入端；所述刻蚀液包含氧化剂和氧化硅腐蚀液；所述光源设于所述刻蚀液上方并与所述刻蚀液表面之间具有预定距离，所述光源发射的大于所述单晶层对应的吸收光波长临界值的入射光经过所述碳化硅晶锭表面的第一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，向所述碳化硅晶锭提供正恒电位并通过所述微波装置对所述刻蚀液进行微波加热，所述非晶层表面的光生电子沿电流转移到所述阴极上与所述氧化剂发生反应，所述氧化硅腐蚀液对具有光生空穴的非晶层表面进行选择性刻蚀，实现所述第一单晶层的剥离，得到碳化硅单晶片。
43.其中，所述光源上还设有滤光片，所述滤光片用于滤波，使得到达所述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，所述光源为氙灯、汞灯或led紫外光灯。
44.其中，所述电解槽的上方开口处还设有有机玻璃片，用于对所述氧化硅腐蚀液挥发后形成的蒸汽进行阻挡，防止所述氧化硅腐蚀液挥发后形成的蒸汽腐蚀所述滤光片。
45.具体的，如图3所示，所述碳化硅单晶片剥离装置包括微波装置11、设于所述微波装置11内部的电解槽7和设于所述微波装置上且在所述电解槽7上方的光源10，所述电解槽7的上方开口处还覆盖有有机玻璃片6，所述电解槽内部容纳有刻蚀液，所述刻蚀液内部设有作为阳极的碳化硅晶锭1和作为阴极的铂网2，所述铂网2下方还设有搅拌器3，用于使所述刻蚀液保持预定流速，另外，设于所述碳化硅晶锭1下表面的导电层通过导线形成的阳极接口4连接设于所述微波装置11外部的电压输出端也就是电源正极，作为阴极的铂网2通过导线形成的阴极接口5连接设于所述微波装置11外部的电压输入端也就是电源负极。
46.所述电解槽7的左右两侧分别还设有刻蚀液出口9和刻蚀液入口8，刻蚀液通过所述刻蚀液入口8进入所述电解槽，后再通过所述刻蚀液出口9流出电解槽，所述电解槽具体为聚四氟乙烯电解槽。
47.进一步的，所述刻蚀液中还设有超声棒12，所述超声棒12用于在照射的过程中向所述碳化硅晶锭1提供正恒电位并对所述刻蚀液进行微波加热时，对所述刻蚀液提供超声振动。
48.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。