一种晶圆分离的设备以及方法与流程

1.本发明涉及半导体中晶碇分离技术领域，特别涉及一种晶圆分离的设备以及方法。


背景技术：

2.晶圆(wafer)是半导体器件的基础性原材料。极高纯度的半导体经过拉晶、切片等工序制备成为晶圆，晶圆经过一系列半导体制造工艺形成微小的电路结构，再经过切割、封装、测试成为芯片，广泛应用到各类电子设备当中。形成晶碇后需要进行切片加工，其目的在于将晶碇切成一定厚度的薄晶圆。
3.晶圆尺寸与工艺制程并行发展，每一制程阶段与晶圆尺寸相对应。晶碇的直径是由籽晶拉出的速度和旋转速度决定的，一般来说，上拉速率越慢，生长的晶碇直径越大。而切出的晶圆片的厚度与直径有关，虽然半导体器件的制备只在晶圆的顶部几微米的范围内完成，但是晶圆具有一定厚度才能保证足够的机械应力支撑，因此晶圆的厚度会随直径的增长而增长，例如：直径51毫米的晶圆，厚度275微米；直径150毫米(5.9英寸，通常称为“6英寸”)的晶圆，厚度675微米；直径200毫米(7.9英寸，通常称为“8英寸”)的晶圆，厚度725微米；直径300毫米(11.8英寸，通常称为“12英寸”)的晶圆，厚度775微米。由此可见，即使晶圆的厚度会随直径的增长而增长，但晶片最大厚度仍然是小于1毫米的微小尺寸。
4.线切割是设备使用特殊材质(如金刚石)的切割线去切割碳化硅，切割过程中需要同时使用到浆料，如乳化液等以起到润滑、降温等作用。由于碳化硅硬度远大于硅片硬度，所以常规的线切割工艺可以用来切割硅基材料，但是同样的线切割工艺用来切割碳化硅时损耗就相当大，因此近期开始采用激光改质切割的方式进行晶碇切割。
5.激光改质切割是使用特定波长的激光束通过透镜聚焦在晶碇内部的预定位置，激光照射部分的周边形成密集的龟裂，裂纹互相连接形成整面的改质层，再通过施加外力或冲击力将龟裂点周边裂纹进一步成长，从而形成断层。
6.传统的晶圆切割和激光改质切割相比较，后者的切割过程是完全干燥的加工过程，采用非接触式切割，切割设备的使用寿命更长，可以缩小切割宽度从而减小材料浪费，也不产生过量的热影响晶碇的稳定性或者对晶碇产生热损伤。
7.假设激光改质切割对改质层进行完整面的照射，但是激光在改质层照射过密时产生大量的热，容易对于晶碇的内部结构产生影响；并且这种情况下的光路设计复杂、实际制造效率低，因此现有技术中的激光改质切割在改质层对晶碇进行照射，形成不连续的密集的龟裂点，再通过施加外力或冲击力将龟裂点周边裂纹进一步成长，从而形成断层。
8.如申请号为201610080313.1的中国发明专利(以下称“13.1发明”)，其公开了一种晶圆的生成方法，具体公开了在该晶圆剥离步骤中，将六方晶单晶碇浸渍在水中并且赋予超音波而将板状物从六方晶单晶碇剥离从而生成六方晶单晶晶圆。根据13.1发明中说明书第0071段至第0073段，以及说明书附图9可以知道，晶碇、支撑工作台、超声波装置均是泡在水槽中。因此在改质层的龟裂(点)成长的工艺流程与其他加工流程进行衔接时，其一方式
为水槽中的纯水将反复等待纯水被注入、被放出，导致降低了生产效率。另外设备需要被浸泡在水中进行工作，影响设备的工作性能；另一可能的实施方式是晶碇反复地从水槽中上升或者下降，每次进行整体设备的升降均需要进行垂直方向上的定位，也会降低生产效率。
9.申请号为202110480247.8的中国发明专利申请(以下称“47.8申请”)公开了一种晶圆的生成方法，根据说明书以及说明书附图4、附图5，可以知道47.8申请中是直接以喷嘴将传播了超声波振动的超声波水喷射在待分离晶圆的上表面，并且主要喷射部位是待分离晶圆的中心区域，可能容易出现待分离晶圆边缘区域的龟裂点周边裂纹延展不充分的情况，不利于后续将待分离晶圆从晶碇上剥离。除此之外，因为水被喷射时带有一定的速度，在与待分离晶圆的表面发生碰撞之后，随即从待分离晶圆的边缘流下，并不会保持在晶碇表面。
10.综上所述，现有技术分别或者同时存在生产效率不高、需要反复注水及排水步骤、对晶碇各区域中改质层的龟裂点施加的冲击力不一致从而在部分区域中的龟裂点周边裂纹延展不充分等缺点。
11.因此，在半导体中晶碇分离技术领域，亟需一种大幅减轻水对设备及制程影响、大幅减少材料损耗、缩短处理时间、对改质层产生均匀作用力的晶圆分离的设备以及方法。


技术实现要素：

12.有鉴于此，本发明在于提供一种减轻水对设备影响、大幅减少材料损耗、缩短处理时间、对改质层产生均匀作用力的晶圆分离的设备以及方法。
13.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
14.第一方面，提供一种晶圆分离的设备，包括用于固定晶碇的平台；
15.所述设备工作时，所述晶碇的上方为振动板，并且所述晶碇与所述振动板之间具有一层水膜；所述振动板上设置至少一个超声波发生器，所述超声波发生器产生的振动经所述振动板传递到水膜。
16.本发明中，当所述超声波发生器发出超声波振动，所述振动板将超声波振动传递到所述水膜中，水膜的振动使待分离的晶圆发生位移，而且所述晶碇被所述平台所固定，待分离晶圆与晶碇发生相对位移，由于改质层中已经存在密集的龟裂点，上层待分离的晶圆被水的振动所带动发生位移并且龟裂点周边裂纹进一步延展，上层待分离的晶圆与晶碇的连接变弱。
17.在可能的实施方式中，所述晶碇和所述振动板在垂直方向上的投影重叠。
18.在可能的实施方式中，所述振动板在垂直方向上的投影包围所述晶碇在垂直方向上的投影。
19.在可能的实施方式中，所述超声波发生器安置于所述振动板。
20.在可能的实施方式中，所述振动板的内部设置注水口，所述水膜从振动板的上方注入到所述振动板与所述晶碇之间。
21.在可能的实施方式中，所述超声波发生器为多个时，所述超声波发生器于所述振动板上均匀分布。
22.在可能的实施方式中，所述振动板与所述晶碇的相对位置可以调节。
23.在可能的实施方式中，所述设备还包括机械手臂，所述机械手臂用于将待分离晶
圆从晶碇上取下。
24.第二方面，本发明提供一种晶圆分离的方法，包括：将经过激光照射的晶碇放置到平台上；振动板、超声波发生器移动至预定位置并保持位置；向振动板与晶碇之间的间隙持续注水并形成水膜；超声波发生器产生超声波振动，并经所述振动板传递到水膜和晶碇，使得改质层的龟裂点周边裂纹进一步成长；所述超声波发生器停止产生超声波振动，停止注水，所述振动板复位；机械手臂将与晶碇结合变弱的晶圆取下并移至下个单元。
25.本发明的设备工作时，所述振动板与晶碇表面之间存在微小的间隙，并且向该间隙中持续注水形成水膜，无需将设备浸泡在水中进行工作，可以减轻水对设备及制程影响。本发明中形成水膜的间隙很小，不需要等待长时间的注水，可以大幅缩短分离工序所需的时间。本发明中水膜完全覆盖晶碇表面，当水膜可以将超声波振动均匀地传递到晶碇的各区域上，中心区域与边缘区域所受到的超声波振动是基本一致的，使各区域上龟裂点周边裂纹进一步成长，达到分离条件，便于后续将待分离晶圆完全从晶碇上取下。
附图说明
26.图1为激光照射晶碇的示意图；
27.图2为激光持续照射晶碇后，晶碇上相邻激光照射区域间形成裂纹的示意图；
28.图3为施加外力使晶碇的龟裂点周边裂纹进一步成长的示意图；
29.图4为本发明的晶圆分离设备的结构示意图；
30.图5为本发明的晶圆分离方法的流程图。
31.主要元件符号说明
32.晶碇10改质层101龟裂点102激光20设备30平台301振动板302水膜303超声波发生器304注水口305
具体实施方式
33.为了使发明的目的、原理、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，正如本发明内容部分所述，此处所描述的具体实施例用以解释本发明，并不用于限定本发明。
34.需要特别说明的是，在本发明创造的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，根据说明书的文字或者技术内容可以确定的连接或位置关系，为了图画的简洁进行了部分的省略或者没有画出全部的位置变化图，本说明
书未明确说明省略的或者没有画出的位置变化图，不能认为没有说明，为了阐述的简洁，在具体阐述时不再一一进行说明，在此统一说明。
35.如图1所示为激光20照射晶碇10的示意图，激光改质切割是使用特定波长的激光束通过透镜聚焦在晶碇10内部的预定位置，从而形成龟裂点102，密集龟裂点102的周边裂纹相互连接形成整面的改质层101。如图2所示为激光20持续照射晶碇10后，晶碇10上相邻激光20照射区域间形成裂纹的示意图，图中相邻的激光照射区域间，特别是由于材料的表面粗糙度、材料性质等原因，可能没有形成达到分离条件的裂纹。这种情况下，如果没有采取合适的分离工艺，容易造成晶圆的损伤，也会极大地增加材料的损耗。
36.如图3所示为施加外力使晶碇10的龟裂点102周边裂纹进一步成长的示意图，在晶碇10的预定位置形成图2所示的改质层101，再通过施加外力或冲击力使改质层101上龟裂点102周边裂纹进一步成长，从而形成断层。目前的激光改质切割是对晶碇10进行预定厚度上的整个横截面(切面)进行持续照射形成可以达到分离条件的裂纹，即使没有形成足够达到分离条件的裂纹，本发明同样适用于使晶碇10上已经形成的周边裂纹进一步地成长并达到分离条件，便于从晶碇10上取下晶圆。
37.随着生产工艺的发展，目标晶圆的厚度已经非常微小，常规的分离方法难以实现无损伤地分离出一片晶圆，极容易导致晶圆折弯或者划伤晶圆。因此现有技术中通常将激光照射后的晶碇与设备浸泡在水槽中，以超声波发生器304使水槽中的水发生超声波振动，使得晶碇中的密集龟裂点102周边裂纹受到超声波振动的影响进一步成长，达到分离条件。
38.超声波是指频率超过人耳听觉范围上限(20000hz)的声波。超声波在不同的介质中传播的速度不同，介质密度越高，传播速度越快。在固体中大于液体，液体中大于气体。超声波在介质内传播时，会随着传播距离的增加而减弱，这种现象称为超声衰减。引起超声衰减的原因是：(1)超声束的扩散以及在不同声阻抗界面上发生的反射、折射及散射等，使主声束方向上的声能减弱。(2)超声在传播介质中，由于介质的粘滞性(内摩擦力)、导热系数和温度等的影响，使部分声能被吸收，从而使声能降低。
39.如图4所示为本发明的晶圆分离设备30的结构示意图，第一方面，本发明提供一种晶圆分离的设备30，包括：用于固定晶碇的平台301；所述设备30工作时，所述晶碇的上方为振动板302，并且所述晶碇与所述振动板302之间具有一层水膜303；所述振动板302上设置至少一个超声波发生器304，所述超声波发生器304产生的振动经所述振动板302传递到水膜303。
40.本发明的工作原理是，当所述超声波发生器304发出超声波振动，由于超声波在固体介质上的传播速度更快、衰减程度更小，所述振动板302可以最大程度将超声波振动传递到所述水膜303中。水膜303的振动使待分离的晶圆发生位移，而且所述晶碇被所述平台301所固定，待分离晶圆与晶碇发生相对位移，由于改质层101中已经存在密集的龟裂点102，上层待分离的晶圆被水的振动所带动发生位移，以龟裂点102为中心裂纹进一步延展，待分离的晶圆与晶碇的连接变弱。
41.在具体的实施方式中，所述振动板302与所述晶碇10的相对位置可以调节，晶碇10被放置在所述平台301上固定之后，本发明设备30开始进行分离晶圆的操作，所述振动板302下降至与晶碇10极为接近的位置，比如，此时所述振动板302的下表面与所述晶碇10的距离为1毫米至2毫米。当所述振动板302与所述晶碇10的间隙很微小时，由于水的表面张
力，注入所述振动板302与所述晶碇10的间隙中的水不会流走，而是被保持在所述振动板302与所述晶碇10的间隙中，形成一层水膜303，水膜303受到所述振动板302传递的超声波振动也产生超声波振动。除此之外，由于水膜303很薄，超声波在其中的衰减幅度可以忽略不计，所述超声波振动可以最大程度地作用于改质层101中的龟裂点102，减小能量的损耗。
42.在具体的实施方式中，所述振动板302的内部设置注水口305，水从振动板302的上方注入到所述振动板302与所述晶碇10之间，具体而言，水膜303的体积根据间隙的距离和晶碇10表面积计算所得。本发明由于间隙很小，向该间隙注水的过程仍然比现有技术(如13.1发明)的注水过程更加简便、迅速。
43.13.1发明中的晶碇、支撑工作台、超声波装置均是泡在水槽中，在改质层的龟裂(点)成长的工艺流程与其他加工流程进行衔接，其一方式为水槽中的纯水将反复等待纯水被注入、被放出；13.1发明中剥离晶圆后，还需要另外对晶碇进行干燥工序，避免影响激光照射。另外设备需要被浸泡在水中进行工作，容易影响设备的工作性能。改质层的龟裂(点)成长的工艺流程与其他加工流程进行衔接的另一方式是晶碇反复地从水槽中上升或者下降因此每次进行晶碇以及其他必要部件的升降均需要进行位置校准，这些步骤将降低生产效率以及可能导致误差。本发明中所注入的水量是极少的，主要集中在分离晶圆表面上，减轻水对于设备的影响。
44.在另外的实施方式中，为了将超声波振动传递到待分离晶圆的整个表面，所述晶碇10和所述振动板302在垂直方向上的投影重叠，或者所述振动板302在垂直方向上的投影包围所述晶碇10在垂直方向上的投影，如此设置，所述晶碇10中的密集龟裂点102均可以受到超声波振动的影响发生延伸，中心区域与边缘区域所受到的超声波振动是基本一致的，确保各区域上相邻龟裂点102生长形成的裂纹可以完全连结，便于后续将待分离晶圆完全从晶碇10上剥离，分离的过程更加高效。
45.相对地，如申请号为202110480247.8的中国发明专利申请(以下称“47.8申请”)公开了一种晶圆的生成方法，并公开了晶圆生成工序，在实施了该剥离层形成工序之后，从超声波水喷射喷嘴朝向分离晶圆所在侧的端面喷射传播了超声波振动的超声波水，并且使该单晶sic锭与该超声波水喷射喷嘴沿着与该端面平行的方向相对地移动，从而以该剥离层为界面而将晶圆剥离，由此生成晶圆。根据说明书以及说明书附图4、5，可以知道47.8申请中是直接以喷嘴将传播了超声波振动的超声波水喷射在待分离晶圆的上表面，并且主要喷射部位是待分离晶圆的中心区域，中心区域与边缘区域所受到的超声波振动不一致，可能容易出现待分离晶圆边缘区域的龟裂点延展的裂纹较短的情况，不利于后续将待分离晶圆从晶碇上剥离，如果施加的力过大，而待分离晶圆与晶碇的连接仍然较强，容易发生龟裂点周边裂纹延展不充分导致无法分离，或发生晶圆断裂等情况。除此之外，被喷射的传播了超声波振动的水并不会在所述晶碇的表面形成水膜，这是因为水被喷射后带有一定的速度，在与待分离晶圆的表面发生碰撞之后，没有如本发明中振动板302与待分离晶圆表面形成的微小间隙，水将直接从边缘流下。
46.综上所述，47.8申请与本发明的技术方案并不相同，首先，47.8申请中并没有形成如本发明中所述振动板302与待分离晶圆的间隙中的水膜，对本发明并没有技术启示；其次，传递超声波振动的圆环状板设置于喷嘴中，也无法与晶碇表面形成微小间隙；另外，所述喷嘴的喷射区域主要集中于待分离晶圆的中心区域，而从边缘区域流过的水是与中心区
域的晶碇发生碰撞之后的，边缘区域上的水传递的超声波振动可能已经很小，因此47.8申请与本发明中利用传播超声波振动的水对待分离晶圆进行分离的方式均不相同。
47.如前所述，相邻激光照射区域间可能存在未形成达到分离条件的裂纹的区域，该区域的存在不利于剥离出待分离晶圆。另外的情况中，为了消除该区域对于分离晶圆的影响，在激光照射的工序中就增加对该区域的照射，具体的方式需要根据工艺、成本、生产效率等因素进行考量。或者以本发明的设备30使该区域中也形成达到分离条件的裂纹，再以机械手臂将待分离晶圆从晶碇上取下。除此之外，所述机械手臂还可将所述晶圆移动到下一工序的设备中，起到衔接前后工序的作用。
48.在另外的实施方式中，所述超声波发生器304安置于所述振动板302，所述“安置于”包括内置、埋入、紧贴等情况，附图中仅是其中一种情况的示意图。已知超声波在介质中传播时可能发生一定程度的衰减，优选地，所述超声波发生器304至少部分置于所述振动板302中，以便超声波发生器304产生的振动可以最大程度地传递到所述振动板302上，最大化利用产生的超声波振动；应当注意，所述振动板302被调整到与晶碇10表面相距预定距离时，所述超声波发生器304安置于所述振动板302，所述超声波发生器304跟随所述振动板302发生移动。所述超声波发生器304为多个时，所述超声波发生器304于所述振动板302上均匀分布，多个所述超声波发生器304产生的超声波振动也均匀地传递到振动板302、水膜303中，从而使待分离晶圆中各区域上改质层的龟裂点周边裂纹充分延展，相邻龟裂点生长形成的裂纹可以完全连结，减弱待分离晶圆与晶碇10的连接，有利于后续机械手臂更容易将待分离晶圆从晶碇10上取下。除此之外，多个超声波发生器304所共同产生的超声波振动也更强，可以提高分离晶圆的效率。
49.第二方面，如图5所示为本发明的晶圆分离的方法的流程图，本发明提供的晶圆分离的方法包括：401，将经过激光照射的晶碇放置到平台上；402，振动板、超声波发生器移动至预定位置并保持位置；403，向振动板与晶碇之间的间隙持续注水并形成水膜；404，超声波发生器产生超声波振动，并经所述振动板传递到水膜和晶碇，使得改质层的龟裂点周边裂纹进一步成长；405，所述超声波发生器停止产生超声波振动，停止注水，所述振动板复位；406，机械手臂将与晶碇结合变弱的晶圆取下并移至下个单元。
50.本发明提供的晶圆分离的方法中，当所述超声波发生器发出超声波振动，所述振动板将超声波振动传递到所述水膜中，水膜的振动使待分离的晶圆发生位移，而且所述晶碇被所述平台所固定，待分离晶圆与晶碇发生相对位移，由于晶碇在经过照射后形成了改质层以及密集的龟裂点，因此上层待分离的晶圆被水中的超声波振动带动从而发生位移，使得龟裂点周边裂纹进一步成长，实现晶圆分离。
51.应当理解，本发明中所述振动板302、所述超声波发生器304在设备30进行分离工作前已经组装为一体，所述超声波发生器304、所述振动板302是共同移动的。当然，各部件可以各自分离，方便进行设备30维护或者更换部件。
52.综上所述，本发明提供的晶圆分离设备30以及方法，具体通过水膜均匀传递超声波振动到晶碇10各个区域，可以实现无损或者轻损伤地分离晶圆，解决了现有技术中分别或者同时存在因需要反复注水或持续喷射水、水传播超声波振动仅作用与部分区域，所导致设备的工作效率不高、需要增设对于晶碇10的干燥工序、难以分离出晶圆等问题，因此本发明提供的晶圆分离设备30以及方法可以减轻水对设备30影响、缩短处理时间、大幅减少
材料的损耗、对改质层101产生均匀作用力。
53.值得注意的是，上述实施例中，所包括的各个模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
54.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。