【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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”专利技术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，因此急需专利技术一种精密、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，本专利技术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
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本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，包括用以发出激光光束的激光器(1)、用以扩大激光光束直径的扩束器(3)、用以将激光器(1)发出的一束激光光束分成多束分光束的分光器(3)、用以将多束分光束分别聚焦在半导体材料(12)内部的多个聚焦系统(6)、以及计算机(14)；
2.根据权利要求1所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，所述分光器(3)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(6)设置在分光元件的反射方向。
3.根据权利要求2所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，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(4)、用以调整分光束激光能量分布的空间光调制器(5)、以及聚焦系统(6)。
5.根据权利要求1所述的高效
6.根据权利要求1或5所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，每个聚焦系统(6)的一侧均设置有用以实时检测半导体材料(12)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(8)，每个材料畸变检测装置(8)将其检测到的畸变信息分别传输给计算机(14)，计算机(14)对接收到的信息进行处理以向各Z轴位移平台(11)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(12)内部Z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置。
7.根据权利要求6所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，所述材料畸变检测装置(8)为激光测距仪或干涉仪。
8.根据权利要求6所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，所述半导体材料(12)在激光改质加工过程中产生的畸变包括半导体材料(12)发生的翘曲和半导体材料(12)表面产生的凹凸缺陷。
9.根据权利要求6所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，每个Z轴位移平台(11)上均设置有用以实时检测激光改质过程中聚焦系统(6)温度变化的温度传感器(10)，每个温度传感器(10)将其检测到的温度信号分别传输给计算机(14)，计算机(14)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(11)以使各路分光束的激光焦点在半导体材料(12)内部Z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置。
10.根据权利要求6所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，每个Z轴位移平台(11)上均设置有用以实时检测激光改质过程中半导体材料(12)表面出现的缺陷的CCD相机(9)，每个CCD相机(9)将其拍摄到的影像信息分别传输给计算机，计算机(14)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。
11.根据权利要求1或5所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，每个Z轴位移平台(11)上均设置有用以实时检测激光改质过程中聚焦系统(6)温度变化的温度传感器(10)，每个温度传感器(10)将其检测到的温度信号分别传输给计算机(14)，计算机(14)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(11)以使各路分光束的激光焦点在半导体材料(12)内部Z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置。
12.根据权利要求11所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，所述温度传感器(10)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(10)为接触式...
【技术特征摘要】
1.一种高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，包括用以发出激光光束的激光器(1)、用以扩大激光光束直径的扩束器(3)、用以将激光器(1)发出的一束激光光束分成多束分光束的分光器(3)、用以将多束分光束分别聚焦在半导体材料(12)内部的多个聚焦系统(6)、以及计算机(14)；
2.根据权利要求1所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，所述分光器(3)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(6)设置在分光元件的反射方向。
3.根据权利要求2所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，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(4)、用以调整分光束激光能量分布的空间光调制器(5)、以及聚焦系统(6)。
5.根据权利要求1所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，每个聚焦系统(6)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(12)电阻率变化情况的电阻测试系统(7)，每个电阻测试系统(7)将其检测到的电阻率分别传输给计算机(14)，计算机(14)对接收到的信息进行处理以向各z轴位移平台(11)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(12)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。
6.根据权利要求1或5所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，每个聚焦系统(6)的一侧均设置有用以实时检测半导体材料(12)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(8)，每个材料畸变检测装置(8)将其检测到的畸变信息分别传输给计算机(14)，计算机(14)对接收到的信息进行处理以向各z轴位移平台(11)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(12)内部z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置。
7.根据权利要求6所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，所述材料畸变检测装置(8)为激光测距仪或干涉仪。
8.根据权利要求6所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，所述半导体材料(12)在激光改质加工过程中产生的畸变包括半导体材料(12)发生的翘曲和半导体材料(12)表面产生的凹凸缺陷。
9.根据权利要求6所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，每个z轴位移平台(11)上均设置有用以实时检测激光改质过程中聚焦系统(6)温度变化的温度传感器(10)，每个温度传感器(10)将其检测到的温度信号分别传输给计算机(14)，计算机(14)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(11)以使各路分光束的激光焦点在半导体材料(12)内部z轴方向始终位于所需减薄剥离的高度位置。
10.根据权利要求6所述的高效减薄剥离半导体材料的加工装置，其特征在于，每个z轴位移平台(11)上均设置有用以实时检测激光改质过程中半导体材料(12)表面出现的缺陷的ccd相机(9)，每个ccd相机(9)将...
【专利技术属性】
技术研发人员：单翀，耿靖骅，焦健，蔡国栋，孙今人，胡北辰，赵晓晖，崔勇，高妍琦，季来林，饶大幸，隋展，朱翔宇，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所，
类型：发明
国别省市：
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