一种上下双超声变频协同的碳化硅晶体剥片装置及剥片方法

本发明涉及半导体精密切片，具体而言，尤其涉及一种上下双超声变频协同的碳化硅晶体剥片装置及剥片方法。

背景技术：

1、这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

2、碳化硅作为第三代半导体材料中的典型代表，具有禁带宽度大、击穿电压高、载流子迁移率高等众多优良特性，在新能源电车、航空航天、通信基建等领域具有广泛应用前景。碳化硅功率器件的主要制造工艺包括长晶、切片、外延、刻蚀、封装等。晶体切片是制造工艺中的重要工序，切片质量、切片效率和材料损失直接影响衬底片的加工成本和时间。

3、碳化硅晶体本身硬脆度高，传统金刚石线切割存在易崩边、效率低、损耗大等诸多问题，切片难度大、成本高。因此有学者提出采用激光进行切片，但限于焦距长度，使用激光直接切割很难实现大尺寸晶体的切片，于是采用激光内部改质剥片技术，首先将激光聚焦在晶体内部，利用运动控制系统将脉冲激光以合适的路径在内部预定深度扫描，连点成线，线间裂纹扩展形成改质层，此时内部改质层仍有较大的结合力，需借助外力进行剥片。

4、现有的剥片工艺主要有机械剥离、冷裂分片和超声剥片等，机械剥离局限于小尺寸晶体，且表面质量差；冷裂分片工序复杂、效率低；传统超声剥片作用时间长、效率低，且低频共振加强时易裂片、高频超声效果差等问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种上下双超声变频协同的碳化硅晶体剥片装置及剥片方法，以缩短剥片时间、降低裂片率，提高剥离的效率和良品率。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供一种上下双超声变频协同的碳化硅晶体剥片装置，包括水槽以及设置于水槽内部的高频超声振动盘和低频超声振动台，高频超声振动盘平行设置于低频超声振动台的上方，两者之间围成盛放待剥片晶体的空间，且两者之间的间距大于待剥片晶体的高度；高频超声振动盘的振动频率大于低频超声振动台的振动频率；

4、同一剥片周期内，高频超声振动盘的振动频率不变，低频超声振动台振动频率逐渐升高；

5、所述水槽用于盛放水，水槽的高度大于高频超声振动盘的下表面的高度。

6、水比空气具有更好的传声效果，且超声在水中会产生强烈的空化作用，空化作用产生气泡，气泡破裂时会对改质层裂纹产生一定的剪切力和拉力，促进裂纹扩展。

7、在一些实施例中，所述待剥片晶体为碳化硅晶体，碳化硅晶体的设定深度处被激光作用，形成内部改质层。

8、在一些实施例中，所述高频超声振动盘内设置有高频超声换能器，高频超声换能器与高频超声振动发生器连接。

9、优选的，高频超声振动盘的振动频率可调范围为0-60khz，振幅为6-10μm。

10、在一些实施例中，所述低频超声振动台内部设置有低频超声换能器，低频超声换能器与低频超声振动发生器连接。

11、优选的，所述低频超声振动台的振动频率可调范围为0-30khz，振幅为1-5μm。

12、在一些实施例中，还包括升降装置，升降装置的机械臂的末端与高频超声振动盘的中部连接。用于带动高频超声振动盘进行上下和水平两个方位的移动。

13、第二方面，本发明提供一种上下双超声协同的碳化硅晶体剥片方法，包括如下步骤：

14、采用激光在碳化硅晶体的设定深度处形成改质层，将碳化硅晶体置于低频超声振动平台上；

15、向水槽中加水至设定深度，放下高频超声振动盘，使其浸入水中，且不接触碳化硅晶体；

16、同时开启高频超声振动盘和低频超声振动平台，对碳化硅晶体进行剥片；

17、剥片过程中，高频超声振动盘的振动频率固定不变，低频超声振动平台的振动频率逐步升高。

18、在一些实施例中，剥片过程中，高频超声振动盘的振动频率为45-55khz。

19、在一些实施例中，剥片过程中，高频超声振动盘的高频超声换能器的功率线性递减，0-30s内，由100-300w递减为0w。

20、优选的，剥片过程中，高频超声振动盘的高频超声换能器的功率调节程序为：0-15s，功率由300w变为180-220w；15-25s，功率由180-220w变为80-120w；25-30s，功率由80-120w变为0w。

21、功率越高，超声在水中的空化作用越强，刚开始超声时，晶片与晶体间改质层裂纹扩展不完全，结合力较大，需使用较大的功率来产生较强的空化作用，随着超声的进行，改质层裂纹不断扩展，晶片和晶片间的结合力逐渐减少，所需的空化作用越弱，所需功率也越低。功率恒定或功率持续变大会使裂片风险增大。

22、优选的，剥片过程中，高频超声振动盘的高频超声换能器产生的振动的振幅为6-10μm。

23、优选的，剥片过程中，低频超声振动平台的振动频率调节程序为：0-20s，振动频率由18-20khz变为22-24khz；20-25s，振动频率由22-24khz变为25-27khz；25-30s，振动频率由25-27khz变为28-32khz。

24、在同一工作周期内，低频超声振动台振动频率逐渐提高，可提高剥片效率，且低频超声振动位于晶体下方，超声在晶体中存在传导过程，不易裂片。

25、进一步优选的，低频超声振动平台的低频超声换能器产生的振动的振幅为1-5μm。

26、在一些实施例中，剥片过程中，低频超声振动平台的低频超声换能器的功率递减，0-30s内，由100-300w递减为0w。

27、优选的，剥片过程中，低频超声振动平台的低频超声换能器的功率调节程序为：0-25s，功率由300w变为80-100w；25-30s，功率由80-100w变为0w。

28、上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：

29、本发明提供了一种上下双超声盘变频变功率协同的碳化硅晶体高效剥片装置及方法，考虑到传统超声剥离方法作用时间长、效率低，且低频共振加强时易裂片、高频超声效果差等问题，本发明采用上下双超声盘变频变功率协同作用，低频超声振动从晶体面由下向上传播，频率和功率按照图5所示趋势进行变化，超声初期晶体和晶片间结合力大时低频超声振动台采用低频高功率大振幅，使改质层裂纹快速扩展延伸，随着结合力逐渐减少，低频超声振动台频率逐渐提高、功率逐渐降低，防止裂片并提高剥片效率，且在晶体中存在传导过程，不易裂片；高频振动更缓和，可由升降装置的机械臂控制进行上下和水平两个方位的移动，防止在某一位置长时间超声而裂片，频率和功率按照图4所示趋势进行变化，从晶片面由上向下传播，辅助剥离，改质层裂纹快速扩展延伸，降低晶片与晶体间的结合力，大大降低了加工时间，效能大幅提高，稳定性好、成本低，且剥离的晶片表面质量高、面型好，提供了一种简便快捷的有效剥离方式。

1.一种上下双超声协同的碳化硅晶体剥片装置，其特征在于：包括水槽以及设置于水槽内部的高频超声振动盘和低频超声振动台，高频超声振动盘平行设置于低频超声振动台的上方，两者之间围成盛放待剥片晶体的空间，且两者之间的间距大于待剥片晶体的高度；高频超声振动盘的振动频率大于低频超声振动台的振动频率；

2.根据权利要求1所述的上下双超声协同的碳化硅晶体剥片装置，其特征在于：所述待剥片晶体为碳化硅晶体，碳化硅晶体的设定深度处被激光作用，形成内部改质层。

3.根据权利要求1所述的上下双超声协同的碳化硅晶体剥片装置，其特征在于：所述高频超声振动盘内设置有高频超声换能器，高频超声换能器与高频超声振动发生器连接；

4.根据权利要求1所述的上下双超声协同的碳化硅晶体剥片装置，其特征在于：所述低频超声振动台内部设置有低频超声换能器，低频超声换能器与低频超声振动发生器连接；

5.根据权利要求1所述的上下双超声协同的碳化硅晶体剥片装置，其特征在于：还包括升降装置，升降装置的机械臂的末端与高频超声振动盘的中部连接。

6.一种上下双超声协同的碳化硅晶体剥片方法，其特征在于：包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的上下双超声协同的碳化硅晶体剥片方法，其特征在于：剥片过程中，高频超声振动盘的振动频率为45-55khz；

8.根据权利要求7所述的上下双超声协同的碳化硅晶体剥片方法，其特征在于：剥片过程中，低频超声振动平台的振动频率调节程序为：0-20s，振动频率由18-20khz变为22-24khz；20-25s，振动频率由22-24khz变为25-27khz；25-30s，振动频率由25-27khz变为28-32khz。

9.根据权利要求8所述的上下双超声协同的碳化硅晶体剥片方法，其特征在于：低频超声振动平台的低频超声换能器产生的振动的振幅为1-5μm。

10.根据权利要求8所述的上下双超声协同的碳化硅晶体剥片方法，其特征在于：剥片过程中，低频超声振动平台的低频超声换能器的功率递减，0-30s内，由100-300w递减为0w；