一種脆性半導體材料的脆性裂片系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及激光加工技術領域，具體涉及一種脆性半導體材料的脆性裂片系統。
【背景技術】
[0002]脆性斷裂與韌性斷裂的區別主要是從宏觀特征來劃分的，判定依據就是“斷裂前有沒有發生明顯的塑性變形”。脆性斷裂在斷裂前幾乎不產生塑性變形，一般規定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5 %時屬于脆性斷裂，斷口平整光亮，有金屬光澤，且與正應力垂直。韌性斷裂在斷裂前發生顯著的塑性變形，伴隨塑性變形及能量吸收，工件外形呈頸縮、彎曲及斷面收縮。
[0003]脆性半導體材料，以硅晶圓切割為例，主流切割技術還是采用金剛石刀片切割，這種切割方式存在切割縫寬較寬，切割效率低下，耗材成本較高等缺點，因此激光切割晶圓應該成為主流技術，但是由于激光切割硅晶圓時會留下激光切割紋理或者說是激光切割痕跡，這些痕跡下面其實暗藏了大量微裂紋與應力集中，還具有一定的的粗糙度，隨著時間的推移，這些裂紋逐漸擴展到芯片的電路中間，造成芯片報廢。工程上采用三點測試或者四點測試方法，測量脆性材料被激光切割后，切割后的脆性材料的抗彎強度是否下降以及降低多少，一般的激光切割方法，由于切割紋理造成眾多微裂紋的存在，導致激光切割后的脆性半導體材料抗彎強度急劇降低，影響了脆性半導體材料的后續使用。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種脆性半導體材料的脆性裂片系統，能夠獲得高質量的斷裂切口，保持脆性半導體材料原有的抗彎強度，消滅應力集中微裂紋，實現脆性半導體材料高速高質量裂片。
[0005]本實用新型解決上述技術問題的技術方案如下：
[0006]本實用新型提供了一種脆性半導體材料的脆性裂片系統，包括加熱模塊和冷卻模塊；
[0007]所述加熱模塊采用加熱激光束對脆性半導體材料的待裂片部位內部快速加熱，以使脆性半導體材料的待裂片部位內部膨脹形成壓應力；同時所述冷卻模塊對脆性半導體材料的待裂片部位表面進行快速冷卻，以使脆性半導體材料的待裂片部位表面收縮形成拉應力，從而使得脆性半導體材料發生脆性斷裂，形成光滑切口；其中，所述脆性半導體材料對所述加熱激光束光學透明或者部分光學透明，以使所述加熱激光束能夠進入所述脆性半導體材料內部，使得所述脆性半導體材料的待裂片部位內部能夠吸收激光能量從而形成溫升，同時，所述脆性半導體材料的待裂片部位內部被加熱溫度低于該脆性半導體材料塑性形變溫度。
[0008]所述脆性半導體材料對加熱激光束的吸收，可以是脆性半導體材料本身對一定波長激光是部分透明部分吸收，也可以是脆性半導體材料本身對一定波長激光是透明的，但是由于加熱激光束聚焦后激光焦點功率密度較高，使得原本脆性半導體材料對該波長激光透明轉為吸收。
[0009]本實用新型的有益效果為:采用加熱模塊對脆性半導體材料的待裂片部位的內部進行快速加熱，以使脆性半導體材料的待裂片部位內部膨脹形成壓應力，同時采用冷卻模塊對脆性半導體材料的待裂片部位表面進行快速冷卻，以使脆性半導體材料的待裂片部位表面收縮形成拉應力，從而使得脆性半導體材料發生脆性斷裂，形成光滑切口，能夠完美地對脆性半導體材料裂片加工，相對于傳統的脆性半導體材料的加工方式，能夠獲得極高的切口質量，維持脆性半導體材料的抗彎強度，消除了傳統激光切割造成的微裂紋與應力集中，提高脆性半導體材料的裂片效率。
[0010]在上述技術方案的基礎上，還可以作如下改進。
[0011 ]進一步的，所述冷卻模塊采用冷卻流體束或者低溫裝載臺對脆性半導體材料的待裂片部位表面進行快速冷卻。
[0012]進一步的，所述冷卻流體束為液態低溫惰性氣體、氣態低溫惰性氣體、低溫空氣、液態二氧化碳、低溫二氧化碳氣體、液氮、低溫氮氣中的一種或者多種組合。
[0013]進一步的，還包括光束整形元件以及激光聚焦模塊；
[0014]所述光束整形元件對由激光器發射的激光束進行光束整形，所述激光聚焦模塊對整形后的激光束進行聚焦，形成加熱激光束，其中，所述加熱激光束的聚焦焦點為平頂聚焦光斑。
[0015]所述進一步的有益效果為：采用平頂聚焦光斑有利于脆性半導體材料的均勻加熱，且平頂聚焦光斑較深較短，避免了脆性半導體材料表面的過度加熱。
[0016]進一步的，所述激光聚焦模塊包括激光聚焦鏡片模組和位于其下方的冷卻流體束腔，且所述冷卻流體束腔還設置有冷卻流體束入口和冷卻流體束出口。
[0017]進一步的，還包括清洗模塊，其中，清洗模塊采用清洗激光束或者機械研磨裝置去除所述脆性半導體材料表面阻擋所述加熱激光束進入脆性半導體材料的待裂片部位內部的隔離材料，所述隔離材料包括金屬或非金屬材料。
[0018]所述進一步的有益效果為：去除脆性半導體材料表面的隔離材料，有利于加熱激光束進入脆性半導體材料內部進行快速加熱。
[0019]進一步的，所述清洗激光束與所述加熱激光束來自同一激光光源的不同出光模式或者來自不同的激光光源；
[0020]當所述清洗激光束與所述加熱激光束來自同一激光光源的不同出光模式時，所述加熱激光束為連續激光或者低峰值功率脈沖激光束，所述清洗激光束為脈沖激光束；
[0021 ]當所述清洗激光束與加熱激光束來自不同的激光光源時，所述加熱激光束為連續激光或者低峰值功率脈沖激光束，所述清洗激光束為超短脈沖激光束。
【附圖說明】
[0022]圖Ι-a為本實用新型實施例I中加熱激光束與冷卻流體束位于同一面且同軸示意圖；
[0023]圖1-b為實施例I中加熱激光束與冷卻流體束位于同一面不同軸示意圖；
[0024]圖2-a為實施例I中加熱激光束與冷卻流體束位于不同面同軸示意圖；
[0025]圖2-b為實施例I中加熱激光束與冷卻流體束位于不同面且不同軸示意圖；
[0026]圖3-a為實施例I中另一種加熱激光束與冷卻流體束同軸示意圖；
[0027]圖3-b為實施例I中另一種加熱激光束與冷卻流體束不同軸示意圖。
[0028]附圖中，各部件的標號如下所示：
[0029]I、冷卻流體束，2、加熱激光束，3、脆性半導體材料，31、待裂片部位表面，32、待裂片部位內部，4、激光器，5、第一激光束，6、光學整形兀件，7、第二激光束，8、激光聚焦模塊，81、激光聚焦鏡片模組，82、冷卻流體束腔，83、冷卻流體束入口。
【具體實施方式】
[0030]以下結合附圖對本實用新型的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本實用新型，并非用于限定本實用新型的范圍。
[0031]實施例1、一種脆性半導體材料的脆性裂片系統。以下結合圖Ι-a至圖3-b對本實施例提供的系統進行描述。
[0032]參見圖Ι-a以及圖3-a所示，本實施例提供的脆性半導體材料的脆性裂片系統包括加熱模塊和冷卻模塊，其中，所述加熱模塊采用加熱激光束2對脆性半導體材料3的待裂片部位內部32快速加熱，以使脆性半導體材料的待裂片部位內部3膨脹形成壓應力；同時所述冷卻模塊對脆性半導體材料3的待裂片部位表面31進行快速冷卻，以使脆性半導體材料3的待裂片部位表面31收縮形成拉應力，從而使得脆性半導體材料3發生脆性斷裂，形成光滑切口。其中，所述脆性半導體材料3對所述加熱激光束2光學透明或者部分光學透明，以使所述加熱激光束2能夠進入所述脆性半導體材料3內部，使得所述脆性半導體材料3的待裂片部位內部32能夠吸收激光能量從而形成溫升，同時，所述脆性半導體材料的待裂片部位內部32被加熱溫度低于該脆性半導體材料塑性形變溫度，以保證脆性半導體材料的待裂片部位的內部快速加熱后發生彈性形變，但不發生塑性形變。
[0033]在本實施例中，脆性半導體材料3為硅晶圓，實際上脆性半導體材料3包括但不限于砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、碲化鎘(CdTe)、砸化鋅(ZnSe)、藍寶石材料、部分陶瓷材料等。脆性半導體材料3對加熱激光束2部分透明，使得脆性半導體材料3的待裂片部位內部32能夠吸收激光能量從而形成升溫，其中，升溫范圍限制于脆性半導體材料的彈性形變范圍內，同時加熱激光束也不允許破壞脆性半導體材料(指塑性形變或者內部爆炸）。加熱激光束2可以采用1.5微米到5微米波長中紅外波段的光纖激光，在本實施例中，所述加熱激光束2為連續激光，波長為1940納米，激光功率200瓦，光束質量因子小于I. I。
[0034]冷卻模塊采用冷卻流體束I或者低溫裝載臺對脆性半導體材料的待裂片部位的表面進行快速冷卻，當采用冷卻流體束I時，冷卻流體束I可以為液態、氣態低溫惰性氣體、低溫空氣、液態二氧化碳、低溫二氧化碳氣體、液氮、低溫氮氣、液態氫、低溫氫氣中的一種或者多種組合。當使用低溫裝載臺對脆性半導體材料的表面進行快速冷卻時，將脆性半導體材料放置于低溫裝載臺上，以使低溫裝載臺對脆性半導體材料3的接觸面進行快速卻。本實施例采用了低溫氮氣對脆性半導體材料進行冷卻，氣體流速為5升/分鐘，上述的低溫是指低于5°C。
[0035]參見圖Ι-a和圖2-a或者參見圖1-b和圖2-b所示，加熱激光束2與冷卻流體束I可以位于脆性半導體材料的同一面，也可以位于脆性半導體材料的不同面，加熱激光束2與冷卻流體束I可以位于脆性半導體材料的同一面，這樣采用激光切割頭比較方便，激光切割頭帶有可調整聚焦鏡，激光切割頭的側面有一個進氣口，用于輸入高壓冷卻流體，這樣加熱激光束2和冷卻流體束I可以實現同軸。加熱激光束與冷卻流體束也可以位于脆性半導體材料的兩面，這樣做的好處是，當部分加熱激光被脆性半導體材料吸收之后，加熱激光在脆性半導體材料的出射表面的激光能量較小，冷卻流體束對脆性半導體材料待裂片