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      碳化硅的激光切割技術介紹
      材料來源:高能束加工技術及應用           錄入時間:2024/2/18 23:15:58

      01 導讀

      晶片切割是半導體器件制造中的重要一環,切割方式和切割質量直接影響到晶片的厚度、粗糙度、尺寸及生產成本,更會對器件制造產生影響巨大。碳化硅作為第三代半導體材料,是促進電氣革命的重要材料。高質量的結晶碳化硅的生產成本非常高,人們往往希望將一個大的碳化硅晶錠切成盡可能多的薄碳化硅晶片襯底,同時工業的發展使晶片尺寸不斷增大,這些都讓人們對切割工藝的要求越來越高。但是碳化硅材料的硬度極高,莫氏硬度為9.5級,僅次于世界上最硬的金剛石(10級),同時又兼具晶體的脆性,不易切割。目前工業上一般采用砂漿線切割或金剛石線鋸切割,切割時在碳化硅晶錠的周圍等間距的固定線鋸,通過拉伸線鋸,切割出碳化硅晶片。利用線鋸法從直徑為6英寸的晶錠上分離晶片大概需要100小時,切出來的晶片不僅切口比較大,表面粗糙度也較大,材料損失更是高達46%。這增加了使用碳化硅材料的成本,限制了碳化硅材料在半導體行業的發展,可見對碳化硅晶片切割新技術的研究迫在眉睫。

      近年來,激光切割技術的使用在半導體材料的生產加工中越來越受歡迎。這種方法的原理是使用聚焦的激光束從材料表面或內部修飾基材,從而將其分離。由于這是一種非接觸式工藝,避免了刀具磨損和機械應力的影響。因此,它極大提高了晶圓表面的粗糙度和精度,還消除了對后續拋光工藝的需要,減少了材料損失,降低了成本,并減少了傳統研磨和拋光工藝造成的環境污染。激光切割技術早已經應用于硅晶錠的切割,但在碳化硅領域的應用還未成熟,目前主要有以下幾項技術。

      02 水導激光切割

      水導激光技術(Laser MicroJet, LMJ)又稱激光微射流技術,它的原理是在激光通過一個壓力調制的水腔時,將激光束聚焦在一個噴嘴上;從噴嘴中噴出低壓水柱,在水與空氣的界面處由于折射率的原因可以形成光波導,使得激光沿水流方向傳播,從而通過高壓水射流引導加工材料表面進行切割。水導激光的主要優勢在于切割質量,水流不僅能冷卻切割區,降低材料熱變形和熱損傷程度,還能帶走加工碎屑。相較線鋸切割,它的速度明顯加快。但由于水對不同波長的激光吸收程度不同,激光波長受限,主要為1064nm、532nm、355nm三種。

      1993年,瑞士科學家Beruold Richerzhagen首先提出了該技術,他創始的Synova公司專門從事水導激光的研發和產業化,在國際上處于技術領先地位,國內技術相對落后,英諾激光、晟光硅研等企業正在積極研發。

      圖1. 水導激光切割技術

      03 隱形切割

      隱形切割(Stealth Dicing, SD)即將激光透過碳化硅的表面聚焦晶片內部,在所需深度形成改性層,從而實現剝離晶圓。由于晶圓表面沒有切口,因此可以實現較高的加工精度。帶有納秒脈沖激光器的SD工藝已在工業中用于分離硅晶圓。然而,在納秒脈沖激光誘導的SD加工碳化硅過程中,由于脈沖持續時間遠長于碳化硅中電子和聲子之間的耦合時間(皮秒量級),將會產生熱效應。晶圓的高熱量輸入不僅使分離容易偏離所需方向,而且會產生較大的殘余應力,導致斷裂和不良的解理。因此,在加工碳化硅時一般采用超短脈沖激光的SD工藝,熱效應大大降低。

      圖2. 激光隱形切割

      日本DISCO公司研發出了一種稱為關鍵無定形黑色重復吸收(key amorphous-black repetitive absorption, KABRA)的激光切割技術,以加工直徑6英寸、厚度20 mm的碳化硅晶錠為例,將碳化硅晶圓的生產率提高了四倍。KABRA工藝本質是上將激光聚焦在碳化硅材料的內部,通過 “無定形黑色重復吸收”,將碳化硅分解成無定形硅和無定形碳,并形成作為晶圓分離基點的一層,即黑色無定形層,吸收更多的光,從而能夠很容易地分離晶圓。

      圖3. KABRA晶圓分離

      被英飛凌收購的Siltectra公司研發的冷切割(Cold Split)晶圓技術,不僅能將各類晶錠分割成晶圓,而且每片晶圓損失低至80μm,使材料損失減少了90%,最終器件總生產成本降低多達30%。冷切割技術分為兩個環節:先用激光照射晶錠形成剝落層,使碳化硅材料內部體積膨脹,從而產生拉伸應力,形成一層非常窄的微裂紋;然后通過聚合物冷卻步驟將微裂紋處理為一個主裂紋,最終將晶圓與剩余的晶錠分開。2019年第三方對此技術進行了評估,測量分割后的晶圓表面粗糙度Ra小于3µm,最佳結果小于2µm。

      圖4. 冷切割技術

      國內大族激光研發的改質切割是一種將半導體晶圓分離成單個芯片或晶粒的激光技術。該過程同樣是使用精密激光束在晶圓內部掃描形成改質層,使晶圓可以通過外加應力沿激光掃描路徑拓展,完成精確分離。

      圖5. 改質切割工藝流程

      目前國內廠商已經掌握砂漿切割碳化硅技術,但砂漿切割損耗大、效率低、污染嚴重,正逐漸被金剛線切割技術迭代,與此同時,激光切割的性能和效率優勢突出,與傳統的機械接觸加工技術相比具有許多優點,包括加工效率高、劃片路徑窄、切屑密度高,是取代金剛線切割技術的有力競爭者,為碳化硅等下一代半導體材料的應用開辟了一條新途徑。隨著工業技術的發展,碳化硅襯底尺寸不斷增大,碳化硅切割技術將快速發展,高效高質量的激光切割將是未來碳化硅切割的重要趨勢。

      轉自:高能束加工技術及應用

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