碳化硅的激光切割技術(shù)介紹

引言

晶片切割是半導(dǎo)體器件制造的關(guān)鍵步驟，切割方式和質(zhì)量直接影響晶片的厚度、表面光滑度、尺寸和生產(chǎn)成本，同時對器件制造也有重大影響。碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料，在電子領(lǐng)域中具有重要地位。高質(zhì)量碳化硅晶體的制備成本相當(dāng)高，因此人們通常希望能夠從一個大型碳化硅晶錠中切割出盡可能多的薄碳化硅晶片襯底。而工業(yè)的發(fā)展使得晶片尺寸不斷增大，這使人們對切割工藝的要求變得更加嚴(yán)格。然而，碳化硅材料的硬度極高（莫氏硬度為9.5，僅次于世界上最硬的金剛石），同時又具有晶體的脆性，因此難以切割。

目前，在工業(yè)上通常采用砂漿線切割或鉆石線鋸切割的方法，即在碳化硅晶錠的周圍設(shè)置等間距的線鋸，通過拉伸線鋸以切割出碳化硅晶片。然而，使用線鋸法從直徑為6英寸的晶錠上分離晶片通常需要大約100小時，切口較大，表面粗糙度較高，材料損失高達(dá)46%。這不僅增加了碳化硅材料的成本，也限制了其在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用。因此，對于碳化硅晶片切割新技術(shù)的研究變得迫切。

近年來，激光切割技術(shù)在半導(dǎo)體材料生產(chǎn)加工中變得越來越受歡迎。這種方法的原理是使用聚焦的激光束來修飾基材的表面或內(nèi)部，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(jī)械應(yīng)力的影響。因此，它顯著提高了晶圓表面的粗糙度和精度，還消除了對后續(xù)拋光工藝的需求，減少了材料損失，降低了成本，并減少了傳統(tǒng)研磨和拋光工藝可能造成的環(huán)境污染。雖然激光切割技術(shù)早已用于硅晶錠的切割，但在碳化硅領(lǐng)域的應(yīng)用尚不成熟。目前存在以下幾種主要技術(shù)用于碳化硅的激光切割。

水導(dǎo)激光技術(shù)

水導(dǎo)激光技術(shù)（Laser MicroJet, LMJ），又稱激光微射流技術(shù)，其原理是通過將激光束聚焦在一個噴嘴上，使其通過壓力調(diào)制的水腔，然后從噴嘴中噴出低壓水柱。由于水與空氣的折射率差異，在水與空氣的交界處形成了光波導(dǎo)，使得激光沿水流方向傳播，從而通過高壓水射流引導(dǎo)加工材料表面進(jìn)行切割。水導(dǎo)激光技術(shù)具有以下主要優(yōu)勢：

切割質(zhì)量：水導(dǎo)激光能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的切割，因?yàn)樗鞑粌H能冷卻切割區(qū)域，減少材料的熱變形和熱損傷，還能將加工碎屑帶走，保持切割區(qū)域清潔。

切割速度：與傳統(tǒng)線鋸切割相比，水導(dǎo)激光的切割速度明顯更快，提高了生產(chǎn)效率。

技術(shù)限制：然而，水導(dǎo)激光技術(shù)也存在一些技術(shù)限制，其中一個限制是激光波長的選擇。由于水對不同波長的激光吸收程度不同，因此水導(dǎo)激光主要采用1064nm、532nm和355nm這三種波長。

水導(dǎo)激光技術(shù)最早由瑞士科學(xué)家Beruold Richerzhagen于1993年提出，并創(chuàng)建了專門從事水導(dǎo)激光研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的Synova公司。該公司在國際上處于技術(shù)領(lǐng)先地位。盡管國內(nèi)的水導(dǎo)激光技術(shù)相對較落后，但一些國內(nèi)企業(yè)如英諾激光和晟光硅研正在積極開展相關(guān)技術(shù)研發(fā)工作，以滿足市場需求。

圖1. 水導(dǎo)激光切割技術(shù)

隱形切割

隱形切割（Stealth Dicing, SD）是一種用于分離硅晶圓或其他材料的先進(jìn)激光加工技術(shù)。其原理是將激光透過材料的表面聚焦到材料內(nèi)部，在所需深度形成改性層，然后通過該改性層來剝離材料。與傳統(tǒng)的機(jī)械切割或線鋸切割相比，隱形切割不會在材料表面留下切口，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的加工精度。在碳化硅加工中，這種技術(shù)尤其有用。

使用帶有納秒脈沖激光器的SD工藝已經(jīng)在工業(yè)中用于分離硅晶圓。然而，在納秒脈沖激光誘導(dǎo)的SD加工碳化硅過程中，由于脈沖持續(xù)時間遠(yuǎn)長于碳化硅中電子和聲子之間的耦合時間（通常是皮秒量級），會產(chǎn)生熱效應(yīng)。這種高熱量輸入會導(dǎo)致以下問題：

分離偏離所需方向：高熱效應(yīng)可能導(dǎo)致分離方向偏離預(yù)期，影響加工精度。

殘余應(yīng)力：熱效應(yīng)還會引起材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，這可能導(dǎo)致晶圓斷裂或不良的解理。

為了克服這些問題，在加工碳化硅時通常采用超短脈沖激光的SD工藝。超短脈沖激光的脈沖持續(xù)時間非常短，通常在飛秒級別，這意味著激光的作用時間非常短暫。這種短暫的作用時間使得熱效應(yīng)大大降低，從而可以實(shí)現(xiàn)更精確的分離，減少殘余應(yīng)力，提高加工質(zhì)量。因此，超短脈沖激光的SD工藝在碳化硅等材料的加工中被廣泛應(yīng)用，以滿足高精度和高質(zhì)量的要求。

圖2. 激光隱形切割

KABRA（關(guān)鍵無定形黑色重復(fù)吸收）是由日本的DISCO公司開發(fā)的一種激光切割技術(shù)，用于加工碳化硅晶圓。這項(xiàng)技術(shù)在提高碳化硅晶圓的生產(chǎn)率方面取得了顯著的成就，將碳化硅材料分解成無定形硅和無定形碳，并形成一層稱為“黑色無定形層”的吸收光層，從而實(shí)現(xiàn)了更容易的晶圓分離。

具體來說，KABRA工藝的原理是將激光聚焦在碳化硅材料的內(nèi)部。通過一種稱為“無定形黑色重復(fù)吸收”的過程，碳化硅材料被分解成無定形硅和無定形碳。在這個過程中，形成了一層黑色無定形層，這一層能夠吸收更多的激光能量。這個黑色無定形層成為晶圓分離的基點(diǎn)，使得分離變得更加容易。

這項(xiàng)技術(shù)的重要優(yōu)點(diǎn)在于它能夠顯著提高碳化硅晶圓的生產(chǎn)效率，可以將碳化硅晶圓的生產(chǎn)率提高四倍。這對于碳化硅材料的加工和應(yīng)用來說是一個重大的突破，因?yàn)樘蓟璧挠捕群痛嘈允沟脗鹘y(tǒng)的加工方法具有挑戰(zhàn)性。通過KABRA技術(shù)，可以更有效地加工碳化硅晶圓，從而降低生產(chǎn)成本并提高制造效率。這對于半導(dǎo)體和其他高科技領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

圖3. KABRA晶圓分離

Siltectra公司開發(fā)的冷切割（Cold Split）晶圓技術(shù)，是一項(xiàng)具有重大潛力的先進(jìn)技術(shù)，不僅能夠?qū)⒏黝惥уV高效地分割成晶圓，而且最大程度地減少了材料損失，從而降低了最終器件的總生產(chǎn)成本。這項(xiàng)冷切割技術(shù)主要包括兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

激光照射形成剝落層：首先，激光被用來照射晶錠的表面，從而在碳化硅材料內(nèi)部形成一個剝落層。這個過程導(dǎo)致了材料內(nèi)部體積的膨脹，從而產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力，并形成了一層非常窄的微裂紋。

聚合物冷卻步驟處理微裂紋：接下來，通過聚合物冷卻步驟，這些微裂紋會被處理為一個主裂紋，最終將晶圓與剩余的晶錠分開。這個過程實(shí)現(xiàn)了高效的分離，同時最大限度地減少了材料損失。

這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)在于它能夠?qū)崿F(xiàn)非常低的材料損失，損失低至80μm，這降低了總體材料損失約90%。此外，評估結(jié)果顯示，分割后的晶圓表面粗糙度（Ra值）非常低，小于3μm，最佳情況下甚至小于2μm，這進(jìn)一步證明了該技術(shù)的高精度和高質(zhì)量。這項(xiàng)冷切割技術(shù)對半導(dǎo)體行業(yè)以及其他需要高質(zhì)量晶圓的高科技領(lǐng)域來說具有重要的意義，因?yàn)樗梢越档蜕a(chǎn)成本、提高效率，同時減少材料浪費(fèi)，有助于推動晶圓制造領(lǐng)域的發(fā)展。英飛凌收購Siltectra公司的舉措也表明了他們對這項(xiàng)技術(shù)的重視和看好。

改質(zhì)切割（Modification Cutting）是一種用于將半導(dǎo)體晶圓分離成單個芯片或晶粒的激光技術(shù)。這個過程使用精密的激光束在晶圓內(nèi)部進(jìn)行掃描，形成改質(zhì)層，從而使得晶圓能夠通過外加的應(yīng)力沿著激光掃描路徑進(jìn)行擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)精確的分離。具體來說，改質(zhì)切割技術(shù)的過程如下：

激光掃描：首先，精密激光束被用來在半導(dǎo)體晶圓的內(nèi)部進(jìn)行掃描。激光束的能量密度和掃描路徑是精確控制的。

形成改質(zhì)層：激光束的作用導(dǎo)致晶圓內(nèi)部形成一個改質(zhì)層。這個改質(zhì)層通常包括改變了材料特性的區(qū)域，以使材料更容易分離。

外加應(yīng)力：接下來，通過外加的應(yīng)力，通常是在改質(zhì)區(qū)域周圍施加的機(jī)械或熱應(yīng)力，晶圓可以沿著激光掃描路徑擴(kuò)展，這導(dǎo)致了精確的分離。

這種改質(zhì)切割技術(shù)具有精確性高、可控性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此在半導(dǎo)體晶圓分離中具有潛在的應(yīng)用前景。它可以幫助降低芯片制造過程中的損失，提高生產(chǎn)效率，并且減少材料浪費(fèi)。大族激光研發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)可能有望在半導(dǎo)體行業(yè)和其他領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

圖5. 改質(zhì)切割工藝流程

國內(nèi)廠商已經(jīng)掌握碳化硅的砂漿切割技術(shù)，但它存在損耗大、效率低、污染問題?，F(xiàn)在，金剛線切割技術(shù)逐漸取代砂漿切割，并且激光切割作為一種高效、高質(zhì)量的替代方案，正嶄露頭角。激光切割具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如高效率、窄切割路徑和高切屑密度，是金剛線切割的有力競爭對手。隨著碳化硅襯底尺寸的增大，激光切割技術(shù)將成為未來碳化硅切割的重要趨勢。

來源：半導(dǎo)體信息

審核編輯：湯梓紅