碳化硅的激光切割技术介绍

作者:admin  来源:ACT激光聚汇  发布时间:2024-05-10  访问量:1416

01.导读


晶片切割是半导体器件制造中的重要一环,切割方式和切割质量直接影响到晶片的厚度、粗糙度、尺寸及生产成本,更会对器件制造产生影响巨大。


作为第三代半导体材料,碳化硅对于推动电气革命具有重要意义。然而,制备高质量结晶碳化硅的成本高昂,因此倾向于将大型碳化硅晶锭切割成更多的薄碳化硅晶片衬底,以降低生产成本。随着工业的发展,晶片尺寸不断增大,这使得切割工艺的要求日益提高。然而,碳化硅材料硬度极大,莫氏硬度达到9.5级,仅低于世界上最硬的金刚石(10级),同时还具备晶体的脆性特性,因此切割难度较大。


在当前工业生产中,通常采用砂浆线切割或金刚石线锯切割的方法,具体操作是在碳化硅晶锭周围等间距固定线锯,并通过拉伸线锯切割出碳化硅晶片。利用线锯法从直径为6英寸的晶锭上分离晶片大约需要100小时,且切割出的晶片切口较大,表面粗糙度较高,材料损失高达46%。这使得碳化硅材料的使用成本增加,限制了其在半导体行业的发展。因此,研究碳化硅晶片切割新技术显得尤为重要。


近年来,激光切割技术的使用在半导体材料的生产加工中越来越受欢迎。这种方法的原理是使用聚焦的激光束从材料表面或内部修饰基材,从而将其分离。由于这是一种非接触式工艺,避免了刀具磨损和机械应力的影响。因此,它极大提高了晶圆表面的粗糙度和精度,还消除了对后续抛光工艺的需要,减少了材料损失,降低了成本,并减少了传统研磨和抛光工艺造成的环境污染。激光切割技术早已经应用于硅晶锭的切割,但在碳化硅领域的应用还未成熟,目前主要有以下几项技术。


02.水导激光切割

水导激光技术(Laser MicroJet, LMJ)又称微射流激光技术,它的原理是在激光通过一个压力调制的水腔时,将激光束聚焦在一个喷嘴上;从喷嘴中喷出低压水柱,在水与空气的界面处由于折射率的原因可以形成光波导,使得激光沿水流方向传播,从而通过高压水射流引导加工材料表面进行切割。水导激光的主要优势在于切割质量,水流不仅能冷却切割区,降低材料热变形和热损伤程度,还能带走加工碎屑。相较线锯切割,它的速度明显加快。但由于水对不同波长的激光吸收程度不同,激光波长受限,主要为1064nm、532nm、355nm三种。


1993年,瑞士科学家Beruold Richerzhagen首度提出该项技术,他创立的Synova公司专注于水导激光技术的研究与产业化,在全球范围内保持着技术领先地位。我国企业晟光硅研已实现国内首台微射流激光设备的研发制造。

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图1. 水导激光切割技术

在第三代半导体技术方面,晟光硅研的微射流激光技术作为碳化硅材料加工领域的新型技术,尤其是针对8英寸衬底晶圆的加工,极大的避免了传统加工容易导致晶体崩裂、晶片崩边等问题。晟光硅研正在持续推进与碳化硅行业领先客户的合作,为规模化生产做好准备。

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图2.晶圆切片

传统激光划片过程需要激光器“隐切+劈裂”两道工序完成;微射流激光技术可一次性加工划断;传统激光切割时,能量的累积和传导是造成切割道两侧热损伤的主要原因,微射流激光因水柱的作用,将每个脉冲残留的热量迅速带走不会累积在工件上,因此切割道干净利落;热损伤及崩边现象很好的进行了规避。

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图3.晶圆划片

03.隐形切割

隐形切割(Stealth Dicing,SD)是通过激光穿透碳化硅表面,聚焦于晶片内部,在所需深度形成改性层,从而实现晶圆的剥离。这一过程无需在晶圆表面形成切口,因此能够实现较高的加工精度。目前,采用纳秒脉冲激光的SD工艺已在工业领域应用于硅晶圆的分离。然而,在纳秒脉冲激光诱导的SD加工碳化硅过程中,由于脉冲持续时间远大于碳化硅中电子与声子之间的耦合时间(皮秒级),会产生热效应。这种高热量输入不仅使分离过程容易偏离预定方向,还会导致较大的残余应力,从而引发断裂和不良解理。

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图4. 激光隐形切割

我国目前已成功掌握砂浆切割碳化硅技术,但该技术在损耗、效率和环保方面存在较大问题,因此正逐步被金刚线切割技术所替代。然而,微射流激光技术以其卓越的性能和高效优势,与传统机械接触加工技术相比,显现出众多优势,如高加工效率、窄划片路径和高切屑密度等,已成为替代金刚线切割技术的有力竞争者,为碳化硅等下一代半导体材料的应用开启了全新篇章。随着工业技术的不断进步,碳化硅衬底尺寸日益增大,因此,高效高质量的微射流激光技术将成为未来碳化硅切割的重要发展趋势。