01.導(dǎo)讀

晶片切割是半導(dǎo)體器件制造中的重要一環(huán)，切割方式和切割質(zhì)量直接影響到晶片的厚度、粗糙度、尺寸及生產(chǎn)成本，更會對器件制造產(chǎn)生影響巨大。

作為第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅對于推動電氣革命具有重要意義。然而，制備高質(zhì)量結(jié)晶碳化硅的成本高昂，因此傾向于將大型碳化硅晶錠切割成更多的薄碳化硅晶片襯底，以降低生產(chǎn)成本。隨著工業(yè)的發(fā)展，晶片尺寸不斷增大，這使得切割工藝的要求日益提高。然而，碳化硅材料硬度極大，莫氏硬度達到9.5級，僅低于世界上最硬的金剛石（10級），同時還具備晶體的脆性特性，因此切割難度較大。

在當前工業(yè)生產(chǎn)中，通常采用砂漿線切割或金剛石線鋸切割的方法，具體操作是在碳化硅晶錠周圍等間距固定線鋸，并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約需要100小時，且切割出的晶片切口較大，表面粗糙度較高，材料損失高達46%。這使得碳化硅材料的使用成本增加，限制了其在半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。因此，研究碳化硅晶片切割新技術(shù)顯得尤為重要。

近年來，激光切割技術(shù)的使用在半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)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(nèi)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(yīng)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(xù)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(tǒng)研磨和拋光工藝造成的環(huán)境污染。激光切割技術(shù)早已經(jīng)應(yīng)用于硅晶錠的切割，但在碳化硅領(lǐng)域的應(yīng)用還未成熟，目前主要有以下幾項技術(shù)。

02.水導(dǎo)激光切割

水導(dǎo)激光技術(shù)（Laser MicroJet, LMJ）又稱微射流激光技術(shù)，它的原理是在激光通過一個壓力調(diào)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(dǎo)，使得激光沿水流方向傳播，從而通過高壓水射流引導(dǎo)加工材料表面進行切割。水導(dǎo)激光的主要優(yōu)勢在于切割質(zhì)量，水流不僅能冷卻切割區(qū)，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(xué)家Beruold Richerzhagen首度提出該項技術(shù)，他創(chuàng)立的Synova公司專注于水導(dǎo)激光技術(shù)的研究與產(chǎn)業(yè)化，在全球范圍內(nèi)保持著技術(shù)領(lǐng)先地位。我國企業(yè)晟光硅研已實現(xiàn)國內(nèi)首臺微射流激光設(shè)備的研發(fā)制造。

圖1. 水導(dǎo)激光切割技術(shù)

在第三代半導(dǎo)體技術(shù)方面，晟光硅研的微射流激光技術(shù)作為碳化硅材料加工領(lǐng)域的新型技術(shù)，尤其是針對8英寸襯底晶圓的加工，極大的避免了傳統(tǒng)加工容易導(dǎo)致晶體崩裂、晶片崩邊等問題。晟光硅研正在持續(xù)推進與碳化硅行業(yè)領(lǐng)先客戶的合作，為規(guī)模化生產(chǎn)做好準備。

圖2.晶圓切片

傳統(tǒng)激光劃片過程需要激光器“隱切+劈裂”兩道工序完成；微射流激光技術(shù)可一次性加工劃斷；傳統(tǒng)激光切割時，能量的累積和傳導(dǎo)是造成切割道兩側(cè)熱損傷的主要原因，而微射流激光因水柱的作用，將每個脈沖殘留的熱量迅速帶走不會累積在工件上，因此切割道干凈利落；熱損傷及崩邊現(xiàn)象很好的進行了規(guī)避。

圖3.晶圓劃片

03.隱形切割

隱形切割（Stealth Dicing，SD）是通過激光穿透碳化硅表面，聚焦于晶片內(nèi)部，在所需深度形成改性層，從而實現(xiàn)晶圓的剝離。這一過程無需在晶圓表面形成切口，因此能夠?qū)崿F(xiàn)較高的加工精度。目前，采用納秒脈沖激光的SD工藝已在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用于硅晶圓的分離。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)時間遠大于碳化硅中電子與聲子之間的耦合時間（皮秒級），會產(chǎn)生熱效應(yīng)。這種高熱量輸入不僅使分離過程容易偏離預(yù)定方向，還會導(dǎo)致較大的殘余應(yīng)力，從而引發(fā)斷裂和不良解理。

圖4. 激光隱形切割

我國目前已成功掌握砂漿切割碳化硅技術(shù)，但該技術(shù)在損耗、效率和環(huán)保方面存在較大問題，因此正逐步被金剛線切割技術(shù)所替代。然而，微射流激光技術(shù)以其卓越的性能和高效優(yōu)勢，與傳統(tǒng)機械接觸加工技術(shù)相比，顯現(xiàn)出眾多優(yōu)勢，如高加工效率、窄劃片路徑和高切屑密度等，已成為替代金剛線切割技術(shù)的有力競爭者，為碳化硅等下一代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用開啟了全新篇章。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進步，碳化硅襯底尺寸日益增大，因此，高效高質(zhì)量的微射流激光技術(shù)將成為未來碳化硅切割的重要發(fā)展趨勢。

轉(zhuǎn)自：晟光硅研

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