摘要 

為降低成本、提高生產(chǎn)效率和拓展工業(yè)應(yīng)用，開(kāi)發(fā)低切割損失和高表面質(zhì)量的SiC晶圓切割技術(shù)至關(guān)重要。本文提出一種新穎的全激光處理方法，將激光微裂紋的產(chǎn)生和生長(zhǎng)控制相結(jié)合。首先使用高能量脈沖激光在SiC內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，增加其對(duì)激光能量的吸收。然后，使用低能量脈沖激光實(shí)現(xiàn)微裂紋生長(zhǎng)的操控和相互連接，從而分離SiC晶圓。實(shí)驗(yàn)得到了最佳激光處理參數(shù)，成功將厚度為500µm的4H-SiC襯底分割。切割表面干凈，平均表面粗糙度（Sa）為186nm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.037，切割損失為915nm。該激光切片方法可用于高硬度透明材料的分離。

實(shí)驗(yàn)背景

碳化硅 (SiC) 是一種寬帶隙半導(dǎo)體，具備優(yōu)異的熱學(xué)和光電性能，被廣泛認(rèn)為是高壓、低損耗電力電子器件的理想材料。其帶隙范圍在2.3到3.3eV之間，而SiC功率器件的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度比第一代半導(dǎo)體高出近10倍，這使得它在大功率和高壓設(shè)備中占據(jù)關(guān)鍵地位。此外，SiC能自然氧化生成二氧化硅，使得基于MOS的全系列大功率電子器件的制造成為可能。憑借其高硬度、耐高溫、耐腐蝕等卓越的物理化學(xué)穩(wěn)定性，SiC還展現(xiàn)了寬光譜透過(guò)率和光學(xué)非線(xiàn)性等豐富的光電性能，廣泛應(yīng)用于微光學(xué)領(lǐng)域。

然而，正是因?yàn)镾iC擁有這些優(yōu)異特性，如高硬度和高透光性，其制備過(guò)程相比其他材料更加復(fù)雜和困難。目前，SiC晶圓的制造能力仍然無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)需求，如何實(shí)現(xiàn)高效且高質(zhì)量的大規(guī)模SiC晶圓生產(chǎn)仍是一個(gè)技術(shù)瓶頸。在切片工藝上，傳統(tǒng)電鍍金剛石線(xiàn)切片技術(shù)面臨著切口損失大、環(huán)境污染嚴(yán)重、表面質(zhì)量不佳等一系列挑戰(zhàn)。除此之外，切割速度較慢，且線(xiàn)鋸在加工過(guò)程中容易因振動(dòng)引發(fā)亞表面損傷或邊緣碎裂。

激光切割技術(shù)近年來(lái)已發(fā)展用于解決切割損耗和表面質(zhì)量問(wèn)題。使用飛秒激光誘導(dǎo)切割可以將切割損耗厚度降至24µm以下，并獲得無(wú)斷裂的完整表面。利用皮秒激光誘導(dǎo)多光子吸收微爆炸切割SiC晶圓，成功將切口損失降至2µm以下，且表面粗糙度控制在1.8µm。張澤等人提出的碳化硅雙光束異步切割硅技術(shù)，與常規(guī)隱形切割相比，由于缺少機(jī)械斷裂過(guò)程，獲得了無(wú)碎片的SiC晶圓。李宇航等人則結(jié)合了激光切片和拋光技術(shù)，減少了損傷缺陷，雖然切片表面呈現(xiàn)粗糙與光滑相間的外觀，且河流形貌周?chē)�較為粗糙，但平均表面粗糙度已超過(guò)890nm。耿文浩等通過(guò)結(jié)合飛秒激光輻照與帶隙選擇性光電化學(xué)剝離，實(shí)現(xiàn)了4H-SiC晶片的高效切片，盡管光電化學(xué) (PEC) 蝕刻過(guò)程中光生空穴可以在HF溶液的輔助下選擇性氧化和腐蝕改性層，但其效率較低且存在一定的環(huán)境污染問(wèn)題。   

近日，廈門(mén)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)介紹了一種基于雙激光誘導(dǎo)微裂紋生成和擴(kuò)展的新技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了非接觸、低切口損失的SiC晶片切片。該技術(shù)將500µm厚的SiC樣品無(wú)損傷地切片成兩片厚度為250µm的晶片，且表面粗糙度控制在200nm以下。這為 SiC 晶片微裂紋的生長(zhǎng)與互連調(diào)控提供了理論依據(jù)，并確保了切片后的表面質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)方法 

如圖1所示，將納秒激光器對(duì)材料內(nèi)部進(jìn)行重疊掃描，其脈沖持續(xù)時(shí)間為25ns，波長(zhǎng)為 1064 nm，重復(fù)頻率為 10 kHz，激光聚焦光斑尺寸約為 10um。首先，高能量脈沖激光束(第一激光束)聚焦到 SiC內(nèi)部，產(chǎn)生多個(gè)微裂紋，從而增加激光能量吸收并削弱SiC鍵合。然后，低能量脈沖激光束(第二激光束)掃描SiC，導(dǎo)致微裂紋生長(zhǎng)并操縱微裂紋互聯(lián)以實(shí)現(xiàn)晶圓切片。激光聚焦點(diǎn)的尺寸約為10微米。

圖1：全激光加工引起的微裂紋產(chǎn)生和生長(zhǎng)控制示意圖

結(jié)果和討論

微裂紋產(chǎn)生機(jī)制 

圖2(a) 展示了高能量密度脈沖激光束輻照SiC后產(chǎn)生微裂紋的機(jī)制。SiC 的升華溫度為 2073~2273 K，熔點(diǎn)為 3100 K，分解溫度為 3500 K。相關(guān)研究計(jì)算表明，激光加熱SiC至超過(guò) 3200K，使其熔化、汽化并產(chǎn)生強(qiáng)熱應(yīng)力，導(dǎo)致材料內(nèi)部形成液相和氣相SiC。隨著溫度升高至 3500K，SiC分解為 Si 和 C，Si 蒸發(fā)顯著，C 形成富碳區(qū)域，進(jìn)而在SiC內(nèi)部產(chǎn)生多個(gè)微裂紋。實(shí)驗(yàn)顯示，SiC晶片透過(guò)率從加工前的68%降至11.6%，這表明缺陷增強(qiáng)了激光能量吸收并削弱了材料結(jié)合力。

(a) 第一次脈沖激光燒蝕形成微裂紋的機(jī)理和 SiC 內(nèi)部微裂紋的橫截面視圖。(b) 產(chǎn)生微裂紋的 SiC 晶片的頂視圖。(c) SiC 內(nèi)部多個(gè)微裂紋和未裂紋區(qū)域的橫截面視圖。

微裂紋的生成、生長(zhǎng)和連通是SiC切片的關(guān)鍵。

第一束激光通過(guò)高能量密度沉積產(chǎn)生微裂紋，熱應(yīng)力使其沿 <0001> 方向生長(zhǎng)。掃描后形成的微裂紋長(zhǎng)度為約500μm，但尚不足以分離晶片。為此，第二束低能量激光照射促使微裂紋進(jìn)一步生長(zhǎng)和連通，最終實(shí)現(xiàn) SiC 晶片的分離。

在第二階段中，激光產(chǎn)生的溫度梯度導(dǎo)致SiC內(nèi)部不同區(qū)域的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，進(jìn)而促進(jìn)微裂紋的擴(kuò)展。高溫下的SiC分解生成非晶碳和非晶硅，硅蒸氣膨脹產(chǎn)生微爆炸，加劇了微裂紋的擴(kuò)展。最終通過(guò)第二束脈沖激光，多個(gè)微裂紋連通，實(shí)現(xiàn)晶片分離。

微裂紋擴(kuò)展與連通機(jī)制 

全激光加工的關(guān)鍵在于精確控制第二束低能量脈沖激光，使微裂紋連通，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的切片。第一束高能量激光生成的微裂紋作為分離引導(dǎo)線(xiàn)，而第二束低能量激光則促使微裂紋吸收能量，繼續(xù)擴(kuò)展和連通。與傳統(tǒng)電鍍金剛石線(xiàn)相比，這種激光加工方式顯著降低了SiC切口損失。研究表明，激光掃描次數(shù)越多，微裂紋的寬度和長(zhǎng)度逐漸增加，直至微裂紋完全連通，形成平整的分離層。最終，采用這種方法可成功分離500μm厚的SiC晶片，并且切片厚度均勻（250 μm），同時(shí)切口損失僅為915nm，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

(a) 第二次脈沖激光照射下微裂紋生長(zhǎng)和互連的示意圖。(b) 微裂紋寬度與激光掃描次數(shù)的關(guān)系。(c) 在 2.2 J/cm 2的低激光能量密度下，從孤立微裂紋演變?yōu)檫B續(xù)微裂紋（N 為激光掃描次數(shù)）。   

結(jié)論

最后，根據(jù)優(yōu)化的激光參數(shù)，科研團(tuán)隊(duì)成功將500µm厚度的SiC晶片切成兩片厚度為250µm的部分，且切片表面粗糙度降至186nm，切口損失縮小到915nm。然而，對(duì)于某些應(yīng)用領(lǐng)域，如實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量光學(xué)表面，仍然需要更低的表面粗糙度（低于50nm）。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化激光加工參數(shù)，有望提升表面質(zhì)量，突破50 nm以下粗糙度的限制。

當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)在于脈沖激光引發(fā)的熱應(yīng)力較大，導(dǎo)致微裂紋在擴(kuò)展時(shí)產(chǎn)生脆性斷裂，而非塑性變形。要實(shí)現(xiàn)50nm以下的表面粗糙度，關(guān)鍵在于精確控制激光的熱應(yīng)力，使SiC材料達(dá)到塑性變形的臨界狀態(tài)，從而形成納米裂紋。通過(guò)產(chǎn)生寬度在30nm以下的納米裂紋，便能夠?qū)崿F(xiàn)更低的粗糙度。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可能需要采用創(chuàng)新的方法。例如，使用雙正交偏振脈沖激光輻照技術(shù)，能夠最小化剪切應(yīng)力，并控制納米裂紋的生成和生長(zhǎng)，從而獲得高質(zhì)量的分離表面并滿(mǎn)足對(duì)更高光學(xué)表面質(zhì)量的需求。

原文鏈接：

Optics Express Vol. 32, Issue 22, pp. 38758-38767 (2024) https://doi.org/10.1364/OE.540604

來(lái)源：艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)

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