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。碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料，是促進(jìn)電氣革命的重要材料。高質(zhì)量的結(jié)晶碳化硅的生產(chǎn)成本非常高，人們往往希望將一個(gè)大的碳化硅晶錠切成盡可能多的薄碳化硅晶片襯底，同時(shí)工業(yè)的發(fā)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(shí)又兼具晶體的脆性，不易切割。目前工業(yè)上一般采用砂漿線切割或金剛石線鋸切割，切割時(shí)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(shí)，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(dá)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(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，可見對碳化硅晶片切割新技術(shù)的研究迫在眉睫。

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(jī)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(xiàng)技術(shù)。

02 水導(dǎo)激光切割

水導(dǎo)激光技術(shù)（Laser MicroJet, LMJ）又稱激光微射流技術(shù)，它的原理是在激光通過一個(gè)壓力調(diào)制的水腔時(shí)，將激光束聚焦在一個(gè)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(jìn)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首先提出了該技術(shù)，他創(chuàng)始的Synova公司專門從事水導(dǎo)激光的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，在國際上處于技術(shù)領(lǐng)先地位，國內(nèi)技術(shù)相對落后，英諾激光、晟光硅研等企業(yè)正在積極研發(fā)。

圖1. 水導(dǎo)激光切割技術(shù)

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(nèi)部，在所需深度形成改性層，從而實(shí)現(xiàn)剝離晶圓。由于晶圓表面沒有切口，因此可以實(shí)現(xiàn)較高的加工精度。帶有納秒脈沖激光器的SD工藝已在工業(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(shí)間遠(yuǎn)長于碳化硅中電子和聲子之間的耦合時(shí)間（皮秒量級），將會產(chǎn)生熱效應(yīng)。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(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致斷裂和不良的解理。因此，在加工碳化硅時(shí)一般采用超短脈沖激光的SD工藝，熱效應(yīng)大大降低。

圖2. 激光隱形切割

日本DISCO公司研發(fā)出了一種稱為關(guān)鍵無定形黑色重復(fù)吸收（key amorphous-black repetitive absorption, KABRA）的激光切割技術(shù)，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(chǎn)率提高了四倍。KABRA工藝本質(zhì)是上將激光聚焦在碳化硅材料的內(nèi)部，通過 “無定形黑色重復(fù)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(diǎn)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(fā)的冷切割（Cold Split）晶圓技術(shù)，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(chǎn)成本降低多達(dá)30%。冷切割技術(shù)分為兩個(gè)環(huán)節(jié)：先用激光照射晶錠形成剝落層，使碳化硅材料內(nèi)部體積膨脹，從而產(chǎn)生拉伸應(yīng)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(gè)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(shù)進(jìn)行了評估，測量分割后的晶圓表面粗糙度Ra小于3µm，最佳結(jié)果小于2µm。

圖4. 冷切割技術(shù)

國內(nèi)大族激光研發(fā)的改質(zhì)切割是一種將半導(dǎo)體晶圓分離成單個(gè)芯片或晶粒的激光技術(shù)。該過程同樣是使用精密激光束在晶圓內(nèi)部掃描形成改質(zhì)層，使晶圓可以通過外加應(yīng)力沿激光掃描路徑拓展，完成精確分離。

圖5. 改質(zhì)切割工藝流程

目前國內(nèi)廠商已經(jīng)掌握砂漿切割碳化硅技術(shù)，但砂漿切割損耗大、效率低、污染嚴(yán)重，正逐漸被金剛線切割技術(shù)迭代，與此同時(shí)，激光切割的性能和效率優(yōu)勢突出，與傳統(tǒng)的機(jī)械接觸加工技術(shù)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，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(shù)的有力競爭者，為碳化硅等下一代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用開辟了一條新途徑。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，碳化硅襯底尺寸不斷增大，碳化硅切割技術(shù)將快速發(fā)展，高效高質(zhì)量的激光切割將是未來碳化硅切割的重要趨勢。

轉(zhuǎn)自：高能束加工技術(shù)及應(yīng)用

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