不一樣的干貨分享 | 碳化硅晶圓劃片技術(shù)

半導(dǎo)體材料與工藝設(shè)備

2021年10月14日 15:49

碳化硅是寬禁帶半導(dǎo)體器件制造的核心材料，SiC 器件具有高頻、大功率、耐高溫、耐輻射、抗干擾、體積小、重量輕等諸多優(yōu)勢(shì)，是目前硅和砷化鎵等半導(dǎo)體材料所無(wú)法比擬的，應(yīng)用前景十分廣闊，是核心器件發(fā)展需要的關(guān)鍵材料，由于其加工難度大，一直未能得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。

碳化硅材料的加工難度體現(xiàn)在：

(1)硬度大，莫氏硬度分布在 9.2～9.6；

(2)化學(xué)穩(wěn)定性高，幾乎不與任何強(qiáng)酸或強(qiáng)堿發(fā)生反應(yīng)；

(3) 加工設(shè)備尚不成熟。

因此，圍繞碳化硅晶圓劃片工藝和設(shè)備展開研究，對(duì)推動(dòng)我國(guó)碳化硅新型電子元器件的發(fā)展，促進(jìn)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著積極的意義。

碳化硅材料特性

碳化硅是ⅠⅤ-ⅠⅤ族二元化合物半導(dǎo)體，具有很強(qiáng)的離子共價(jià)鍵，結(jié)合能量穩(wěn)定，具有優(yōu)越的力學(xué)、化學(xué)性能。材料帶隙即禁帶能量決定了器件很多性能，包括光譜響應(yīng)、抗輻射、工作溫度、擊穿電壓等，碳化硅禁帶寬度大。

如最常用的 4H-SiC禁帶能量是 3.23 eV，因此，具有良好的紫外光譜響應(yīng)特性，被用于制作紫外光電二極管。SiC 臨界擊穿電場(chǎng)比常用半導(dǎo)體硅和砷化鎵大很多，其制作的器件具有很好的耐高壓特性。

另外，擊穿電場(chǎng)和熱導(dǎo)率決定器件的最大功率傳輸能力，SiC 熱導(dǎo)率高達(dá) 5 W/(cm·K)，比許多金屬還要高，因此非常適合做高溫、大功率器件和電路。碳化硅熱穩(wěn)定性很好，可以工作在 300～600 ℃。碳化硅硬度高，耐磨性好，常用來(lái)研磨或切割其它材料，這就意味著碳化硅襯底的劃切非常棘手。

目前，用于制作電子器件的碳化硅晶圓主要有 2 種，N 型導(dǎo)電晶圓厚度 150～350 μm，電阻率0.010～0.028 Ω·cm 2 ，主要應(yīng)用于發(fā)光二極管、電力電子行業(yè)的功率器件。

高純半絕緣晶圓厚度50～100 μm，電阻率 1×10 8 Ω·cm 2 ，主要用于微波射頻、氮化鎵晶體管等領(lǐng)域。針對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)用的 SiC 晶圓劃切，研究幾種加工方法的特點(diǎn)及應(yīng)用。

碳化硅晶圓劃片方法

2.1 砂輪劃片

砂輪劃片機(jī)是通過(guò)空氣靜壓電主軸驅(qū)動(dòng)刀片高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的強(qiáng)力磨削。所用的刀片刃口鍍有金剛砂顆粒，金剛砂的莫氏硬度為 10 級(jí)，僅僅比硬度 9.5 級(jí)的 SiC 略高一點(diǎn)，反復(fù)地低速磨削不僅費(fèi)時(shí)，而且費(fèi)力，同時(shí)也會(huì)造成刀具頻繁磨損。如：100 mm（4 英寸）SiC 晶圓劃切每片需要6～8 h，且易造成崩邊缺陷。因此，這種傳統(tǒng)的低效加工方式已經(jīng)逐漸被激光劃片取代。

2.2 激光全劃

激光劃片是利用高能激光束照射工件表面，使被照射區(qū)域局部熔化、氣化，從而達(dá)到去除材料，實(shí)現(xiàn)劃片的過(guò)程。激光劃片是非接觸式加工，無(wú)機(jī)械應(yīng)力損傷，加工方式靈活，不存在刀具損耗和水污染，設(shè)備使用維護(hù)成本低。為避免激光劃透晶圓時(shí)損傷支撐膜，采用耐高溫?zé)g的 UV 膜。

目前，激光劃片設(shè)備采用工業(yè)激光器，波長(zhǎng)主要有 1 064 nm、532 nm、355 nm 三種，脈寬為納秒、皮秒和飛秒級(jí)。理論上，激光波長(zhǎng)越短、脈寬越短，加工熱效應(yīng)越小，有利于微細(xì)精密加工，但成本相對(duì)較高。355 nm 的紫外納秒激光器因其技術(shù)成熟、成本低、加工熱效應(yīng)小，應(yīng)用非常廣泛。近幾年 1 064 nm 的皮秒激光器技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用到很多新領(lǐng)域，獲得了很好的效果。圖 1、圖 2 分別對(duì) 2 種激光器劃切 SiC 晶圓的效果進(jìn)行了對(duì)比。

從圖 1、圖 2 中可以看出，355 nm 紫外激光加工熱效應(yīng)小，但未完全氣化的熔渣在切割道內(nèi)粘連堆積，使得切割斷面不光滑，附著的熔渣在后續(xù)工藝環(huán)節(jié)容易脫落，影響器件性能。1 064 nm 的皮秒激光器采用較大的功率，劃切效率高，材料去除充分，斷面均勻一致，但加工熱效應(yīng)太大，芯片設(shè)計(jì)中需要預(yù)留更寬的劃切道。

2.3 激光半劃

激光半劃適用于解理性較好的材料加工，激光劃切至一定深度，然后采用裂片方式，沿切割道產(chǎn)生縱向延伸的應(yīng)力使芯片分離。這種加工方式效率高，無(wú)需貼膜去膜工序，加工成本低。但碳化硅晶圓的解理性差，不易裂片，裂開的一面容易崩邊，劃過(guò)的部分仍然存在熔渣粘連現(xiàn)象，如圖 3 所示。

2.4 激光隱形劃切

激光隱形劃切是將激光聚焦在材料內(nèi)部，形成改質(zhì)層，然后通過(guò)裂片或擴(kuò)膜的方式分離芯片。表面無(wú)粉塵污染，幾乎無(wú)材料損耗，加工效率高。實(shí)現(xiàn)隱形劃切的 2 個(gè)條件是材料對(duì)激光透明，足夠的脈沖能量產(chǎn)生多光子吸收。

碳化硅在室溫下的帶隙能量 Eg 約為 3.2 eV，即為 5.13×10 -19 J。1 064 nm 激光光子能量 E=hc/λ=1.87×10 -19 J。可見(jiàn) 1 064 nm 的激光光子能量小于碳化硅材料的吸收帶隙，在光學(xué)上呈透明特性，滿足隱形劃切的條件。實(shí)際的透過(guò)率與材料表面特性、厚度、摻雜物的種類等因素有關(guān)，以厚度 300 μm 的碳化硅拋光晶圓為例，實(shí)測(cè) 1 064 nm 激光透過(guò)率約為67%。

選用脈沖寬度極短的皮秒激光，多光子吸收產(chǎn)生的能量不轉(zhuǎn)換成熱能，只在材料內(nèi)部引起一定深度的改質(zhì)層，改質(zhì)層是材料內(nèi)部裂紋區(qū)、熔融區(qū)或折射率變化區(qū)。然后通過(guò)后續(xù)的裂片工藝，晶粒將沿著改質(zhì)層分離。

碳化硅材料解理性差，改質(zhì)層的間隔不能太大。試驗(yàn)采用 JHQ-611 全自動(dòng)劃片機(jī)和 350 μm厚的 SiC 晶圓，劃切 22 層，劃切速度 500 mm/s，裂開后的斷面比較光滑，崩邊小，邊緣整齊，如圖4 所示。

2.5 水導(dǎo)激光劃切

水導(dǎo)激光是將激光聚焦后導(dǎo)入微水柱中，水柱的直徑根據(jù)噴嘴孔徑而異，有 100～30 μm 多種規(guī)格。利用水柱與空氣界面全反射的原理，激光被導(dǎo)入水柱后將沿著水柱行進(jìn)方向傳播。

在水柱維持穩(wěn)定的范圍內(nèi)都能進(jìn)行加工，超長(zhǎng)的有效工作距離特別適合厚材料的切割。傳統(tǒng)激光切割時(shí)，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，而水導(dǎo)激光因水柱的作用，將每個(gè)脈沖殘留的熱量迅速帶走不會(huì)累積在工件上，因此切割道干凈利落。

基于這些優(yōu)點(diǎn)，理論上水導(dǎo)激光切割碳化硅是不錯(cuò)的選擇，但該技術(shù)難度大，相關(guān)的設(shè)備成熟度不高，作為易損件的噴嘴制作難度大，如果不能精確穩(wěn)定地控制微細(xì)水柱，飛濺的水滴燒蝕芯片，影響成品率。因此，該工藝目前尚未應(yīng)用到碳化硅晶圓生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。