干貨分享 | 碳化硅晶圓劃片技術

半導體材料與工藝設備

2021年12月28日 15:16

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來源：DT半導體材料

碳化硅是寬禁帶半導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、重量輕等諸多優勢，是目前硅和砷化鎵等半導體材料所無法比擬的，應用前景十分廣闊，是核心器件發展需要的關鍵材料，由于其加工難度大，一直未能得到大規模推廣應用。

碳化硅材料的加工難度體現在 ：

(1)硬度大，莫氏硬度分布在 9.2～9.6；

(2)化學穩定性高，幾乎不與任何強酸或強堿發生反應；

(3) 加工設備尚不成熟。

因此，圍繞碳化硅晶圓劃片工藝和設備展開研究，對推動我國碳化硅新型電子元器件的發展，促進第三代半導體產業發展有著積極的意義。

碳化硅材料特性

碳化硅是ⅠⅤ-ⅠⅤ族二元化合物半導體，具有很強的離子共價鍵，結合能量穩定，具有優越的力學、化學性能。材料帶隙即禁帶能量決定了器件很多性能，包括光譜響應、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特性，被用于制作紫外光電二極管。SiC 臨界擊穿電場比常用半導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，擊穿電場和熱導率決定器件的最大功率傳輸能力，SiC 熱導率高達 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。碳化硅熱穩定性很好，可以工作在 300～600 ℃。碳化硅硬度高，耐磨性好，常用來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 型導電晶圓厚度 150～350 μm，電阻率0.010～0.028 Ω·cm 2 ，主要應用于發光二極管、電力電子行業的功率器件。

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、氮化鎵晶體管等領域。針對半導體行業應用的 SiC 晶圓劃切，研究幾種加工方法的特點及應用。

碳化硅晶圓劃片方法

2.1 砂輪劃片

砂輪劃片機是通過空氣靜壓電主軸驅動刀片高速旋轉，實現對材料的強力磨削。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，僅僅比硬度 9.5 級的 SiC 略高一點，反復地低速磨削不僅費時，而且費力，同時也會造成刀具頻繁磨損。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，這種傳統的低效加工方式已經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，使被照射區域局部熔化、氣化，從而達到去除材料，實現劃片的過程。激光劃片是非接觸式加工，無機械應力損傷，加工方式靈活，不存在刀具損耗和水污染，設備使用維護成本低。為避免激光劃透晶圓時損傷支撐膜，采用耐高溫燒蝕的 UV 膜。

目前，激光劃片設備采用工業激光器，波長主要有 1 064 nm、532 nm、355 nm 三種，脈寬為納秒、皮秒和飛秒級。理論上，激光波長越短、脈寬越短，加工熱效應越小，有利于微細精密加工，但成本相對較高。355 nm 的紫外納秒激光器因其技術成熟、成本低、加工熱效應小，應用非常廣泛。近幾年 1 064 nm 的皮秒激光器技術發展迅速，應用到很多新領域，獲得了很好的效果。圖 1、圖 2 分別對 2 種激光器劃切 SiC 晶圓的效果進行了對比。

從圖 1、圖 2 中可以看出，355 nm 紫外激光加工熱效應小，但未完全氣化的熔渣在切割道內粘連堆積，使得切割斷面不光滑，附著的熔渣在后續工藝環節容易脫落，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，但加工熱效應太大，芯片設計中需要預留更寬的劃切道。

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，沿切割道產生縱向延伸的應力使芯片分離。這種加工方式效率高，無需貼膜去膜工序，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，劃過的部分仍然存在熔渣粘連現象，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部，形成改質層，然后通過裂片或擴膜的方式分離芯片。表面無粉塵污染，幾乎無材料損耗，加工效率高。實現隱形劃切的 2 個條件是材料對激光透明，足夠的脈沖能量產生多光子吸收。

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 1 064 nm 的激光光子能量小于碳化硅材料的吸收帶隙，在光學上呈透明特性，滿足隱形劃切的條件。實際的透過率與材料表面特性、厚度、摻雜物的種類等因素有關，以厚度 300 μm 的碳化硅拋光晶圓為例，實測 1 064 nm 激光透過率約為67%。

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

碳化硅材料解理性差，改質層的間隔不能太大。試驗采用 JHQ-611 全自動劃片機和 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。