皮秒脈沖隱形切割碳化硅晶圓實驗研究

宋燕國，郭 旭，王嫣鸞，郝 強

（上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

近年來，碳化硅（SiC）襯底芯片憑借耐高壓、耐高溫、飽和電子漂移速度快等諸多特點在電動汽車、智能電網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)展迅速。在半導(dǎo)體器件封測環(huán)節(jié)中，晶圓襯底切割的效率和良率是影響芯片質(zhì)量和性價比的重要因素。目前，晶圓襯底的切割技術(shù)主要分為機械切割和激光切割兩大類。SiC的莫氏硬度為9.2～9.8，僅次于金剛石。當(dāng)使用機械切割SiC晶圓時，切割速度慢（2～10 mm/s）、切縫較寬（50～100 μm），且刀具損耗大。激光劃片憑借切割速度快、切縫窄、無接觸切割等優(yōu)勢，在半導(dǎo)體封測領(lǐng)域?qū)鸩饺〈鷻C械切割[1-6]。

在SiC晶圓切割方面，研究人員已使用多種激光切割技術(shù)對4H-SiC晶圓進行了劃片實驗。2015年，Savriama等[7]使用中心波長355 nm、重復(fù)頻率40 kHz、單脈沖能量125 μJ、脈沖寬度90 ns的激光半燒蝕切割了厚度為360 μm的4H-SiC晶圓，激光掃描速度26 mm/s，掃描次數(shù)2次，相應(yīng)的切割速度為13 mm/s，切縫寬度小于20 μm。同年，Nakajima等[8]使用中心波長1 045 nm、重復(fù)頻率100 kHz、單脈沖能量3.6 μJ、脈沖寬度800 fs的激光半燒蝕切割了360 μm厚度的4H-SiC晶圓，激光掃描速度100 mm/s，掃描次數(shù)3次，相應(yīng)的切割速度為33.33 mm/s，切縫損失基本可以忽略。與燒蝕切割相比，隱形切割不會在晶圓表面產(chǎn)生切割碎屑和燒熔殘渣，且切縫寬度在1 μm以內(nèi)，切縫損失可以忽略。隱形切割的原理是將激光聚焦到晶圓表面以下，在晶圓內(nèi)部的不同深度處進行逐層掃描生成單道或者多道改質(zhì)層，之后，在外張力作用下，改質(zhì)層裂紋沿垂直于晶圓表面方向擴展，使晶圓由內(nèi)向外劈裂[9]。2017年，Kim等[10]使用中心波長780 nm、重復(fù)頻率1 kHz、單脈沖能量10 μJ、脈沖寬度從220 fs到6 ps可選的激光隱形切割420 μm厚度的4H-SiC晶圓，探究了脈沖寬度對改質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光掃描速度為2 mm/s，脈沖寬度超過750 fs時，晶圓內(nèi)部開始出現(xiàn)改質(zhì)結(jié)構(gòu)，隨著脈寬從750 fs增加至6 ps，改質(zhì)結(jié)構(gòu)逐漸變長且出現(xiàn)分段現(xiàn)象。2021年，Zhang等[11]使用雙光束激光異步切割了200 μm厚度的4HSiC晶圓：首先使用一束中心波長532 nm、重復(fù)頻率20～200 kHz、最大輸出功率5 W、脈沖寬度750 fs的激光在晶圓內(nèi)部生成一道改質(zhì)層，掃描速度為3 mm/s；再使用一束中心波長1 040 nm、輸出功率8 W的連續(xù)激光加熱改質(zhì)層。該束激光產(chǎn)生的熱應(yīng)力促使改質(zhì)層裂紋沿垂直于晶圓表面方向擴展，掃描速度為1 000 mm/s。

在上述飛秒脈沖隱形切割SiC晶圓實驗中[10-12]，飛秒激光掃描速度較慢（<5 mm/s），這是因為飛秒脈沖誘導(dǎo)的改質(zhì)結(jié)構(gòu)小，需要降低掃描速度使相鄰的改質(zhì)結(jié)構(gòu)變得更加緊密，以保證晶圓的裂片效果。飛秒脈沖改質(zhì)在超短時間內(nèi)誘導(dǎo)晶圓內(nèi)部發(fā)生多光子電離和納米爆炸[12-13]，將SiC分解為非晶態(tài)Si和C，屬于冷加工。與飛秒脈沖不同，皮秒至納秒等長脈沖（>20 ps）會誘導(dǎo)晶圓發(fā)生雪崩電離[14]。在長脈沖的持續(xù)作用下，電子有足夠的時間將吸收的能量轉(zhuǎn)移到晶格中，導(dǎo)致晶格熔化甚至破裂，加大了脈沖的改質(zhì)范圍。Ohmura等[15]認為納秒脈沖的改質(zhì)層形成機制與脈沖的熱擴散有顯著關(guān)系。納秒脈沖適用于隱形切割熱導(dǎo)率較低的硅晶圓，而當(dāng)它隱形切割熱導(dǎo)率比銅高的SiC晶圓時，納秒脈沖改質(zhì)晶圓的時間過長，會對晶圓有較強的熱影響，容易損傷晶圓。如果使用脈寬介于飛秒與納秒之間的皮秒脈沖隱形切割SiC晶圓，平衡脈沖的改質(zhì)范圍和熱影響，可能會獲得高質(zhì)量、高速度的隱形切割效果。為此，本文采用自行研制的高能量皮秒脈沖光纖激光器進行隱形切割SiC晶圓實驗，探究皮秒脈沖的隱形切割質(zhì)量和速度。

1 實驗的皮秒光源制備

激光器光路圖如圖1所示。其中：Seed為全光纖皮秒選頻種子源，中心波長為1 030 nm，當(dāng)重復(fù)頻率為100 kHz時，輸出平均功率為600 μW；ISO1和ISO2為1 030 nm光纖隔離器，隔離后續(xù)放大器的回返光，插入損耗為3 dB；YDF為單模摻鐿光纖放大器，所用的增益光纖為單模保偏摻鐿光纖；HP-LD1與HP-LD2為高功率激光二極管，中心波長為976 nm，最大輸出功率為9 W；Combiner為泵浦合束器；Yb-PCF（NKT Photonics，DC-135/14-PM-Yb）為摻鐿雙包層光子晶體光纖；Lens為焦距為10 mm的透鏡； M1，M2，M3和M4為980/1 030 nm二向色鏡；HWP1為1 030 nm半波片；ISO3為1 030 nm空間隔離器，透過率為88%。

自行研制的激光器采用主振蕩功率放大技術(shù)，其光纖放大器由YDF預(yù)放大級和以Yb-PCF為增益介質(zhì)的主放大級組成。通過優(yōu)化放大器的光纖鏈路長度和使用大模場面積的雙包層光子晶體光纖，降低高能量脈沖放大過程中的受激拉曼散射等非線性效應(yīng)。重復(fù)頻率為100 kHz、輸出功率為600 μW的皮秒種子源經(jīng)YDF放大至30 mW，經(jīng)ISO2衰減至15 mW進入由HPLD1、HP-LD2、Combiner和Yb-PCF構(gòu)成的主放大級，皮秒脈沖在雙包層光子晶體光纖中被HP-LD1和HP-LD2高功率泵浦，實現(xiàn)單脈沖能量在15 μJ以上的高能量放大。

分別對脈寬為50 ps （Seed1）和74 ps （Seed2）的兩個種子脈沖進行功率放大，得到了兩個相應(yīng)的高能量皮秒光源。圖2（a）為這兩個種子源的光譜及自相關(guān)曲線。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主放大級的脈沖峰值功率達到170 kW以上時，激光器的功率長期穩(wěn)定性下降，這是由主放大級的光子晶體光纖損傷閾值限制所導(dǎo)致的。因此，為了保證激光器的輸出功率長期穩(wěn)定，將Seed1和Seed2在ISO3后的輸出功率最大值分別定為1.6 W@100 kHz和2.0W@100 kHz。圖2（b）為這兩個功率值對應(yīng)的光譜及自相關(guān)曲線。由光譜可知，Seed1放大過程中的自相位調(diào)制和受激拉曼效應(yīng)明顯比Seed2強，這是由Seed1脈寬比Seed2窄所致；由脈沖自相關(guān)曲線可知，Seed1脈寬從50 ps展寬至108 ps，Seed2從74 ps展寬至120 ps，這是由色散所致。圖2（c）為Seed1和Seed2輸出功率隨泵浦功率變化的曲線，相應(yīng)的斜率效率分別為27.8%和35.9%，其中，兩個插圖分別為Seed2放大至平均功率為2.17 W時功率穩(wěn)定性曲線，以及輸出光斑，100 h的功率峰-峰值波動為2.68%，RMS穩(wěn)定性為99.998%，光斑圓度為96%。圖2（d）為Seed1和Seed2在放大過程中脈沖寬度隨脈沖能量的變化關(guān)系，脈沖寬度隨脈沖能量單調(diào)增加，這是由自相位調(diào)制、受激拉曼散射和色散效應(yīng)共同導(dǎo)致的。我們分別將以Seed1和Seed2為種子源的高能量皮秒光源整機化（Laser1和Laser2），利用它們進行隱形切割實驗。

2 隱形切割實驗研究

2.1 隱形切割實驗方案

隱形切割是將對晶圓材料透明的激光沿垂直于晶圓表面方向聚焦到晶圓內(nèi)部，在晶圓內(nèi)部的不同深度處進行掃描生成單道或者多道改質(zhì)層，之后在外張力作用下，改質(zhì)層裂紋沿垂直于晶圓表面方向擴展，使晶圓由內(nèi)向外劈裂[9]。當(dāng)隱形切割360 μm及以上厚度的晶圓時，單道改質(zhì)層厚度相對較窄，其裂紋不足以支持晶圓的劈裂，這就需要多道不同深度的改質(zhì)層裂紋共同擴展致使晶圓分離。激光改質(zhì)具有閾值性，當(dāng)脈沖能量達到一定閾值時，材料才會發(fā)生改質(zhì)[13-14]。此外，由于晶圓存在吸收、反射、散射等光功率損耗因素，以及晶圓與空氣折射率不匹配造成焦點有球差，因此隨著焦點深度增加，晶圓內(nèi)部改質(zhì)所需要的單脈沖能量也會逐漸增大，這就要求在切割過程中要根據(jù)激光的焦點深度調(diào)整單脈沖能量。

為探究Laser1和Laser2的隱形切割質(zhì)量和速度，將激光掃描速度固定為400 mm/s。切割實驗采用單焦點隱形切割方案，分別使用Laser1和Laser2隱形切割樣片。Laser1和Laser2的最大單脈沖能量分別為16 μJ和20 μJ。隱形切割光路如圖1（b）所示：Optical gate為光閘；Objective Lens為物鏡，數(shù)值孔徑為0.65，入瞳直徑為3.5 mm。外光路的光功率總插損為35%。由于360 μm厚度的SiC晶圓常作為大功率器件的襯底，本實驗選取直徑4″、厚度（360±10） μm 的4H-SiC晶圓作為樣片。隱形切割工藝的調(diào)試參數(shù)主要有脈沖能量、焦點深度、掃描速度和掃描次數(shù)。良好的切片外觀需要多次優(yōu)化上述參數(shù)。切割速度的計算方法為激光掃描速度除以掃描次數(shù)。

2.2 切割結(jié)果與分析

實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光掃描速度為400 mm/s、掃描次數(shù)為10次時，Laser1雖然能夠得到較好的切片截面質(zhì)量，但是切片表面有損傷，如圖3（a）和圖3（b）所示。圖3（a）為切片截面圖，改質(zhì)層已按形成的順序被編為1～9道，其中第9道改質(zhì)層被激光掃描2次。當(dāng)皮秒脈沖的單脈沖能量為16 μJ時，脈沖的改質(zhì)深度只有250 μm，對應(yīng)圖3（a）中的第1道改質(zhì)層。圖3（b）為相應(yīng)的晶圓表面圖，切縫的寬度為1 μm，符合切割要求。切縫附近的發(fā)白區(qū)域是熱損傷區(qū)，這是由于晶圓內(nèi)部的近上表面區(qū)域所用的脈沖能量較大。因為第1道改質(zhì)層距離下表面相對較遠，所以需要增大靠近上表面區(qū)域的脈沖能量，加深這些區(qū)域的改質(zhì)程度，彌補近下表面區(qū)域的改質(zhì)不足，降低晶圓的劈裂難度。若降低近上表面區(qū)域所用的脈沖能量，裂片難度就會增大，切片的邊緣會出現(xiàn)崩邊問題。圖3（c）和圖3（d）分別為存在崩邊問題的切片上邊緣截面圖和相應(yīng)的邊緣表面圖?？梢钥闯?，當(dāng)出現(xiàn)崩邊問題時，切片的上邊緣截面粗糙不平，邊緣有較多毛刺，直線度≥5 μm。所以，當(dāng)激光掃描速度為400 mm/s，掃描次數(shù)為10次時，Laser1無法兼顧切片的表面質(zhì)量和邊緣質(zhì)量，相應(yīng)的切割速度為40 mm/s。

圖3 Laser1的 切割結(jié)果Fig.3 Cutting results of Laser1

當(dāng)激光掃描速度為400 mm/s、掃描次數(shù)為9次時， Laser2的切片截面圖及相應(yīng)的晶圓表面（已擴片）圖分別為圖4（a）和圖4（b）。在圖4（a）中總共有8道改質(zhì)層，其中第8道改質(zhì)層被激光掃描兩次，截面的上下邊緣非常干凈，無毛刺、無崩邊。當(dāng)Laser2輸出20 μJ能量的皮秒脈沖時，皮秒脈沖可以在晶圓內(nèi)部300 μm深度處誘導(dǎo)出改質(zhì)層，這就降低了晶圓內(nèi)部近上表面區(qū)域的改質(zhì)程度要求。在這種情況下，可以減少近上表面區(qū)域所用的脈沖能量，避免皮秒脈沖對晶圓表面造成熱損傷。如圖4（b）所示，切片的表面無熱損傷。圖4（c）為單道改質(zhì)層的局部放大圖，展示了改質(zhì)層的細節(jié)。從圖4（c）中可以看出，在同一道改質(zhì)層中，相鄰改質(zhì)點的間距為4 μm，對應(yīng)100 kHz的脈沖重復(fù)頻率和400 mm/s的掃描速度。圖4（d）為與圖4（a）相應(yīng)的切片邊緣表面圖，切片的邊緣平整光滑，沒有毛刺，直線度≤5 μm。所以，當(dāng)激光掃描速度為400 mm/s、掃描次數(shù)為9次時，Laser2可以滿足切片的截面質(zhì)量、表面質(zhì)量和邊緣直線度的實用要求，相應(yīng)的切割速度為44.44 mm/s。

圖4 Laser2的切割結(jié)果Fig.4 Cutting results of Laser2

以上結(jié)果表明，Laser2的切割質(zhì)量和速度均優(yōu)于Laser1，這主要是因為16 μJ單脈沖能量小于晶圓內(nèi)部300 μm深度處的改質(zhì)閾值，限制了Laser1的隱形切割效果。

2.3 單脈沖能量的影響

為避免晶圓表面出現(xiàn)熱損傷，我們以Laser2為光源，將激光掃描速度固定為400 mm/s，分別進行了不同單脈沖能量的激光在相同的焦點深度下掃描晶圓實驗和相同單脈沖能量的激光在不同的焦點深度下掃描晶圓實驗，通過觀察經(jīng)激光掃描后的晶圓表面熱損傷區(qū)，探究了單脈沖能量對晶圓表面質(zhì)量的影響。由于Laser2的脈寬隨單脈沖能量增加而略有展寬且激光為線偏振光，因此為排除脈寬變化帶來的干擾，在激光器的外光路中加入半波片和偏振分光棱鏡，通過旋轉(zhuǎn)半波片調(diào)節(jié)激光的單脈沖能量。

我們將激光的焦點深度設(shè)為25 μm，分別使用單脈沖能量為3 μJ、6 μJ和9 μJ的皮秒脈沖掃描晶圓，觀察晶圓表面損傷情況。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著皮秒脈沖能量的增加，晶圓表面損傷逐漸加重，如圖5所示。圖5（a）沒有表面損傷，這是因為3 μJ能量的皮秒脈沖在焦點附近產(chǎn)生的熱沖擊波較弱，沒有影響到晶圓表面。圖5（b）在激光掃描軌跡兩側(cè)附近有發(fā)白的熱損傷區(qū)，這是因為皮秒脈沖的能量過大，產(chǎn)生了較強的熱沖擊波影響到晶圓表面。圖5（c）的表面損傷最嚴重。表面發(fā)生崩裂，這是因為高能量皮秒脈沖產(chǎn)生的熱沖擊波太強，導(dǎo)致晶圓內(nèi)部釋放出大量熱應(yīng)力，這些熱應(yīng)力崩裂了晶圓表面。

圖5 焦點深度設(shè)為25 μm的晶圓表面圖Fig.5 Wafer surface results of 25 μm focal depth laser

我們將20 μJ單脈沖能量的激光分別聚焦在晶圓內(nèi)部25 μm、50 μm、100 μm、150 μm、200 μm和250 μm深度處來掃描晶圓。由圖6（a）可知，焦點深度為25 μm的晶圓表面損傷最嚴重，甚至發(fā)生了崩裂。由圖6（b）、圖6（c）和圖6（d）可知，隨著激光焦點深度的加深，晶圓表面熱損傷區(qū)逐漸減少，這是因為隨著焦點深度的增加，在焦點附近產(chǎn)生的熱沖擊波擴散到上表面的路程增大，而熱沖擊波在擴散過程中會逐漸減弱，對晶圓表面的熱影響隨之減小。由圖6（e）和圖6（f）可知，當(dāng)焦點深度超過200 μm時，晶圓表面沒有損傷。因此，調(diào)控焦點深度在200 μm以內(nèi)的激光單脈沖能量是避免晶圓表面損傷的關(guān)鍵。

圖6 20 μJ單脈沖能量的激光分別聚焦在不同深度的晶圓表面圖Fig.6 Wafer surface results of 20 μJ single-pulse-laser was focused at different depths

2.4 掃描速度的影響

為探究掃描速度對切割質(zhì)量的影響，我們分別將掃描速度設(shè)為200 mm/s、400 mm/s和800 mm/s去隱形切割晶圓。當(dāng)掃描速度為200 mm/s時，晶圓內(nèi)部的改質(zhì)點數(shù)量是掃描速度為400 mm/s的2倍。從圖7（a）可以看出，切片截面平整度明顯變差。在該掃描速度下，皮秒脈沖生成的改質(zhì)點緊密排列，相鄰脈沖的改質(zhì)范圍發(fā)生重疊，導(dǎo)致晶圓內(nèi)部出現(xiàn)過度改質(zhì)的區(qū)域。當(dāng)使用外力分裂晶圓時，過度改質(zhì)的區(qū)域更加脆弱，導(dǎo)致晶圓無法沿同一平面分離。當(dāng)掃描速度為400 mm/s時，從圖7（b）可以看出，切片截面干凈平整，無崩邊。當(dāng)掃描速度為800 mm/s時，晶圓內(nèi)部的改質(zhì)點數(shù)量是掃描速度為400 mm/s的0.5倍。從圖7（c）可以看出，切片截面的上邊緣有崩邊問題。在該掃描速度下，同一道改質(zhì)層中的相鄰改質(zhì)點的間距較大，導(dǎo)致晶圓內(nèi)部改質(zhì)不充分，增大了晶圓的分裂難度，所以容易出現(xiàn)崩邊問題。以上結(jié)果表明，掃描速度直接影響到晶圓內(nèi)部的改質(zhì)程度，過慢或過快的掃描速度都會降低晶圓的切片質(zhì)量。

圖7 切片截面圖Fig.7 Cross-section of the slice

3 結(jié) 論

利用自行研制的高能量皮秒脈沖激光器實現(xiàn)了高速度切割360 μm厚度的SiC晶圓。當(dāng)使用皮秒脈沖隱形切割晶圓時，需要根據(jù)焦點的深度調(diào)節(jié)脈沖能量，既要保證皮秒脈沖能夠在晶圓內(nèi)部誘導(dǎo)出改質(zhì)層，又要避免皮秒脈沖對晶圓表面造成熱損傷。掃描速度會影響皮秒脈沖對晶圓內(nèi)部的改質(zhì)程度，通過調(diào)整掃描速度，可以優(yōu)化晶圓內(nèi)部的改質(zhì)程度，得到高質(zhì)量的晶圓切片。實驗結(jié)果表明，中心波長為1 030 nm、重復(fù)頻率為100 kHz、單脈沖能量為20 μJ、脈沖寬度約為100 ps的皮秒脈沖能夠高質(zhì)量、高速度地切割360 μm厚度的SiC晶圓，激光掃描速度可達400 mm/s，相應(yīng)的切割速度為44.44 mm/s，高于其他SiC晶圓切割實驗研究結(jié)果。