碳化硅晶圓切割方法綜述

鄒苗苗，竇 菲

(北京工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用數(shù)理學(xué)院，北京 100124)

0 引言

SiC是目前最成熟的寬帶隙半導(dǎo)體材料，與第一代半導(dǎo)體Si和第二代半導(dǎo)體GaAs等相比，SiC晶體具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率大等優(yōu)點(diǎn)，在高功率、高溫半導(dǎo)體器件方面具有廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。根據(jù)功率的不同，碳化硅的應(yīng)用領(lǐng)域也不同。功率小于5 kW的器件主要用于家電領(lǐng)域；功率在5 kW～50 kW的碳化硅器件常用于鐵路運(yùn)輸、光伏產(chǎn)業(yè)、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域；功率在30 kW～350 kW的器件主要用于新能源汽車領(lǐng)域；功率100 kW～1 MW的器件主要用于不間斷電源；當(dāng)功率大于1 MW時(shí)主要用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。在過去的10年中，碳化硅功率設(shè)備在高功率半導(dǎo)體市場(chǎng)中所占的份額不斷增加，但由于其硬度大 (莫氏硬度為9.2) 和易脆裂等特性，晶圓切割成為碳化硅器件制造領(lǐng)域的一個(gè)瓶頸，難以滿足未來大規(guī)模的市場(chǎng)需求。因此，研究高效的碳化硅晶圓切割方法，對(duì)推動(dòng)我國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。

隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，碳化硅等硬脆性材料的切割方法也在不斷改進(jìn)。目前，切割碳化硅單晶片的方法主要有金剛石圓鋸片切割、電火花線切割、線鋸切割、激光熱應(yīng)力控制斷裂切割技術(shù) (激光熱裂切割技術(shù)) 和激光隱形切割技術(shù)等。金剛石圓鋸片切割主要分為內(nèi)圓切割和外圓切割兩種方式，但是這兩種方法切割出的碳化硅晶圓表面質(zhì)量較差、翹曲度較大、切縫寬，而且切割速度很慢、精度低、噪聲大。因此該切割方法逐漸被碳化硅晶圓加工工廠所淘汰。電火花線切割是以移動(dòng)的細(xì)線狀金屬絲作為工作電極，并在金屬絲及工件間接通脈沖電流，利用兩級(jí)間脈沖放電的電蝕作用對(duì)工件進(jìn)行切割加工[4]。但是由于電火花加工的SiC晶片的切縫寬，故存在表面燒傷層厚度大等缺點(diǎn)，此方法并不適用于加工高質(zhì)量的碳化硅材料。為了改善以上兩種方法的缺點(diǎn)，線鋸切割和激光切割等方法就被提了出來，并受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。本文在參閱了國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料后對(duì)線鋸切割、激光熱裂法切割、激光隱形切割等多種碳化硅晶片切割方法的原理及研究進(jìn)展進(jìn)行分析綜述，進(jìn)而對(duì)SiC切割方法的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 線鋸切割

1.1 游離磨料線鋸切割

游離磨料線鋸切割加工是切割線、切削液中的磨料與工件三者相互作用的復(fù)雜過程[5]，其切割機(jī)理是利用線鋸的快速運(yùn)動(dòng)將切削液中的磨料顆粒帶入鋸縫，從而使磨料顆粒達(dá)到“滾動(dòng)-壓痕”機(jī)制以去除材料[6]。其中，游離磨料多線切割的切割線多使用表面鍍Cu的不銹鋼絲(Ф150～300 μm)，單根線總長度可以達(dá)到600～800 km[7]。砂漿主要是由10～15 μm的碳化硅或金剛石和礦物油或水按一定比例混合而成。如圖1所示，砂漿從上面噴灑在線網(wǎng)上，經(jīng)過滾輪的高速運(yùn)動(dòng)，鋼絲表面的磨料在鋼絲的壓力和速度的帶動(dòng)下進(jìn)行碳化硅片的切割，多線切割后的晶圓如圖2所示。

游離磨料線鋸切割相比于傳統(tǒng)的切割方式，克服了一次只能切割一片的缺點(diǎn)，可以加工較薄的晶圓(切片厚度<0.3 mm)，而且切割的產(chǎn)率高、材料損耗小，目前已經(jīng)廣泛用于單晶和多晶碳化硅片的加工。但是這種切割方法也有很多缺點(diǎn)，例如：切割速度低、切割表面的精度低、砂漿液難回收并且會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染；另外在加工過程中游離的磨粒對(duì)鋼線也具有磨削作用，這不僅會(huì)導(dǎo)致切割出來的碳化硅晶片厚度不均勻，而且會(huì)降低線鋸的使用壽命[9]。隨著加工要求的不斷提升以及游離磨料線切割成本高、漿液循環(huán)利用較難、漿料的處理和回收成本高、污染嚴(yán)重等問題，游離切割技術(shù)在效果上已經(jīng)較難滿足加工要求[10]。

1.2 固結(jié)金剛石線鋸切割

固結(jié)金剛石線鋸切割技術(shù)是將高硬度、高耐磨性的金剛石磨粒通過電鍍、樹脂粘接、釬焊或機(jī)械鑲嵌等方法固結(jié)在切割線上，通過金剛線的高速運(yùn)動(dòng)完成對(duì)SiC晶體的切割。日本學(xué)者ChibA.Y[11]研究認(rèn)為，以鍍鎳金剛石為磨料采用電鍍制成的鋸絲 (其掃描電子顯微照片如圖3所示) 具有較高的耐磨性與耐熱性，可以優(yōu)先作為切割碳化硅晶圓的切割工具。固結(jié)磨粒的材料去除機(jī)理如圖4所示，通過電鍍的方法將金剛石磨粒固定在金剛石線上，隨著鋸絲的運(yùn)動(dòng)，磨粒直接與工件表面產(chǎn)生切割作用。根據(jù)金剛石線運(yùn)動(dòng)方式的不同，可以分為單向式、往復(fù)式和環(huán)形式三種。相較而言，往復(fù)式和環(huán)形式固結(jié)金剛石磨粒線鋸切割比單向式有更長的有效長度和更高的線鋸單位長度重復(fù)利用率，切割效率更高，目前廣泛應(yīng)用在硬脆材料切割領(lǐng)域，成為碳化硅晶圓切割的主流工藝。例如：山東大學(xué)孟磊[14]利用自制的環(huán)形電鍍金剛石線鋸加工機(jī)床對(duì)碳化硅晶體進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，研究了鋸絲速度和恒進(jìn)給力與鋸切力、材料去除率、鋸切表面粗糙度的關(guān)系，得出了增加鋸絲速度，減小工件進(jìn)給速度可以有效降低表面粗糙度的結(jié)論。西安理工大學(xué)的王昆鵬[15]基于虛擬儀器軟件LabVIEW實(shí)現(xiàn)了往復(fù)式金剛石線鋸切割系統(tǒng)線鋸縱向位移與線鋸速度、切割力數(shù)據(jù)的同步測(cè)量，建立了縱向力切割模型，并將線鋸切割實(shí)驗(yàn)和仿真分析對(duì)比，研究了往復(fù)式金剛石線鋸切割系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)切割工件表面質(zhì)量和切割力的影響。

相比游離磨料線鋸切割的“三體加工”，固結(jié)金剛石線鋸切割屬于“二體加工”，其加工效率是游離磨料線鋸切割的數(shù)倍以上[7]，而且具有切縫窄、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。但是用這種方法切割SiC等硬脆性材料時(shí)存在切割效率低、晶片表面損傷層深、線鋸磨損快等缺點(diǎn)。而且實(shí)驗(yàn)表明，鋸切直徑50 mm的SiC晶棒需耗時(shí)約23 h，且每鋸切一次晶片線鋸磨損都相當(dāng)嚴(yán)重，線鋸的嚴(yán)重磨損極大影響到線鋸的壽命和晶片的翹曲度[16]。由此可見，固結(jié)金剛石磨粒線鋸技術(shù)也不太適用于生產(chǎn)超薄大尺寸的SiC單晶片。

2 激光熱裂法

熱裂法 (Thermal Controlled Fracture method，簡稱TCFM) 是由美國學(xué)者Lumley于1971年首先提出的[17]。激光熱裂法切割原理是利用激光照射使某部分的溫度瞬間升高，材料表面會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，當(dāng)激光移開后，材料表面的溫度迅速降低，于是在激光照射前后會(huì)形成較大溫差，這使材料表面產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到破壞極限時(shí)，硬脆性材料就會(huì)沿著激光掃描路徑開始斷裂，從而完成對(duì)材料的切割。

目前，利用熱裂法進(jìn)行切割的方式主要有兩種：預(yù)制軌跡熱裂切割[18]和非預(yù)制軌跡熱裂切割[19]，切割原理分別如圖5和圖6所示。預(yù)制軌跡熱裂切割過程：先在待切割材料上設(shè)定切割軌跡，然后用激光沿著預(yù)定好的軌跡進(jìn)行掃描，激光產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)驅(qū)動(dòng)裂紋垂直方向擴(kuò)展至材料斷裂，最終完成對(duì)材料的切割(圖5)。非預(yù)制軌跡切割過程：首先在板材邊緣處預(yù)制一定深度微裂紋，然后用激光掃描產(chǎn)生的熱應(yīng)力驅(qū)動(dòng)該裂紋沿掃描軌跡擴(kuò)展直至整個(gè)板材發(fā)生斷裂，最終實(shí)現(xiàn)切割[20](圖6)。

激光熱裂切割技術(shù)是利用激光局部照射產(chǎn)生不均勻的熱膨脹，進(jìn)而產(chǎn)生特殊的拉、壓應(yīng)力場(chǎng)來控制裂紋的擴(kuò)展過程[21]。這種切割方法屬于非接觸無材料損失加工，并且具有切割斷面質(zhì)量好、切割效率高、清潔安全無污染等優(yōu)點(diǎn)。但是激光熱裂法加工硬脆性材料也有一定的局限性，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是無法對(duì)厚的(>10 mm)不透明材料進(jìn)行切割；二是只能沿著直線路徑切割，當(dāng)切割路徑為曲線、折線或非對(duì)稱直線圖案時(shí)存在切割路徑偏差問題[22]，如圖7所示。為了解決上述問題，科研人員在激光熱裂切割原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化或參數(shù)調(diào)整，形成了雙光束熱裂切割技術(shù)[24]、激光多焦點(diǎn)熱裂切割技術(shù)[25]、超短脈沖激光熱裂切割技術(shù)[26]等一系列新的切割方法，促進(jìn)了該技術(shù)在加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

3 激光隱形切割技術(shù)

隱形切割 (Stealth Dicing，簡稱SD) 技術(shù)也是在激光熱裂切割原理的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是由日本的Kumagai Masayoshi等[27]于2007年首次提出，并且研究了納秒脈沖激光對(duì)單晶/摻雜硅片、藍(lán)寶石和GaAs等晶圓的隱形切割效果。激光隱形切割的原理如圖8(a)所示，通過將光束整形過的脈沖激光的單個(gè)脈沖透過材料表面在材料內(nèi)部聚焦，在焦點(diǎn)區(qū)域能量密度較高，形成多光子吸收，使得材料內(nèi)形成改質(zhì)層。在改質(zhì)層位置材料的分子鍵被破壞，當(dāng)垂直于帶狀的改質(zhì)層施加壓力時(shí)，晶圓沿著裂紋軌跡很容易被分割。激光隱形切割技術(shù)的提出解決了切割過程中碎片、污染物和晶圓上不必要的熱損傷問題，而且隱形切割被認(rèn)為是零線寬切割[29]，比普通激光切割更快速、穩(wěn)定及可靠。隱形切割技術(shù)給大規(guī)模制備薄的碳化硅晶圓片提供了解決思路。

2012年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的張翼英等[30]分別用納秒激光、皮秒激光隱形切割藍(lán)寶石襯底材料并對(duì)切割結(jié)果進(jìn)行表征分析。研究結(jié)果表明，皮秒激光多脈沖隱形切割比利用納秒激光隱形切割和皮秒單脈沖隱形切割制備的襯底材料從而制作的二極管光輸出功率分別提高26.5%和11%，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了隱形切割對(duì)材料熱損傷降低，有效提高襯底材料光提取效率。

2016年，日本的京都大學(xué)的Eunho Kim[31]提出了一種利用飛秒激光隱形切4H-SiC的方法。首先利用馬赫-曾德爾型裝置將一束脈沖光分為兩束，然后通過50X物鏡將雙脈沖光聚焦在4H-SiC內(nèi)部并繪制激光誘導(dǎo)損傷線，最后在碳化硅板的兩個(gè)表面粘在兩個(gè)金屬板上，通過在金屬板表面上施加拉應(yīng)力從而使碳化硅晶圓分離出來。研究結(jié)果表明，該方法可以成功地實(shí)現(xiàn)了4H-SiC單晶片的剝離，而且飛秒激光切片法所產(chǎn)生的損失比傳統(tǒng)的線鋸法小4倍以上。

2019年，法國學(xué)者M(jìn)eyer，R.[32]提出了在隱形切割中加入一種超快光束整形器，由于在整形器中不涉及中間聚焦，可以形成非常高的能量，甚至可以達(dá)到焦耳能級(jí)，所以在光路中能產(chǎn)生高錐角貝塞爾光束。實(shí)驗(yàn)中在超過8 mm的傳播距離上，仍然可以保持亞波長直徑的高強(qiáng)度。這產(chǎn)生了一個(gè)具有超過10000∶1的高縱橫比的高強(qiáng)度焦點(diǎn)區(qū)域，最終在厚度達(dá)1 cm的厚玻璃中實(shí)現(xiàn)隱形切割。

2021年，中國科學(xué)院微電子研究所的張哲[33]等提出了一種新的雙激光異步切割方法來提高碳化硅晶片的切割質(zhì)量。首先利用脈沖激光沿著設(shè)計(jì)的切割線在晶片內(nèi)部引入微裂紋，然后利用連續(xù)波激光器在裂紋周圍產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而在超薄的200 μm碳化硅樣品內(nèi)部實(shí)現(xiàn)隱形切割并成功分離晶圓。該方法在切割時(shí)可以省略傳統(tǒng)碳化硅切割工藝中的斷裂工藝，在未來的碳化硅晶片切割應(yīng)用中具有巨大的工程潛力(圖9)。

北京工業(yè)大學(xué)張新平教授課題組[34]在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了飛秒激光的功率和切割速度對(duì)碳化硅晶圓切割效果的影響，實(shí)現(xiàn)了晶圓表面的15 μm深度的刻痕，該刻痕深度是市場(chǎng)上的300 μm碳化硅晶圓厚度的1/20，滿足晶圓分離的條件。未來如果實(shí)現(xiàn)分離，在滿足低成本、大規(guī)模制備的基礎(chǔ)上，相比于線鋸切割技術(shù)可以減少95%的材料浪費(fèi)。

4 總結(jié)

本文分析總結(jié)了碳化硅等硬脆性材料的切割方法，對(duì)比了幾種切割方法的優(yōu)缺點(diǎn)及存在的問題。目前工業(yè)上使用最廣泛的碳化硅切片方法為固結(jié)金剛石多線切割，利用激光熱裂方法進(jìn)行切割也形成了比較成熟的研究體系，但是這兩種方法在切割過程中都對(duì)材料造成了巨大的浪費(fèi)，提高了碳化硅的生產(chǎn)成本。激光隱形切割在SiC晶圓切割方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)碳化硅的精準(zhǔn)切割，能提高晶圓的切割質(zhì)量和切割效率，有效降低材料損耗率，為大規(guī)模制備超薄的碳化硅晶圓片提供了新思路，未來有望發(fā)展成為硬脆性材料切割的主流技術(shù)。