中國(guó)粉體網(wǎng)訊  碳化硅功率器件的制造流程極其復(fù)雜，通常包含上百道工序，可簡(jiǎn)單分為單晶碳化硅晶圓片的制造、前端工藝和后端工藝三個(gè)步驟。其中，單晶碳化硅晶圓片的制造主要包括晶錠拉伸、晶錠切片等工藝流程，目標(biāo)獲得一定厚度的高質(zhì)量碳化硅晶圓片。而晶圓劃片切割工序是連接前端和后端工藝的一個(gè)重要工藝流程。

碳化硅功率器件工藝制造流程中的關(guān)鍵工藝

目前芯片始終朝著集成度更高和面積更小的方向發(fā)展，因此，如何提高晶圓的利用率尤為關(guān)鍵。為提高晶圓利用率和降低成本，需要減小切割道寬度，但這增加了切割難度和熱損傷風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前碳化硅晶圓主要采用刀輪切割，但因其高硬脆性，導(dǎo)致碎片率高、刀具損耗大、切割速度慢（<5mm/s）、效率低。為解決上述問(wèn)題，研究者們提出了激光燒蝕、激光熱裂解、水導(dǎo)激光切割、水射流輔助激光切割與激光內(nèi)部改質(zhì)切割等非接觸式劃片方法。

刀輪劃片切割

刀輪劃片切割是目前工業(yè)界應(yīng)用最廣泛的劃片工藝，其加工機(jī)理及工藝均較為成熟。經(jīng)過(guò)多年研究，刀輪劃片的去除機(jī)理已被廣泛研究。然而，針對(duì)碳化硅的高硬脆性，目前仍難以避免崩邊和裂紋的形成，良品率低。由于該方法存在諸多劣勢(shì)，為了提高加工質(zhì)量與效率，其他非接觸式加工方法被廣泛提出。

刀輪劃切設(shè)備和切割原理示意

激光燒蝕切割

激光燒蝕是機(jī)械晶圓切割的替代方法。激光燒蝕切割方法的加工原理是將光束聚焦于材料表面，材料吸收激光能量，晶格中原子產(chǎn)生受迫震蕩，熱運(yùn)動(dòng)加速，產(chǎn)生熱量，當(dāng)輸入能量大于材料燒蝕閾值時(shí)，材料受熱熔化、氣化后被去除。

激光燒蝕切割原理示意圖

目前而言，激光燒蝕切割掃描速度最大可達(dá)1000mm/s，加工速度快，然而，該方法仍以材料去除為主，需將激光掃描區(qū)域材料全部氣化，過(guò)高的熱輸入往往會(huì)引起極大的熱影響區(qū)、熱裂紋等熱損傷，降低了切縫質(zhì)量。

水導(dǎo)激光切割

水導(dǎo)激光切割技術(shù)，又稱激光微射流技術(shù)。水導(dǎo)激光切割原理是使用一束水射流作為激光的傳輸媒質(zhì)，該水射流束垂直于材料表面，激光傳輸至水射流束內(nèi)部后，在空氣與流束界面形成全反射，激光多次反射后其能量由高斯分布轉(zhuǎn)化為平頂分布，隨后作用在工件表面。

水導(dǎo)激光切割原理示意圖

水導(dǎo)激光加工質(zhì)量?jī)?yōu)于激光燒蝕，但加工效率遠(yuǎn)低于激光燒蝕。目前國(guó)際上主要的激光水柱集中在150mm-200mm左右，對(duì)大尺寸的SiC晶圓切割，還有一定的技術(shù)瓶頸，但6英寸以內(nèi)的已無(wú)技術(shù)瓶頸。

水射流輔助激光切割

水射流輔助激光技術(shù)區(qū)別水導(dǎo)激光技術(shù)在于，其高壓水射流束與激光束分離，不共軸。

水射流輔助激光切割設(shè)備和加工原理

水射流輔助激光切割技術(shù)與水導(dǎo)激光的優(yōu)缺點(diǎn)相近，均能有效降低激光的熱效應(yīng)，但是均受限于低實(shí)用性與低加工效率，暫時(shí)難以在碳化硅晶圓切割領(lǐng)域廣泛推廣使用。該技術(shù)主要是瑞士Synova西諾瓦公司在專門從事水導(dǎo)激光的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，國(guó)內(nèi)主要是東北院系的哈工大和長(zhǎng)春理工、西安的西電等高校在積極研發(fā)。

激光熱裂解

激光熱裂解技術(shù)分為兩步實(shí)施：首先，激光輻照材料表面，材料吸收激光能量后迅速升溫，產(chǎn)生熱膨脹擠壓周圍未受熱材料，形成壓應(yīng)力作用；其次，隨著激光掃描的進(jìn)行，材料高溫區(qū)域的溫度因熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流逐步下降，產(chǎn)生溫度梯度，在材料內(nèi)部形成拉應(yīng)力作用。當(dāng)內(nèi)部的局部應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度因子時(shí)，裂紋尖端開(kāi)始擴(kuò)張與擴(kuò)展。

激光內(nèi)部改質(zhì)切割

激光改質(zhì)切割是使用特定波長(zhǎng)的激光束通過(guò)透鏡聚焦在晶圓內(nèi)部，產(chǎn)生局部形變層即改質(zhì)層，該層主要是由孔洞、高位錯(cuò)密度層以及裂紋組成。改質(zhì)層是后續(xù)晶圓切割龜裂的起始點(diǎn)，可通過(guò)優(yōu)化激光和光路系統(tǒng)使改質(zhì)層限定在晶圓內(nèi)部，對(duì)晶圓表面和底面不產(chǎn)生熱損傷，再借用外力將裂紋引導(dǎo)至晶圓表面和底面進(jìn)而將晶圓分離成需要的尺寸。

在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)晶圓厚度和解理特性的不同，可進(jìn)行單層或多層改質(zhì)。 例如針對(duì)厚度在50μｍ左右的超薄晶圓，一層改質(zhì)層即可裂片，而對(duì)于350μｍ厚的晶圓，則需要在厚度方向不同位置多層改質(zhì)才能裂片。

小結(jié)

目前工業(yè)中碳化硅晶圓的劃片切割方法仍以金剛石刀輪劃切為主，然而該方法切割效率低、對(duì)晶圓片與刀輪均損耗大，極大的增加了碳化硅功率器件的生產(chǎn)成本；激光燒蝕切割技術(shù)雖然加工速度快，但其切割質(zhì)量較低，且對(duì)晶圓片損耗較大；水導(dǎo)激光切割與水射流輔助激光切割雖然切割質(zhì)量較高，但是其加工速度較低，且實(shí)用性較差；激光熱裂解技術(shù)加工速度雖僅次于激光燒蝕與激光內(nèi)部改質(zhì)切割技術(shù)，然而存在裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段，裂紋調(diào)控難度大。激光內(nèi)部改質(zhì)切割技術(shù)的加工速度快，且超短脈沖光源熱輸入低，加工精度高，對(duì)透明碳化硅晶圓材料加工具有明顯的優(yōu)勢(shì)，有望成為碳化硅晶圓劃片切割未來(lái)的主流技術(shù)。

來(lái)源：

劉夫等：碳化硅晶圓片劃片切割方法綜述

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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