碳化硅晶圆划片技艺盘考

高爱梅，黄卫国，韩 瑞

( 中国电子科技集团公司第四十五盘考所)

选录：

碳化硅(SiC)材料具有禁带宽度大、导热性好、载流 子 迁 移 率 高 等 优 点 ，是第 三 代 半 导 体材料的代表之一。 因其莫氏硬度大，以致划片难度增大，严重制约了碳化硅器件的范畴化发展；通过分析碳化硅的材料秉性和现存划片技艺特色，和解工艺查验，建议了几种碳化硅晶圆的划片纪律，给出工艺参数并分析各自的优时弊，得回了理念念的加工工艺。

碳化 硅 是 宽 禁 带 半 导 体 器 件 制 造 的 核 心 材料，SiC 器件具有高频、大功率、耐高温、耐发射、抗喧阗、体积小、分量轻等诸多上风，是现时硅和砷化镓等半导体材料所无法相比的，应用远景十分广袤，是中枢器件发展需要的要道材料，由于其加工难度大，一直未能得到大范畴执行应用。碳化硅材料的加工难度体现时：(1)硬度大，莫氏硬度分散 在 9.2 ～9.6；(2) 化学 稳 定 性 高 ，几 乎 不 与 任何强酸或强碱发生反应；(3) 加工缔造尚不老到。因此，围绕碳化硅晶圆划片工艺和缔造伸开盘考，对鼓励我国碳化硅新式电子元器件的发展，促进第三代半导体产业发展有着积极的道理。

1 碳化 硅 材 料 特 性

碳化硅是ⅠⅤ-ⅠⅤ族二元化合物半导体，具有很强的离子共价键，和解能量安逸，具有优厚的力学、化学性能。材料带隙即禁带能量决定了器件许多性能，包括光谱反馈、抗发射、职责温度、击穿电压等，碳化硅禁带宽度大。如最常用的 4H-SiC禁带能量是 3.23 eV，因此，具有精熟的紫外光谱反馈秉性，被用于制作紫外光电二极管。SiC 临界击穿电场比常用半导体硅和砷化镓大许多，其制作的器件具有很好的耐高压秉性。另外，击穿电场和热导率决定器件的最 大 功 率 传 输 能 力 ，SiC 热导率高达 5W/(cm·K)，比许多金属还要高，因此相配得行动念高温、大功率器件和电路。碳化硅热安逸性很好，可以职责在 300～600 ℃。碳化硅硬度高，耐磨性好，常用来研磨或切割其它材料，这就意味着碳化硅衬底的划切相配辣手。

现时，用于制作电子器件的碳化硅晶圆主要有 2 种，N 型导电晶圆厚度 150～350 μm，电阻率0.010～0.028 Ω·cm2，主要应用于发光二极管、电力电 子 行 业 的 功 率器 件 。 高纯 半 绝 缘 晶 圆 厚 度50 ～100 μm，电 阻 率 1 ×108 Ω·cm2，主 要 用 于 微波射频、氮化镓晶体管等领域。针对半导体行业应用的 SiC 晶圆划切，盘考几种加工纪律的特色及应用。

2 碳化 硅 晶 圆 划 片 方 法

2.1 砂轮 划 片

砂轮划片机是通过空气静压电主轴运行刀片高速旋转，已毕对材料的强力磨削。所用的刀片刃口镀有金刚砂颗粒，金刚砂的莫氏硬度为 10 级，只是比硬度 9.5 级的 SiC 略高极少，反复地低速磨削不仅费时，何况戮力，同期也会形成刀具畴昔磨损。如：100 mm（4 英寸）SiC 晶圆划切每片需要6～8h，且易形成崩边毛病。因此，这种传统的低效加工式样也曾徐徐被激光划片取代。

2.2 激光 全 划

激光划片是愚弄高能激光束映照工件名义，使被映照区域局部融解、气化，从而达到去除材料，已毕划片的历程。激光划片利弊宣战式加工，无机械应力毁伤，加工式样活泼，不存在刀具损耗和水欺侮，缔造使用齰舌本钱低。为幸免激光划透晶圆时毁伤相沿膜，剿袭耐高温烧蚀的 UV 膜。

现时，激光划片缔造剿袭工业激光器，波长主要有 1064 nm、532 nm、355 nm 三种 ， 脉 宽 为 纳秒、皮秒和飞秒级。表面上，激光波长越短、脉宽越短，加工热效应越小，故意于轻飘精密加工，但本钱相对较高。355 nm 的紫外纳秒激光器因其技艺老到、本钱低、加工热效应小，应用相配庸俗。近几年 1064 nm 的皮秒激光器技艺发展马上，应用到许多新领域，得回了很好的后果。图 1、图 2 区别对 2 种激光器划切 SiC 晶圆的后果进行了对比。

从图 1、图 2 中可以看出，355 nm 紫外激光加工热效应小，但未全都气化的熔渣在切割说念内粘连堆积，使得切切断面不光滑，附着的熔渣在后续工艺身手容易零碎，影响器件性能。1064 nm 的皮秒激 光 器 采 用 较 大 的 功 率 ，划 切 效 率 高 ，材 料 去除充分，断面均匀一致，但加工热效应太大，芯片策画中需要预留更宽的划切说念 。355 nm 纳秒 和1064 nm 皮秒激光器的参数偏激 2 种激光器划切准100 mm、厚 80 μmSiC 晶圆的后果如表 1 所示。

2.3 激光 半 划

激光半划适用于解感性较好的材料加工，激光划切至一定深度，然后剿袭裂片式样，沿切割说念产生纵向延长的应力使芯片分离。这种加工式样服从高，无需贴膜去膜工序，加工本钱低。但碳化硅晶圆的解感性差，不易裂片，裂开的一面貌易崩边，划过的部分仍然存在熔渣粘连阵势，如图 3 所示。

2.4 激光 隐 形 划 切

激光隐形划切是将激光聚焦在材料里面，形成改质层，然后通过裂片或扩膜的式样分离芯片。名义无粉尘欺侮，险些无材料损耗，加工服从高。已毕隐形划切的 2 个条款是材料对激光透明，饱胀的脉冲能量产生多光子经受。碳化硅在室温下的带隙能量 Eg 约为 3.2 eV，即为 5.13×10-19 J。1064 nm 激光光子能量 E = hc/λ =1.87×10-19 J。可见 1064 nm 的激光光子能量小于碳化硅材料 的经受带隙，在光学上呈透明秉性，愉快隐形划切的条款。本色的透过率与材料名义秉性、厚度、掺杂物的种类等身分关联，以厚度 300 μm 的碳化硅抛光晶圆为例，实测 1064 nm 激光透过率 约 为67%。采选脉冲宽度极短的皮秒激光，多光子经受产生的能量不调遣成热能，只在材料里面引起一定深度的改质层，改质层是材料里面裂纹区、熔融区或折射率变化区。然后通事后续的裂片工艺，晶粒将沿着改质层分离。

碳化硅材料解感性差，改质层的闭幕弗成太大。查验剿袭 JHQ-611 全自动划片机 和 350 μm厚的 SiC 晶圆，划切 22 层，划切速率 500 mm/s，裂开后的断面比较光滑，崩边小，边际整皆，如图4 所示。

2.5 水导 激 光 划 切

水导激光是将激光聚焦后导入微水柱中，水柱的直径阐发喷嘴孔径而异，有 100～30 μm 多种规格。愚弄水柱与空气界面全反射的道理，激光被导入水柱后将沿着水柱行进意见传播。在水柱守护安逸的范围内都能进行加工，超长的有用职责距离卓绝适当厚材料的切割。传统激光切割时，能量的蕴蓄和传导是形成切割说念两侧热毁伤的主要原因，而水导激光因水柱的作用，将每个脉冲残留的热量马上带走不会蕴蓄在工件上，因此切割说念干净利落。基于这些优点，表面上水导激光切割碳化硅是可以的聘请，但该技艺难度大，相干的缔造老到度不高，作为易损件的喷嘴制作难度大，如若弗成精准安逸地遗弃轻飘水柱，飞溅的水点烧蚀芯片，影响制品率。因此，该工艺现时尚未应用到碳化硅晶圆坐蓐身手中。

3 驱散 语

本文分析了现时碳化硅晶圆划片的几种工艺纪律，和解工艺查验和数据，比较各自的优劣和可行性。其中开云体育(中国)官方网站，激光隐形划片与裂片和解的加工纪律，加工服从高、工艺后果愉快坐蓐需求，是碳化硅晶圆的理念念加工式样。