技术｜SiC晶片的断裂韧性特性及高精度激光切割技术对其的影响

碳化硅芯观察 2024-11-29 21:08

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激光隐形切割依靠局部加热和应力来产生内部改性，而无需完全穿透晶圆，它利用材料的断裂特性来实现精确切割，同时最大限度地减少表面损伤。SiC 的断裂韧性显著影响其对高精度激光切割的响应，而高精度激光切割是微电子器件制造中的一个关键工艺。由于 SiC 固有的脆性和相对较低的断裂韧性，该材料在高强度的激光应力下易受微裂纹和不受控制的裂纹扩展的影响。这些机械限制要求仔细考虑激光参数，以确保精确、无缺陷的切割。通过了解和优化激光条件，如功率、脉冲持续时间和光斑大小，制造商可以减轻不必要的损伤，实现更干净的切割。

在这里，断裂韧性的作用是双重的：它决定了材料抵抗裂纹起始的能力，并影响裂纹扩展路径，这对于控制沿期望线的分离而不引起过度的横向损伤至关重要。

在 SiC 中，裂纹可能沿晶粒或穿晶扩展，具体取决于晶粒尺寸和激光诱导应力，激光加工参数必须考虑这些不同的断裂路径。例如，在细晶粒 SiC 中，穿晶断裂占主导地位，通常需要更高的能量来引发跨晶粒裂纹扩展。

相反，粗晶粒 SiC 更容易沿晶界发生沿晶粒断裂，可能需要定制的激光设置以防止自发形成微裂纹。晶界处存在杂质或第二相会使该过程进一步复杂化，因为这些区域可能成为薄弱点，裂纹可能在此不受控制地引发，影响切割操作的精度。调整激光速度和焦点定位也有助于控制热影响区，确保裂纹遵循预定路径，而不是不规则地通过脆性微结构扩散。这种精确的调整对于避免损害分离设备的功能完整性至关重要。

SiC 在激光照射下的温度依赖性行为进一步增加了激光加工的复杂性。局部温度升高可以通过裂纹尖端附近的暂时塑性来增强断裂韧性，从而有可能提高裂纹扩展的稳定性。然而，超过临界热阈值可能会发生氧化、相变或微观结构退化，从而削弱抗断裂能力并诱发不受控制的断裂。足够的激光能量以引发受控断裂与诱发热降解或过度微裂纹的风险之间的微妙平衡与 SiC 的温度依赖性断裂行为密切相关。因此，激光加工必须平衡能量输入以优化切割精度，同时最大限度地降低热降解和机械降解的风险。

为了实现 SiC 的高精度切割，最大限度地减少不必要的开裂，并最终提高激光切割工艺的效率和质量，我们提出了以下定制指导原则：

基板准备：切割前，对 SiC 基板表面进行抛光或处理，以消除任何可能在切割过程中扩展为更大裂纹的预先存在的表面缺陷。对于更细的晶粒，光滑的表面尤其有利，因为它使激光能够遵循可预测的路径。
激光类型选择：对于 SiC 切割，超短脉冲激光（如飞秒或皮秒激光）可精确控制热影响区，是脆性材料的理想选择。纳秒激光虽然有效，但会将更多热量引入周围区域。
激光速度：较高的激光速度可以帮助管理热影响区，同时防止可能导致微裂纹的过多热量积聚。
焦点定位：将激光焦点定位在较浅的深度，距离表面约 30 μm。此设置可促进受控的表面加热，从而引导裂纹沿切割路径扩展，减少意外的横向裂纹。
脉冲频率和功率：增加脉冲频率（例如 >50 kHz）并采用适度功率，以增强切口的平滑度，同时控制裂纹方向。这种平衡可最大限度地减少粗糙边缘，并有助于保持细粒 SiC 的完整性。
短脉冲宽度：设置短脉冲宽度（例如，<10 ps）以实现精确的能量传输，将热量限制在激光路径周围的直接区域，并最大限度地减少向周围颗粒的扩散。

这些设置旨在平衡断裂韧性和激光精度，有效减少微裂纹并提高不同晶粒结构之间的切割效率。上述措施虽然在理论上旨在优化 SiC 的激光切割工艺，但仍需进行实验验证，以进一步确认其有效性并完善实际应用的参数。

本综述重点介绍了 SiC 的断裂韧性特性及其对高精度激光切割技术的重要意义。SiC 独特的硬度、热导率和低断裂韧性组合为实现可控、无损晶圆分离带来了挑战和机遇。晶粒尺寸、断裂模式和内在增韧机制等关键微观结构因素在确定 SiC 的抗断裂性能以及其在激光诱导应力下的行为方面起着核心作用。温度效应和机械各向异性进一步影响裂纹扩展路径，从而影响切割精度和可靠性。

优化激光参数（包括激光类型、激光速度、焦点定位、脉冲频率和宽度）以适应 SiC 的脆性断裂倾向对于减少微裂纹和保持设备完整性至关重要。断裂韧性测量技术的见解为改进激光加工条件、最大限度地减少热损伤和提高精度提供了宝贵的数据。通过将 SiC 的基本断裂力学与激光切割的特定需求相结合，本综述为提高切割效率提供了指导，并支持 SiC 在先进微电子和高性能系统中的扩展应用。