干货分享 | 碳化硅晶圆划片技术

2.1 砂轮划片

2.2 激光全划

从图 1、图 2 中可以看出，355 nm 紫外激光加工热效应小，但未完全气化的熔渣在切割道内粘连堆积，使得切割断面不光滑，附着的熔渣在后续工艺环节容易脱落，影响器件性能。1 064 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，芯片设计中需要预留更宽的划切道。

2.3 激光半划

激光半划适用于解理性较好的材料加工，激光划切至一定深度，然后采用裂片方式，沿切割道产生纵向延伸的应力使芯片分离。这种加工方式效率高，无需贴膜去膜工序，加工成本低。但碳化硅晶圆的解理性差，不易裂片，裂开的一面容易崩边，划过的部分仍然存在熔渣粘连现象，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内部，形成改质层，然后通过裂片或扩膜的方式分离芯片。表面无粉尘污染，几乎无材料损耗，加工效率高。实现隐形划切的 2 个条件是材料对激光透明，足够的脉冲能量产生多光子吸收。

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。1 064 nm 激光光子能量 E=hc/λ=1.87×10 -19 J。可见 1 064 nm 的激光光子能量小于碳化硅材料的吸收带隙，在光学上呈透明特性，满足隐形划切的条件。实际的透过率与材料表面特性、厚度、掺杂物的种类等因素有关，以厚度 300 μm 的碳化硅抛光晶圆为例，实测 1 064 nm 激光透过率约为67%。

选用脉冲宽度极短的皮秒激光，多光子吸收产生的能量不转换成热能，只在材料内部引起一定深度的改质层，改质层是材料内部裂纹区、熔融区或折射率变化区。然后通过后续的裂片工艺，晶粒将沿着改质层分离。

碳化硅材料解理性差，改质层的间隔不能太大。试验采用 JHQ-611 全自动划片机和 350 μm厚的 SiC 晶圆，划切 22 层，划切速度 500 mm/s，裂开后的断面比较光滑，崩边小，边缘整齐，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，水柱的直径根据喷嘴孔径而异，有 100～30 μm 多种规格。利用水柱与空气界面全反射的原理，激光被导入水柱后将沿着水柱行进方向传播。

在水柱维持稳定的范围内都能进行加工，超长的有效工作距离特别适合厚材料的切割。传统激光切割时，能量的累积和传导是造成切割道两侧热损伤的主要原因，而水导激光因水柱的作用，将每个脉冲残留的热量迅速带走不会累积在工件上，因此切割道干净利落。

基于这些优点，理论上水导激光切割碳化硅是不错的选择，但该技术难度大，相关的设备成熟度不高，作为易损件的喷嘴制作难度大，如果不能精确稳定地控制微细水柱，飞溅的水滴烧蚀芯片，影响成品率。因此，该工艺目前尚未应用到碳化硅晶圆生产环节中。

基于此，2021年11月18-20日，由DT新材料主办的第六届国际碳材料大会暨产业展览会——碳化硅论坛将在上海跨国采购会展中心拉开帷幕。本届论坛设有内部研讨会、主题报告、特色展区，围绕半导体相关产业链展开，从半导体的超精密加工技术、衬底技术、高功率器件与碳基散热解决方案、到半导体电子器件前沿应用等展开话题讨论，探索金刚石应用的无限可能！