碳化硅材料正逐漸被廣泛用作功率分立器件（如MOSFET和肖特基二極管等）的首選襯底材料。碳化硅襯底具有更高的擊穿電壓、更低的導(dǎo)通電阻、更快的開關(guān)速度和更高的耐熱性等優(yōu)勢。同時，擁有卓越性能的碳化硅襯底因其硬度高、脆性大等材料特性也給晶圓切割工藝帶來了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的機械切割技術(shù)存在效率低、損傷嚴重等問題，難以滿足實際需求，相比之下，激光改質(zhì)切割技術(shù)采用了激光束內(nèi)部改質(zhì)的方式進行切割，具有高效率、高精度、無損傷等優(yōu)點，因而逐漸成為了切割碳化硅這類硬度高、脆性大材料的首選技術(shù)。本文旨在深入探討激光改質(zhì)切割碳化硅晶圓的原理、優(yōu)勢、難點等方面，為相關(guān)從業(yè)者提供一些實用的參考和啟示。

碳化硅改質(zhì)切割原理

改質(zhì)切割是一種將半導(dǎo)體晶圓分離成單個芯片或晶粒的激光技術(shù)。該過程是使用精密激光束在晶圓內(nèi)部形成改質(zhì)層，使晶圓可以通過輕微外力沿激光掃描路徑精確分離。碳化硅改質(zhì)切割一般為激光掃描以及以三點折彎為主要原理的機械劈裂兩個步驟。激光掃描就是形成改質(zhì)層的過程，在這個過程里激光在指定位置精確地誘導(dǎo)材料內(nèi)部的微裂紋，均勻分布的微裂紋在材料中存在時，會使應(yīng)力場（熱應(yīng)力、機械應(yīng)力等）在微裂紋周圍產(chǎn)生集中效應(yīng)，當機械劈裂施加折彎應(yīng)力時，應(yīng)力會因為改質(zhì)層的存在而誘導(dǎo)到指定位置產(chǎn)生裂紋的擴展，從而完成晶粒的精確分離。

4H-SiC改質(zhì)切割的加工難點

目前碳化硅器件制造工藝中一般會使用晶圓面法向量相對晶體<0001>方向呈4度偏軸的襯底，使其在MOCVD過程中能夠通過臺階流（step flow）獲得低缺陷高品質(zhì)的同質(zhì)外延。但對于晶圓切割來說，偏軸使得在其中一個方向上的解理面與分離面有了4度的夾角，這個角度不僅容易導(dǎo)致改質(zhì)切割在裂紋擴展過程中的“斜裂”，也一定程度提高了機械劈裂時材料發(fā)生斷裂的臨界折彎應(yīng)力，從而增加崩邊風險。大族半導(dǎo)體改質(zhì)切割研發(fā)實驗室通過激光參數(shù)和光學整形對激光誘導(dǎo)缺陷的幾何形狀進行了大量測試，優(yōu)化出了斷裂力學上最優(yōu)的改質(zhì)切割和劈裂方案，并在此方案基礎(chǔ)上自主研發(fā)出SiC晶圓激光改質(zhì)切割設(shè)備及裂片設(shè)備，可實現(xiàn)宏觀上無斜裂的同時將劈裂崩邊率降到最低。

背面金屬化為改質(zhì)切割帶來的困難

由于MOSFET和SBD等的器件原理，碳化硅襯底背面常需要進行不同程度的金屬化以達到背面歐姆接觸導(dǎo)電的目的。對于改質(zhì)切割來說，裂紋擴展的原理并不能保證背面金屬在襯底斷開的同時沿著襯底邊緣一并裂開。一般來說，改質(zhì)切割工序中能夠呈現(xiàn)出的背金面切割質(zhì)量很大程度由背金的厚度、延展性以及與襯底的附著強度等因素決定，而這些因素又和器件減薄工藝、蒸發(fā)鍍膜、背金退火等前道工序的設(shè)計有著密切的關(guān)系。這使得傳統(tǒng)改質(zhì)切割在切割帶背金碳化硅晶圓時，僅僅通過切割段的工藝調(diào)節(jié)并沒有辦法完全排除背金粘連、撕扯等良率風險。

為了解決行業(yè)痛點，優(yōu)化碳化硅產(chǎn)品的切割工藝窗口，提高產(chǎn)品良率，大族半導(dǎo)體在行業(yè)內(nèi)率先研發(fā)出了針對背金問題的全自動SiC晶圓激光切割整套解決方案。大族半導(dǎo)體激光切割方案在改質(zhì)切割前加入一道激光劃線工序，即用大族半導(dǎo)體激光劃線機完全去除改質(zhì)切割斷裂軌跡上的背面金屬，從根本上杜絕有可能的背金粘連和撕扯問題。

大族半導(dǎo)體

SiC晶圓激光切割整套解決方案

SiC晶圓背金激光劃線機 ? ?

? SiC晶圓激光改質(zhì)切割設(shè)備 ? ?
SiC晶圓裂片設(shè)備

工藝流程： ? ?

應(yīng)用范圍： ? ?

針對SiC功率器件SiC襯底晶圓激光背金劃線、激光改質(zhì)切割、機械裂片整套解決方案

方案特點： ? ?

● 良率優(yōu)秀，方案適應(yīng)性強；

● 正背面切割品質(zhì)優(yōu)秀，適應(yīng)各種背金厚度和材質(zhì)；

● 方案穩(wěn)定成熟，魯棒性高，已大規(guī)模量產(chǎn)；

●?正背面崩邊控制優(yōu)秀；

●?無背金拉扯，粘連；

● 全自動生產(chǎn)；

● 工藝效果穩(wěn)定；

● 兼容4/6inch生產(chǎn)；

● AF焦點自動跟隨系統(tǒng)；

● SECS GEM標準接口。

加工效果： ?
?

? 切割劈裂擴膜后正面效果圖

? 切割劈裂擴膜后背面效果圖

大族半導(dǎo)體一直致力開發(fā)全球市場上最優(yōu)秀的碳化硅切割解決方案，我們在工藝設(shè)計上大膽嘗試，在技術(shù)細節(jié)上精心考究，秉持對高品質(zhì)、高效率和可持續(xù)性發(fā)展的追求，使大族半導(dǎo)體的碳化硅激光切割整體解決方案成為行業(yè)領(lǐng)先。我們有信心大族半導(dǎo)體全自動SiC晶圓激光切割整套解決方案能夠助力客戶有效地提高碳化硅襯底產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)品質(zhì)，同時實現(xiàn)更加可持續(xù)的生產(chǎn)方式。我們期待未來持續(xù)為客戶提供更多高品質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)，與客戶一起推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

編輯：黃飛

?