技術干貨 | 激光在碳化硅半導體晶圓制程中的應用

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發(fā)表時間：2024-02-28 08:26

摘要

本文介紹了激光在碳化硅（SiC）半導體晶圓制程中的應用，概括講述了激光與碳化硅相互作用的機理，并重點對碳化硅晶圓激光標記、背金激光表切去除、晶粒隱切分片的應用進行了介紹。

碳化硅是一種性能優(yōu)異的第三代半導體材料，具有光學性能良好、化學惰性大、物理特性優(yōu)良的特點，包括帶隙寬、擊穿電壓高、熱導率高和耐高溫性能強等優(yōu)點，常作為新一代高頻、高功率器件的襯底材料，廣泛應用在高端制造業(yè)領域，如新一代電子工業(yè)設備、航空航天等。尤為突出的是近年來興起且不斷壯大的新能源汽車行業(yè)，預估2025年中國新能源汽車年產(chǎn)近600萬輛，對功率芯片的需求為1000-2000顆/臺車，其中超過50%為碳化硅芯片。

在激光與碳化硅材料的相互作用中，連續(xù)激光、長脈沖激光甚至納秒級的短脈沖激光與材料發(fā)生反應是以熱效應為主，其加工原理是高功率密度的激光束聚焦在材料表面進行加熱、熔化處理。而皮秒、飛秒超短脈沖激光聚焦在材料表面是以材料等離子化去除為主，屬于非傳統(tǒng)意義上的冷加工處理。

在碳化硅半導體晶圓的后道制程中，需要進行單個晶圓的標記、切割、分片、封裝等步驟，最終成為完整的商用芯片，其中晶圓的標記、切割制程目前已逐漸開始使用激光加工設備來取代傳統(tǒng)機械加工設備進行處理，具有效率高、效果好、材料損失小等優(yōu)點。

激光晶圓標記應用

在碳化硅晶圓片的芯片制作過程中，為了具有芯片區(qū)分、追溯等功能，需要對每一顆芯片分別進行獨一無二的條碼標記。傳統(tǒng)芯片標記方式一般為油墨印刷或機械式針刻等，有效率低、耗材量大等缺點。激光標記作為一種無接觸式的加工方法，具有對芯片破壞小、加工效率高、過程無耗材的優(yōu)點，尤其在晶圓片越來越輕薄化對加工質(zhì)量和精度要求越來越高的趨勢下其優(yōu)勢更為明顯。

激光晶圓標記所用的激光器通常根據(jù)用戶需求或材料特性來選擇，對于碳化硅晶圓一般使用納秒或皮秒紫外激光器。納秒紫外激光器成本較低，適用于大多數(shù)晶圓材料，應用較為廣泛。皮秒紫外激光器更偏向于冷加工，打標更清晰效果更好，適用于打標要求較高的材料和工藝。激光通過外光路進行傳輸、擴束進入振鏡掃描系統(tǒng)，最終經(jīng)過場鏡聚焦于材料表面，打標內(nèi)容根據(jù)加工圖檔由振鏡掃描來實現(xiàn)。

碳化硅晶圓納秒紫外激光打標效果，字高1.62mm，字寬0.81mm，深度50μm，周圍突起高度5μm。

圖1 碳化硅樣品激光標記

激光背金去除加工工藝

在整片碳化硅晶圓片上完成若干數(shù)量的芯片制作后需要對其進行切割、分片，進而得到一顆顆獨立的芯片進入后道封測制程。碳化硅芯片在制作過程中需要在背面進行鍍金（漏極）處理，因而在切割、分片時需要將背金、碳化硅基底材料一起切割分開。

對于碳化硅晶圓分片工藝，傳統(tǒng)的加工方法為金剛石刀輪切割，這種機械磨削式工藝方法優(yōu)點是技術非常成熟、市場占有率很高，不足之處是加工效率低、加工過程中耗材（純水、刀具磨損等）使用量大、芯片材料損耗高等。尤其是背金去除部分，由于金屬的延展性，刀輪切割的速度需要降到很低而且容易有金屬卷曲在刀片上進而影響切割質(zhì)量。激光加工屬于無接觸式加工，過程中不需要耗材，加工效率高，加工質(zhì)量好，基于這些優(yōu)點在背金去除和切割分片這兩種工藝中的應用逐漸增多。

圖2 碳化硅樣品背金去除

背金去除激光加工工藝一般使用納秒或皮秒紫外激光器作為光源，配以合適的聚焦切割頭和精密的電機運動平臺以準直的方式進行加工，一般去除的背金厚度在10μm以下，去除寬度不小于正面溝道的一半。將碳化硅晶圓片倒置（有溝道的正面朝下，背金面朝上）于透明吸附治具上，使用下CCD通過透明治具抓取晶圓片溝道進行對位，然后治具上方的激光聚焦在對應溝道位置的晶圓片背金面進行背金去除加工。

帶有背金的碳化硅晶圓片，皮秒紫外激光背金去除效果，正面溝道寬度100μm，背金去除寬度大于50μm，去除深度約3μm。

激光隱形改質(zhì)切割工藝

背金去除工藝完成的下一道工藝流程為激光隱形改質(zhì)切割，其原理是使用聚焦物鏡將特定波長的激光束聚焦在待加工材料內(nèi)部，形成一定寬度的改質(zhì)層，且材料上下表面均無損傷，隨后在外力作用下通過裂紋擴展來進行裂片，得到需要的顆粒狀芯片。

對于背金去除的碳化硅晶圓片，去除面由于背金殘留或碳化硅損傷等原因可能會導致激光透射率下降，難以達到良好的隱形切割效果，因此激光需要從溝道面入射進行切割。碳化硅的激光隱形切割一般使用皮秒紅外激光器作為光源，近紅外波長能夠更好的透過碳化硅并聚焦在材料內(nèi)部形成改質(zhì)區(qū)。

碳化硅晶圓片厚度根據(jù)芯片需求和工藝制程從100μm到400μm不等，通常單次隱形切割的改質(zhì)區(qū)范圍不能大到足以完成高質(zhì)量的裂片，因此需要移動焦點位置進行多次隱形切割。在這個過程中，由于碳化硅材料對于激光的折射率較大且同時需要保證不能傷到上下表面，移動焦點時對Z軸的精度要求非常高，通常需要增加焦點隨動功能，對加工面的起伏等引起的焦點變化進行檢測及實時補償。

圖3 碳化硅樣品隱形切割（移動Z軸多次切割）

斷面形貌1，分片后效果

碳化硅材料硬度大，分片較困難，在隱形切割完成后使用機械式的劈刀裂片機來進行分片處理。

結(jié) 語

近年來隨著技術的發(fā)展和革新，碳化硅芯片的市場在不斷增大，制作芯片的工藝流程中可用到激光加工的領域也在逐漸增加，華工激光把握行業(yè)發(fā)展機遇，深入研究和開發(fā)碳化硅晶圓的激光加工工藝及其應用，目前已圍繞晶圓打標、背金去除、激光隱形改質(zhì)切割等相關制程推出系列“激光+智能制造”解決方案，并針對行業(yè)制定產(chǎn)學研用長遠合作計劃，對于拓展激光智能裝備市場、實現(xiàn)高端裝備國產(chǎn)化而言非常重要。

注：

[1] Lingfeng Wang, Chen Zhang, Feng Liu, Huai Zheng, Gary J. Cheng. Process mechanism of ultrafast laser multi-focal-scribing for ultrafine and effcient stealth dicing of SiC wafers. J. Appl. Phys. 2022, 128: 872. （華工激光精密事業(yè)群與武漢大學合作完成，科技部項目名稱：面向IC的超快激光高精密切割技術與裝備）

文章分類：專題報道

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