摘 要：本文介紹了激光在碳化硅（SiC）半導(dǎo)體晶圓制程中的應(yīng)用，概括講述了激光與碳化硅相互作用的機(jī)理，并重點(diǎn)對碳化硅晶圓激光標(biāo)記、背金激光表切去除、晶粒隱切分片的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。
碳化硅是一種性能優(yōu)異的第三代半導(dǎo)體材料，具有光學(xué)性能良好、化學(xué)惰性大、物理特性優(yōu)良的特點(diǎn)，包括帶隙寬、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率高和耐高溫性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常作為新一代高頻、高功率器件的襯底材料，廣泛應(yīng)用在高端制造業(yè)領(lǐng)域，如新一代電子工業(yè)設(shè)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(yù)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(yīng)是以熱效應(yīng)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(jìn)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(dǎo)體晶圓的后道制程中，需要進(jìn)行單個(gè)晶圓的標(biāo)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(biāo)記、切割制程目前已逐漸開始使用激光加工設(shè)備來取代傳統(tǒng)機(jī)械加工設(shè)備進(jìn)行處理，具有效率高、效果好、材料損失小等優(yōu)點(diǎn)。
1、激光晶圓標(biāo)記應(yīng)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(jìn)行獨(dú)一無二的條碼標(biāo)記。傳統(tǒng)芯片標(biāo)記方式一般為油墨印刷或機(jī)械式針刻等，有效率低、耗材量大等缺點(diǎn)。激光標(biāo)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(diǎn)，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(biāo)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(yīng)用較為廣泛。皮秒紫外激光器更偏向于冷加工，打標(biāo)更清晰效果更好，適用于打標(biāo)要求較高的材料和工藝。激光通過外光路進(jìn)行傳輸、擴(kuò)束進(jìn)入振鏡掃描系統(tǒng)，最終經(jīng)過場鏡聚焦于材料表面，打標(biāo)內(nèi)容根據(jù)加工圖檔由振鏡掃描來實(shí)現(xiàn)。
碳化硅晶圓納秒紫外激光打標(biāo)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(biāo)記
2、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(jìn)行切割、分片，進(jìn)而得到一顆顆獨(dú)立的芯片進(jìn)入后道封測制程。碳化硅芯片在制作過程中需要在背面進(jìn)行鍍金（漏極）處理，因而在切割、分片時(shí)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(jī)械磨削式工藝方法優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)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(jìn)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(diǎn)在背金去除和切割分片這兩種工藝中的應(yīng)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(jī)運(yùn)動平臺以準(zhǔn)直的方式進(jìn)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(jìn)行對位，然后治具上方的激光聚焦在對應(yīng)溝道位置的晶圓片背金面進(jìn)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。
3、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(kuò)展來進(jìn)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(dǎo)致激光透射率下降，難以達(dá)到良好的隱形切割效果，因此激光需要從溝道面入射進(jìn)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(diǎn)位置進(jìn)行多次隱形切割。在這個(gè)過程中，由于碳化硅材料對于激光的折射率較大且同時(shí)需要保證不能傷到上下表面，移動焦點(diǎn)時(shí)對Z軸的精度要求非常高，通常需要增加焦點(diǎn)隨動功能，對加工面的起伏等引起的焦點(diǎn)變化進(jìn)行檢測及實(shí)時(shí)補(bǔ)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(jī)械式的劈刀裂片機(jī)來進(jìn)行分片處理。
4、結(jié)語
近年來隨著技術(shù)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(lǐng)域也在逐漸增加，華工激光把握行業(yè)發(fā)展機(jī)遇，深入研究和開發(fā)碳化硅晶圓的激光加工工藝及其應(yīng)用，目前已圍繞晶圓打標(biāo)、背金去除、激光隱形改質(zhì)切割等相關(guān)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(xué)研用長遠(yuǎn)合作計(jì)劃，對于拓展激光智能裝備市場、實(shí)現(xiàn)高端裝備國產(chǎn)化而言非常重要。（文：華工激光 馮新康）
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(xué)合作完成，科技部項(xiàng)目名稱：面向IC的超快激光高精密切割技術(shù)與裝備）
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