激光冷分離工藝技術(shù)基礎(chǔ)研究

李 斌，高小虎，邢旻

( 中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

激光冷分離技術(shù)最早應(yīng)用于SiC 芯片的隱形劃切，是指將激光聚焦在材料內(nèi)部，形成改質(zhì)層，然后通過裂片或擴(kuò)膜的方式分離芯片。其加工表面無粉塵污染，幾乎無材料損耗，加工效率高。實(shí)現(xiàn)隱形劃切的兩個條件是材料對激光透明，足夠的脈沖能量產(chǎn)生多光子吸收[1]。

本文研究的是采用激光冷分離技術(shù)進(jìn)行SiC晶棒的切割，利用超短脈寬激光聚焦在SiC 晶棒內(nèi)部進(jìn)行隱形打點(diǎn)，形成改質(zhì)層平面，然后在SiC晶棒上涂覆特制的化合物冷凍膠，再放入冷凍室，材料遇冷收縮，晶棒表層與晶棒體其余部分產(chǎn)生剪切力，使表層部分從晶棒上分離下來，從而形成SiC 晶圓襯底。該技術(shù)幾乎無材料損耗，分離出的晶圓平面度高，具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[2]。

1 應(yīng)用背景

SiC 是寬禁帶半導(dǎo)體器件制造的核心材料，由其作襯底制造的器件具有高頻大功率、耐高溫、耐輻射、抗干擾、體積小、質(zhì)量輕等諸多優(yōu)勢，是目前硅和砷化鎵等半導(dǎo)體材料所無法比擬的。

晶圓襯底制備是SiC 器件生產(chǎn)過程中的重要工序，SiC 屬于硬脆材料，莫氏硬度達(dá)到9.5，內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)同向性，分子間結(jié)合力大，切割難度大。目前業(yè)內(nèi)基本采用金剛線多線切割的方式分離晶圓，通過鍍有金剛砂的金屬絲高速往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)磨削切割，一次可以切割上百片晶圓，優(yōu)點(diǎn)是工藝成熟，設(shè)備簡單，缺點(diǎn)是加工效率低，材料損耗大[3]。加工1 根直徑150 mm 的晶棒往往需要幾天，在此期間設(shè)備的任何故障都可能造成材料的損壞，而金屬絲的線徑會造成至少200 μm 以上的材料損耗，且由于線弓的存在，切割后的晶圓表面不可避免的存在線痕和隱裂，需要進(jìn)行雙面研磨拋光，大約需要去除100 μm 厚度。隨著SiC 晶圓切割向200 mm 技術(shù)發(fā)展，激光冷分離技術(shù)優(yōu)勢將進(jìn)一步擴(kuò)大，150 mm SiC 晶棒采用兩種切割方式加工的相關(guān)工藝數(shù)據(jù)對比如表1 所示。

表1 冷分離與多線切割工藝數(shù)據(jù)對比

2 激光冷分離工藝流程

激光冷分離工藝流程主要包括如圖1 所示的幾個環(huán)節(jié)：激光隱形打點(diǎn)→激光開槽→涂化合物膠→貼藍(lán)膜→冷凍分離→浸泡去藍(lán)膜→晶圓收集→晶棒拋光。

圖1 激光冷分離工藝流程

對應(yīng)的加工設(shè)備主要包括激光隱形切割設(shè)備、激光開槽設(shè)備、涂膠設(shè)備、冷凍分離設(shè)備、貼膜設(shè)備、清洗設(shè)備、拋光設(shè)備，這些設(shè)備均需要在原有功能基礎(chǔ)上進(jìn)行定制化改造，需要設(shè)備廠商根據(jù)工藝需要進(jìn)行技術(shù)升級，并開發(fā)一體機(jī)解決方案。

3 激光冷分離工藝中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超短脈寬激光隱形打點(diǎn)定位系統(tǒng)

相對于傳統(tǒng)的激光燒蝕切割，隱形切割是運(yùn)用激光的多光子吸收特性，將激光聚焦在材料內(nèi)部形成一個改質(zhì)層，使材料由結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)合緊密的不易于分?jǐn)嗟恼w改變成結(jié)合松散、易于分?jǐn)嗟拇嗳跽w，然后利用貼片膜擴(kuò)展時的張力使被切割材料分開。正是利用隱形切割的原理，采用超短脈寬激光對晶棒上部光潔表面進(jìn)行隱形打點(diǎn)，形成一層隱形改質(zhì)層點(diǎn)平面，隱形點(diǎn)的深度就是要分離晶圓片的厚度，隱形點(diǎn)在平面上的Z 向分布決定了分離后晶圓面的平面度，點(diǎn)陣分布越密集，晶圓的平面度越好，如圖2 所示[4]。

圖2 激光隱形打點(diǎn)原理

3.2 激光開槽系統(tǒng)

激光聚焦在材料內(nèi)部進(jìn)行隱形打點(diǎn)時，由于光束折射的原因，在晶棒邊緣存在無法打點(diǎn)的區(qū)域，寬度與隱形打點(diǎn)的深度有關(guān)，約200 μm，因此需要在晶棒圓周面分離線上進(jìn)行激光開槽，切割深度至打點(diǎn)位置，便于分離。355 nm 的紫外激光切割是理想的選擇，重點(diǎn)研究裝夾晶棒的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，以及旋轉(zhuǎn)速度與激光切割速度的優(yōu)化匹配，從而保證后續(xù)晶圓的完整分離，如圖3 所示。

圖3 側(cè)面開槽切割

3.3 晶棒涂膠系統(tǒng)

完成激光打點(diǎn)工藝后，在晶棒的入光面涂覆一層特殊的化合物冷凍膠，膠的涂覆厚度與晶圓分離厚度有關(guān)。考慮采用卡盤固定方式裝夾晶棒，重點(diǎn)研究涂膠臺的旋轉(zhuǎn)速度、加速度與涂膠厚度、均勻性等參數(shù)的作用關(guān)系，如圖4 所示。

圖4 晶棒涂膠系統(tǒng)

3.4 晶圓冷凍分離系統(tǒng)

冷凍是實(shí)現(xiàn)晶圓分離的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涂覆有膠的晶圓貼膜放入冷凍室，通過快速冷卻完成晶圓與晶棒自動分離，重點(diǎn)考慮密封性、安全性、廢棄處理等因素，如圖5 所示。

圖5 晶圓冷凍分離

4 激光冷分離的難點(diǎn)技術(shù)

4.1 密集陣列式激光束設(shè)計(jì)技術(shù)

能實(shí)現(xiàn)激光隱形劃切的兩個必要條件是加工材料對特定波長的激光透明，同時該激光在材料內(nèi)部能夠發(fā)生多光子吸收。理論上講，當(dāng)光子能量hν 低于材料的吸收帶隙Eg時，光學(xué)上呈透明，也就是不吸收。因此，材料產(chǎn)生吸收的條件是hν＞Eg，即使光學(xué)上呈透明，在激光的強(qiáng)度非常大時，以nhν＞Eg的條件（n=2，3，4...），材料中也會產(chǎn)生吸收，這一現(xiàn)象被稱為多光子吸收。對厚度200 μm的碳化硅片，當(dāng)波長大于1 000 nm 時，穿透率達(dá)到90%左右。選擇波長為1 064 nm 的固體激光器，從理論上滿足了實(shí)現(xiàn)碳化硅材料內(nèi)部劃切的條件[5]。為實(shí)現(xiàn)晶圓分離，內(nèi)部劃切線越密集，分離晶圓的厚度誤差越小，但密集的切割線分布必然耗費(fèi)較長的時間，采用大功率激光進(jìn)行分光設(shè)計(jì)，多束激光同時加工能夠有效提高加工效率，多光束的能量均勻性、光束間隔的穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)解決的問題，如圖6 所示。

圖6 激光光束設(shè)計(jì)

4.2 激光快速精密掃描技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)高效的晶圓分離，激光束照射掃描的速度、掃描軌跡與激光能量等因素需要協(xié)同匹配，才能達(dá)到最優(yōu)效率。激光掃描打點(diǎn)的均勻性、焦平面的一致性直接影響著分離層的平面度。為確保不存在掃描死角，使分離改質(zhì)層的所有區(qū)域被均勻照射，一方面保證激光焦點(diǎn)的精密調(diào)節(jié)、光束指向性和能量長期穩(wěn)定，同時高平面度的工作承片臺能夠均勻吸附晶圓，從而實(shí)現(xiàn)激光快速精密掃描，如圖7 所示。

4.3 晶圓快速冷卻分離技術(shù)

實(shí)現(xiàn)晶圓分離的重要環(huán)節(jié)是冷凍分離，涂覆有化合物膠的晶棒在密閉的冷凍室驟然遇冷收縮，使改質(zhì)層面的晶格斷裂，晶圓從晶棒上完全分離。冷凍分離室的溫度、升/ 降溫時間、真空壓力等參數(shù)的準(zhǔn)確控制是保證晶圓完整分離的重要因素，同時需要考慮晶圓的收集方式。冷分離工藝技術(shù)也是保證良好表面粗糙度及晶圓翹曲度的關(guān)鍵要素。

5 未來發(fā)展趨勢

SiC 材料的禁帶寬度大約為硅材料的3 倍，且硅材料的極限溫度不足SiC 材料的1/2，這些物理特性使得SiC 材料更好地應(yīng)用于高壓、高溫環(huán)境；相比于硅基器件，同等性能的SiC 器件尺寸更小、質(zhì)量更輕、能量損耗更少。在高溫、高壓、高頻領(lǐng)域，SiC 將逐步替代硅器件，如5G 通訊基站、軌道交通、特高壓輸電、新能源汽車等領(lǐng)域。

SiC 功率器件應(yīng)用正處于爆發(fā)的前夜，當(dāng)前主要因?yàn)槠渚w生長周期長、生產(chǎn)成本高，激光冷分離技術(shù)能從根本上解決金剛石線切割所帶來的切割效率低下、晶圓的翹曲彎曲和損傷等問題，能顯著提高SiC 襯底的產(chǎn)量[6]；同時，通過該技術(shù)，還可大幅度降低切割環(huán)節(jié)的材料損耗，降低晶圓襯底價格。并且由于激光聚焦分離面的精度較高，其切割的晶圓具有較高的表面質(zhì)量和精度，能夠進(jìn)一步降低后道研磨拋光等環(huán)節(jié)的難度，甚至減少后道的加工工序，對整個晶圓襯底制備環(huán)節(jié)的效率提升和器件制造成本降低起到積極的作用。