引言

晶片切割是半導(dǎo)體器件制造的關(guān)鍵步驟，切割方式和質(zhì)量直接影響晶片的厚度、表面光滑度、尺寸和生產(chǎn)成本，同時(shí)對(duì)器件制造也有重大影響。碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料，在電子領(lǐng)域中具有重要地位。高質(zhì)量碳化硅晶體的制備成本相當(dāng)高，因此人們通常希望能夠從一個(gè)大型碳化硅晶錠中切割出盡可能多的薄碳化硅晶片襯底。而工業(yè)的發(fā)展使得晶片尺寸不斷增大，這使人們對(duì)切割工藝的要求變得更加嚴(yán)格。然而，碳化硅材料的硬度極高（莫氏硬度為9.5，僅次于世界上最硬的金剛石），同時(shí)又具有晶體的脆性，因此難以切割。

目前，在工業(yè)上通常采用砂漿線切割或鉆石線鋸切割的方法，即在碳化硅晶錠的周?chē)O(shè)置等間距的線鋸，通過(guò)拉伸線鋸以切割出碳化硅晶片。然而，使用線鋸法從直徑為6英寸的晶錠上分離晶片通常需要大約100小時(shí)，切口較大，表面粗糙度較高，材料損失高達(dá)46%。這不僅增加了碳化硅材料的成本，也限制了其在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用。因此，對(duì)于碳化硅晶片切割新技術(shù)的研究變得迫切。

近年來(lái)，激光切割技術(shù)在半導(dǎo)體材料生產(chǎn)加工中變得越來(lái)越受歡迎。這種方法的原理是使用聚焦的激光束來(lái)修飾基材的表面或內(nèi)部，從而將其分離。由于這是一種非接觸式工藝，避免了刀具磨損和機(jī)械應(yīng)力的影響。因此，它顯著提高了晶圓表面的粗糙度和精度，還消除了對(duì)后續(xù)拋光工藝的需求，減少了材料損失，降低了成本，并減少了傳統(tǒng)研磨和拋光工藝可能造成的環(huán)境污染。雖然激光切割技術(shù)早已用于硅晶錠的切割，但在碳化硅領(lǐng)域的應(yīng)用尚不成熟。目前存在以下幾種主要技術(shù)用于碳化硅的激光切割。

水導(dǎo)激光技術(shù)

水導(dǎo)激光技術(shù)（Laser MicroJet, LMJ），又稱(chēng)激光微射流技術(shù)，其原理是通過(guò)將激光束聚焦在一個(gè)噴嘴上，使其通過(guò)壓力調(diào)制的水腔，然后從噴嘴中噴出低壓水柱。由于水與空氣的折射率差異，在水與空氣的交界處形成了光波導(dǎo)，使得激光沿水流方向傳播，從而通過(guò)高壓水射流引導(dǎo)加工材料表面進(jìn)行切割。水導(dǎo)激光技術(shù)具有以下主要優(yōu)勢(shì)：

切割質(zhì)量：水導(dǎo)激光能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的切割，因?yàn)樗鞑粌H能冷卻切割區(qū)域，減少材料的熱變形和熱損傷，還能將加工碎屑帶走，保持切割區(qū)域清潔。

切割速度：與傳統(tǒng)線鋸切割相比，水導(dǎo)激光的切割速度明顯更快，提高了生產(chǎn)效率。

技術(shù)限制：然而，水導(dǎo)激光技術(shù)也存在一些技術(shù)限制，其中一個(gè)限制是激光波長(zhǎng)的選擇。由于水對(duì)不同波長(zhǎng)的激光吸收程度不同，因此水導(dǎo)激光主要采用1064nm、532nm和355nm這三種波長(zhǎng)。

水導(dǎo)激光技術(shù)最早由瑞士科學(xué)家Beruold Richerzhagen于1993年提出，并創(chuàng)建了專(zhuān)門(mén)從事水導(dǎo)激光研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的Synova公司。該公司在國(guó)際上處于技術(shù)領(lǐng)先地位。盡管?chē)?guó)內(nèi)的水導(dǎo)激光技術(shù)相對(duì)較落后，但一些國(guó)內(nèi)企業(yè)如英諾激光和晟光硅研正在積極開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研發(fā)工作，以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

圖1. 水導(dǎo)激光切割技術(shù)

隱形切割

隱形切割（Stealth Dicing, SD）是一種用于分離硅晶圓或其他材料的先進(jìn)激光加工技術(shù)。其原理是將激光透過(guò)材料的表面聚焦到材料內(nèi)部，在所需深度形成改性層，然后通過(guò)該改性層來(lái)剝離材料。與傳統(tǒng)的機(jī)械切割或線鋸切割相比，隱形切割不會(huì)在材料表面留下切口，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的加工精度。在碳化硅加工中，這種技術(shù)尤其有用。

使用帶有納秒脈沖激光器的SD工藝已經(jīng)在工業(yè)中用于分離硅晶圓。然而，在納秒脈沖激光誘導(dǎo)的SD加工碳化硅過(guò)程中，由于脈沖持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于碳化硅中電子和聲子之間的耦合時(shí)間（通常是皮秒量級(jí)），會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)。這種高熱量輸入會(huì)導(dǎo)致以下問(wèn)題：

分離偏離所需方向：高熱效應(yīng)可能導(dǎo)致分離方向偏離預(yù)期，影響加工精度。

殘余應(yīng)力：熱效應(yīng)還會(huì)引起材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，這可能導(dǎo)致晶圓斷裂或不良的解理。

為了克服這些問(wèn)題，在加工碳化硅時(shí)通常采用超短脈沖激光的SD工藝。超短脈沖激光的脈沖持續(xù)時(shí)間非常短，通常在飛秒級(jí)別，這意味著激光的作用時(shí)間非常短暫。這種短暫的作用時(shí)間使得熱效應(yīng)大大降低，從而可以實(shí)現(xiàn)更精確的分離，減少殘余應(yīng)力，提高加工質(zhì)量。因此，超短脈沖激光的SD工藝在碳化硅等材料的加工中被廣泛應(yīng)用，以滿(mǎn)足高精度和高質(zhì)量的要求。

圖2. 激光隱形切割

KABRA（關(guān)鍵無(wú)定形黑色重復(fù)吸收）是由日本的DISCO公司開(kāi)發(fā)的一種激光切割技術(shù)，用于加工碳化硅晶圓。這項(xiàng)技術(shù)在提高碳化硅晶圓的生產(chǎn)率方面取得了顯著的成就，將碳化硅材料分解成無(wú)定形硅和無(wú)定形碳，并形成一層稱(chēng)為“黑色無(wú)定形層”的吸收光層，從而實(shí)現(xiàn)了更容易的晶圓分離。

具體來(lái)說(shuō)，KABRA工藝的原理是將激光聚焦在碳化硅材料的內(nèi)部。通過(guò)一種稱(chēng)為“無(wú)定形黑色重復(fù)吸收”的過(guò)程，碳化硅材料被分解成無(wú)定形硅和無(wú)定形碳。在這個(gè)過(guò)程中，形成了一層黑色無(wú)定形層，這一層能夠吸收更多的激光能量。這個(gè)黑色無(wú)定形層成為晶圓分離的基點(diǎn)，使得分離變得更加容易。

這項(xiàng)技術(shù)的重要優(yōu)點(diǎn)在于它能夠顯著提高碳化硅晶圓的生產(chǎn)效率，可以將碳化硅晶圓的生產(chǎn)率提高四倍。這對(duì)于碳化硅材料的加工和應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)重大的突破，因?yàn)樘蓟璧挠捕群痛嘈允沟脗鹘y(tǒng)的加工方法具有挑戰(zhàn)性。通過(guò)KABRA技術(shù)，可以更有效地加工碳化硅晶圓，從而降低生產(chǎn)成本并提高制造效率。這對(duì)于半導(dǎo)體和其他高科技領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

圖3. KABRA晶圓分離

Siltectra公司開(kāi)發(fā)的冷切割（Cold Split）晶圓技術(shù)，是一項(xiàng)具有重大潛力的先進(jìn)技術(shù)，不僅能夠?qū)⒏黝?lèi)晶錠高效地分割成晶圓，而且最大程度地減少了材料損失，從而降低了最終器件的總生產(chǎn)成本。這項(xiàng)冷切割技術(shù)主要包括兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

激光照射形成剝落層：首先，激光被用來(lái)照射晶錠的表面，從而在碳化硅材料內(nèi)部形成一個(gè)剝落層。這個(gè)過(guò)程導(dǎo)致了材料內(nèi)部體積的膨脹，從而產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力，并形成了一層非常窄的微裂紋。

聚合物冷卻步驟處理微裂紋：接下來(lái)，通過(guò)聚合物冷卻步驟，這些微裂紋會(huì)被處理為一個(gè)主裂紋，最終將晶圓與剩余的晶錠分開(kāi)。這個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了高效的分離，同時(shí)最大限度地減少了材料損失。

這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)在于它能夠?qū)崿F(xiàn)非常低的材料損失，損失低至80μm，這降低了總體材料損失約90%。此外，評(píng)估結(jié)果顯示，分割后的晶圓表面粗糙度（Ra值）非常低，小于3μm，最佳情況下甚至小于2μm，這進(jìn)一步證明了該技術(shù)的高精度和高質(zhì)量。這項(xiàng)冷切割技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)以及其他需要高質(zhì)量晶圓的高科技領(lǐng)域來(lái)說(shuō)具有重要的意義，因?yàn)樗梢越档蜕a(chǎn)成本、提高效率，同時(shí)減少材料浪費(fèi)，有助于推動(dòng)晶圓制造領(lǐng)域的發(fā)展。英飛凌收購(gòu)Siltectra公司的舉措也表明了他們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的重視和看好。

改質(zhì)切割（Modification Cutting）是一種用于將半導(dǎo)體晶圓分離成單個(gè)芯片或晶粒的激光技術(shù)。這個(gè)過(guò)程使用精密的激光束在晶圓內(nèi)部進(jìn)行掃描，形成改質(zhì)層，從而使得晶圓能夠通過(guò)外加的應(yīng)力沿著激光掃描路徑進(jìn)行擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)精確的分離。具體來(lái)說(shuō)，改質(zhì)切割技術(shù)的過(guò)程如下：

激光掃描：首先，精密激光束被用來(lái)在半導(dǎo)體晶圓的內(nèi)部進(jìn)行掃描。激光束的能量密度和掃描路徑是精確控制的。

形成改質(zhì)層：激光束的作用導(dǎo)致晶圓內(nèi)部形成一個(gè)改質(zhì)層。這個(gè)改質(zhì)層通常包括改變了材料特性的區(qū)域，以使材料更容易分離。

外加應(yīng)力：接下來(lái)，通過(guò)外加的應(yīng)力，通常是在改質(zhì)區(qū)域周?chē)┘拥臋C(jī)械或熱應(yīng)力，晶圓可以沿著激光掃描路徑擴(kuò)展，這導(dǎo)致了精確的分離。

這種改質(zhì)切割技術(shù)具有精確性高、可控性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此在半導(dǎo)體晶圓分離中具有潛在的應(yīng)用前景。它可以幫助降低芯片制造過(guò)程中的損失，提高生產(chǎn)效率，并且減少材料浪費(fèi)。大族激光研發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)可能有望在半導(dǎo)體行業(yè)和其他領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

圖5. 改質(zhì)切割工藝流程

國(guó)內(nèi)廠商已經(jīng)掌握碳化硅的砂漿切割技術(shù)，但它存在損耗大、效率低、污染問(wèn)題。現(xiàn)在，金剛線切割技術(shù)逐漸取代砂漿切割，并且激光切割作為一種高效、高質(zhì)量的替代方案，正嶄露頭角。激光切割具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如高效率、窄切割路徑和高切屑密度，是金剛線切割的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。隨著碳化硅襯底尺寸的增大，激光切割技術(shù)將成為未來(lái)碳化硅切割的重要趨勢(shì)。

來(lái)源：半導(dǎo)體信息

審核編輯：湯梓紅