超薄碳化硅襯底（<100μm）切割自動(dòng)對(duì)刀技術(shù)的精度提升策略

一、引言

碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料，以其高硬度、高熱導(dǎo)率和優(yōu)異的電氣性能，在電力電子、新能源汽車(chē)及光伏等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在 SiC 襯底加工中，超?。?100μm）碳化硅襯底切割面臨諸多挑戰(zhàn)，自動(dòng)對(duì)刀技術(shù)精度對(duì)切割質(zhì)量與效率影響重大，提升其精度成為行業(yè)關(guān)鍵問(wèn)題。

二、影響自動(dòng)對(duì)刀精度的因素剖析

2.1 光學(xué)系統(tǒng)偏差

對(duì)刀系統(tǒng)的光學(xué)元件若存在質(zhì)量瑕疵，如透鏡的折射率不均勻、反射鏡表面不平整，會(huì)導(dǎo)致激光束傳播路徑偏移，使對(duì)刀光斑位置不準(zhǔn)。并且，光學(xué)組件的安裝與校準(zhǔn)誤差，哪怕僅有微小的光軸不重合，也會(huì)在對(duì)刀過(guò)程中被放大，造成顯著的對(duì)刀偏差 。例如，使用低質(zhì)量透鏡時(shí)，激光束可能在傳播 100mm 后產(chǎn)生 10μm 的偏移，這對(duì)于超薄碳化硅襯底切割來(lái)說(shuō)，足以導(dǎo)致切割位置出現(xiàn)偏差，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 切割環(huán)境干擾

溫度波動(dòng)會(huì)使切割設(shè)備的機(jī)械部件熱脹冷縮，改變對(duì)刀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸與相對(duì)位置。濕度變化可能使光學(xué)鏡片起霧，影響激光束的傳輸與聚焦。此外，外界振動(dòng)通過(guò)基礎(chǔ)傳遞至切割設(shè)備，導(dǎo)致對(duì)刀裝置抖動(dòng)，難以獲取穩(wěn)定、準(zhǔn)確的對(duì)刀信號(hào) 。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)環(huán)境溫度在一天內(nèi)波動(dòng) 5℃時(shí)，設(shè)備的關(guān)鍵部件可能會(huì)產(chǎn)生 5 - 10μm 的尺寸變化，從而干擾對(duì)刀精度。

2.3 工件特性差異

不同批次的碳化硅襯底，其表面粗糙度、反射率等光學(xué)特性存在差異。超薄襯底因厚度極薄，在切割力作用下易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致對(duì)刀時(shí)襯底實(shí)際位置與理論位置不符，增加對(duì)刀誤差 。比如，表面粗糙度較大的襯底，可能使激光反射信號(hào)產(chǎn)生散射，讓對(duì)刀系統(tǒng)誤判位置，造成對(duì)刀偏差。

三、精度提升策略探討

3.1 優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)

采用高折射率、低色散的優(yōu)質(zhì)光學(xué)元件，如螢石透鏡，減少光線傳播中的折射偏差與色差，提升激光束聚焦精度。同時(shí)，定期運(yùn)用自準(zhǔn)直儀、干涉儀等專(zhuān)業(yè)設(shè)備，對(duì)光學(xué)組件進(jìn)行精密校準(zhǔn)，確保光軸嚴(yán)格對(duì)齊，降低因組件安裝與使用損耗帶來(lái)的光軸偏差 。還可引入自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)波前傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光束波前畸變，利用變形鏡快速補(bǔ)償，維持激光在碳化硅襯底上的精準(zhǔn)聚焦 。據(jù)測(cè)試，使用優(yōu)質(zhì)光學(xué)元件并配合自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，可將激光束的聚焦精度提升至 ±1μm 以?xún)?nèi)，大大提高對(duì)刀準(zhǔn)確性。

3.2 穩(wěn)定切割環(huán)境

安裝高精度溫濕度調(diào)控設(shè)備，將切割車(chē)間的溫度控制在 22±1℃，相對(duì)濕度維持在 40% - 60%，減少環(huán)境溫濕度變化對(duì)設(shè)備與光學(xué)元件的影響。把切割設(shè)備放置在配備空氣彈簧、橡膠減振墊的隔振平臺(tái)上，隔絕外界振動(dòng)傳入，為對(duì)刀過(guò)程提供穩(wěn)定環(huán)境 。實(shí)踐表明，在穩(wěn)定的溫濕度與隔振環(huán)境下，對(duì)刀精度的穩(wěn)定性可提高 50% 以上。

3.3 自適應(yīng)對(duì)刀算法

開(kāi)發(fā)基于圖像識(shí)別、激光三角測(cè)量原理的自適應(yīng)對(duì)刀算法。在對(duì)刀前，算法快速掃描碳化硅襯底表面，根據(jù)表面特征與預(yù)設(shè)模型精確調(diào)整對(duì)刀位置。在切割過(guò)程中，持續(xù)監(jiān)測(cè)襯底狀態(tài)，實(shí)時(shí)補(bǔ)償因切割力、熱效應(yīng)導(dǎo)致的襯底變形與位置變化，確保對(duì)刀精度的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定 。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用自適應(yīng)對(duì)刀算法后，對(duì)刀精度在切割全過(guò)程中的偏差可控制在 ±2μm 以?xún)?nèi)，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)對(duì)刀方式。

高通量晶圓測(cè)厚系統(tǒng)運(yùn)用第三代掃頻OCT技術(shù)，精準(zhǔn)攻克晶圓/晶片厚度TTV重復(fù)精度不穩(wěn)定難題，重復(fù)精度達(dá)3nm以下。針對(duì)行業(yè)厚度測(cè)量結(jié)果不一致的痛點(diǎn)，經(jīng)不同時(shí)段測(cè)量驗(yàn)證，保障再現(xiàn)精度可靠。?

我們的數(shù)據(jù)和WAFERSIGHT2的數(shù)據(jù)測(cè)量對(duì)比,進(jìn)一步驗(yàn)證了真值的再現(xiàn)性：

（以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

該系統(tǒng)基于第三代可調(diào)諧掃頻激光技術(shù)，相較傳統(tǒng)雙探頭對(duì)射掃描，可一次完成所有平面度及厚度參數(shù)測(cè)量。其創(chuàng)新掃描原理極大提升材料兼容性，從輕摻到重?fù)絇型硅，到碳化硅、藍(lán)寶石、玻璃等多種晶圓材料均適用：?

對(duì)重?fù)叫凸瑁删珳?zhǔn)探測(cè)強(qiáng)吸收晶圓前后表面；?

點(diǎn)掃描第三代掃頻激光技術(shù)，有效抵御光譜串?dāng)_，勝任粗糙晶圓表面測(cè)量；?

通過(guò)偏振效應(yīng)補(bǔ)償，增強(qiáng)低反射碳化硅、鈮酸鋰晶圓測(cè)量信噪比；

（以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

支持絕緣體上硅和MEMS多層結(jié)構(gòu)測(cè)量，覆蓋μm級(jí)到數(shù)百μm級(jí)厚度范圍，還可測(cè)量薄至4μm、精度達(dá)1nm的薄膜。

（以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

此外，可調(diào)諧掃頻激光具備出色的“溫漂”處理能力，在極端環(huán)境中抗干擾性強(qiáng)，顯著提升重復(fù)測(cè)量穩(wěn)定性。

（以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

系統(tǒng)采用第三代高速掃頻可調(diào)諧激光器，擺脫傳統(tǒng)SLD光源對(duì)“主動(dòng)式減震平臺(tái)”的依賴(lài)，憑借卓越抗干擾性實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，還能與EFEM系統(tǒng)集成，滿(mǎn)足產(chǎn)線自動(dòng)化測(cè)量需求。運(yùn)動(dòng)控制靈活，適配2-12英寸方片和圓片測(cè)量。