激光在碳化硅半导体晶圆制程中的应用

碳化硅是一种性能优异的第三代半导体材料，具有光学性能良好、化学惰性大、物理特性优良的特点，包括带隙宽、击穿电压高、热导率高和耐高温性能强等优点，常作为新一代高频、高功率器件的衬底材料，广泛应用在高端制造业领域，如新一代电子工业设备、航空航天等。尤为突出的是近年来兴起且不断壮大的新能源汽车行业，预估2025年中国新能源汽车年产近600万辆，对功率芯片的需求为1000-2000颗/台车，其中超过50%为碳化硅芯片。

在激光与碳化硅材料的相互作用中，连续激光、长脉冲激光甚至纳秒级的短脉冲激光与材料发生反应是以热效应为主，其加工原理是高功率密度的激光束聚焦在材料表面进行加热、熔化处理。而皮秒、飞秒超短脉冲激光聚焦在材料表面是以材料等离子化去除为主，属于非传统意义上的冷加工处理。

在碳化硅半导体晶圆的后道制程中，需要进行单个晶圆的标记、切割、分片、封装等步骤，最终成为完整的商用芯片，其中晶圆的标记、切割制程目前已逐渐开始使用激光加工设备来取代传统机械加工设备进行处理，具有效率高、效果好、材料损失小等优点。

激光晶圆标记应用

在整片碳化硅晶圆片上完成若干数量的芯片制作后需要对其进行切割、分片，进而得到一颗颗独立的芯片进入后道封测制程。碳化硅芯片在制作过程中需要在背面进行镀金（漏极）处理，因而在切割、分片时需要将背金、碳化硅基底材料一起切割分开。

对于碳化硅晶圆分片工艺，传统的加工方法为金刚石刀轮切割，这种机械磨削式工艺方法优点是技术非常成熟、市场占有率很高，不足之处是加工效率低、加工过程中耗材（纯水、刀具磨损等）使用量大、芯片材料损耗高等。尤其是背金去除部分，由于金属的延展性，刀轮切割的速度需要降到很低而且容易有金属卷曲在刀片上进而影响切割质量。激光加工属于无接触式加工，过程中不需要耗材，加工效率高，加工质量好，基于这些优点在背金去除和切割分片这两种工艺中的应用逐渐增多。

图2 碳化硅样品背金去除

背金去除激光加工工艺一般使用纳秒或皮秒紫外激光器作为光源，配以合适的聚焦切割头和精密的电机运动平台以准直的方式进行加工，一般去除的背金厚度在10μm以下，去除宽度不小于正面沟道的一半。将碳化硅晶圆片倒置（有沟道的正面朝下，背金面朝上）于透明吸附治具上，使用下CCD通过透明治具抓取晶圆片沟道进行对位，然后治具上方的激光聚焦在对应沟道位置的晶圆片背金面进行背金去除加工。

带有背金的碳化硅晶圆片，皮秒紫外激光背金去除效果，正面沟道宽度100μm，背金去除宽度大于50μm，去除深度约3μm。

激光隐形改质切割工艺

背金去除工艺完成的下一道工艺流程为激光隐形改质切割，其原理是使用聚焦物镜将特定波长的激光束聚焦在待加工材料内部，形成一定宽度的改质层，且材料上下表面均无损伤，随后在外力作用下通过裂纹扩展来进行裂片，得到需要的颗粒状芯片。

对于背金去除的碳化硅晶圆片，去除面由于背金残留或碳化硅损伤等原因可能会导致激光透射率下降，难以达到良好的隐形切割效果，因此激光需要从沟道面入射进行切割。碳化硅的激光隐形切割一般使用皮秒红外激光器作为光源，近红外波长能够更好的透过碳化硅并聚焦在材料内部形成改质区。

碳化硅晶圆片厚度根据芯片需求和工艺制程从100μm到400μm不等，通常单次隐形切割的改质区范围不能大到足以完成高质量的裂片，因此需要移动焦点位置进行多次隐形切割。在这个过程中，由于碳化硅材料对于激光的折射率较大且同时需要保证不能伤到上下表面，移动焦点时对Z轴的精度要求非常高，通常需要增加焦点随动功能，对加工面的起伏等引起的焦点变化进行检测及实时补偿。

                              图3  碳化硅样品隐形切割（移动Z轴多次切割）

                                       断面形貌¹，分片后效果

碳化硅材料硬度大，分片较困难，在隐形切割完成后使用机械式的劈刀裂片机来进行分片处理。

结语

近年来随着技术的发展和革新，碳化硅芯片的市场在不断增大，制作芯片的工艺流程中可用到激光加工的领域也在逐渐增加，华工激光把握行业发展机遇，深入研究和开发碳化硅晶圆的激光加工工艺及其应用，目前已围绕晶圆打标、背金去除、激光隐形改质切割等相关制程推出系列“激光+智能制造”解决方案，并针对行业制定产学研用长远合作计划，对于拓展激光智能装备市场、实现高端装备国产化而言非常重要。来源：华工激光  冯新康

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