碳化硅材料正逐漸被廣泛用作功率分立器件（如MOSFET和肖特基二極管等）的首選襯底材料。碳化硅襯底具有更高的擊穿電壓、更低的導(dǎo)通電阻、更快的開關(guān)速度和更高的耐熱性等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，擁有卓越性能的碳化硅襯底因其硬度高、脆性大等材料特性也給晶圓切割工藝帶來了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的機(jī)械切割技術(shù)存在效率低、損傷嚴(yán)重等問題，難以滿足實(shí)際需求，相比之下，激光改質(zhì)切割技術(shù)采用了激光束內(nèi)部改質(zhì)的方式進(jìn)行切割，具有高效率、高精度、無損傷等優(yōu)點(diǎn)，因而逐漸成為了切割碳化硅這類硬度高、脆性大材料的首選技術(shù)。本文旨在深入探討激光改質(zhì)切割碳化硅晶圓的原理、優(yōu)勢(shì)、難點(diǎn)等方面，為相關(guān)從業(yè)者提供一些實(shí)用的參考和啟示。

碳化硅改質(zhì)切割原理

改質(zhì)切割是一種將半導(dǎo)體晶圓分離成單個(gè)芯片或晶粒的激光技術(shù)。該過程是使用精密激光束在晶圓內(nèi)部形成改質(zhì)層，使晶圓可以通過輕微外力沿激光掃描路徑精確分離。碳化硅改質(zhì)切割一般為激光掃描以及以三點(diǎn)折彎為主要原理的機(jī)械劈裂兩個(gè)步驟。激光掃描就是形成改質(zhì)層的過程，在這個(gè)過程里激光在指定位置精確地誘導(dǎo)材料內(nèi)部的微裂紋，均勻分布的微裂紋在材料中存在時(shí)，會(huì)使應(yīng)力場(chǎng)（熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等）在微裂紋周圍產(chǎn)生集中效應(yīng)，當(dāng)機(jī)械劈裂施加折彎應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力會(huì)因?yàn)楦馁|(zhì)層的存在而誘導(dǎo)到指定位置產(chǎn)生裂紋的擴(kuò)展，從而完成晶粒的精確分離。

4H-SiC改質(zhì)切割的加工難點(diǎn)

目前碳化硅器件制造工藝中一般會(huì)使用晶圓面法向量相對(duì)晶體<0001>方向呈4度偏軸的襯底，使其在MOCVD過程中能夠通過臺(tái)階流（step flow）獲得低缺陷高品質(zhì)的同質(zhì)外延。但對(duì)于晶圓切割來說，偏軸使得在其中一個(gè)方向上的解理面與分離面有了4度的夾角，這個(gè)角度不僅容易導(dǎo)致改質(zhì)切割在裂紋擴(kuò)展過程中的“斜裂”，也一定程度提高了機(jī)械劈裂時(shí)材料發(fā)生斷裂的臨界折彎應(yīng)力，從而增加崩邊風(fēng)險(xiǎn)。大族半導(dǎo)體改質(zhì)切割研發(fā)實(shí)驗(yàn)室通過激光參數(shù)和光學(xué)整形對(duì)激光誘導(dǎo)缺陷的幾何形狀進(jìn)行了大量測(cè)試，優(yōu)化出了斷裂力學(xué)上最優(yōu)的改質(zhì)切割和劈裂方案，并在此方案基礎(chǔ)上自主研發(fā)出SiC晶圓激光改質(zhì)切割設(shè)備及裂片設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)宏觀上無斜裂的同時(shí)將劈裂崩邊率降到最低。

背面金屬化為改質(zhì)切割帶來的困難

由于MOSFET和SBD等的器件原理，碳化硅襯底背面常需要進(jìn)行不同程度的金屬化以達(dá)到背面歐姆接觸導(dǎo)電的目的。對(duì)于改質(zhì)切割來說，裂紋擴(kuò)展的原理并不能保證背面金屬在襯底斷開的同時(shí)沿著襯底邊緣一并裂開。一般來說，改質(zhì)切割工序中能夠呈現(xiàn)出的背金面切割質(zhì)量很大程度由背金的厚度、延展性以及與襯底的附著強(qiáng)度等因素決定，而這些因素又和器件減薄工藝、蒸發(fā)鍍膜、背金退火等前道工序的設(shè)計(jì)有著密切的關(guān)系。這使得傳統(tǒng)改質(zhì)切割在切割帶背金碳化硅晶圓時(shí)，僅僅通過切割段的工藝調(diào)節(jié)并沒有辦法完全排除背金粘連、撕扯等良率風(fēng)險(xiǎn)。

為了解決行業(yè)痛點(diǎn)，優(yōu)化碳化硅產(chǎn)品的切割工藝窗口，提高產(chǎn)品良率，大族半導(dǎo)體在行業(yè)內(nèi)率先研發(fā)出了針對(duì)背金問題的全自動(dòng)SiC晶圓激光切割整套解決方案。大族半導(dǎo)體激光切割方案在改質(zhì)切割前加入一道激光劃線工序，即用大族半導(dǎo)體激光劃線機(jī)完全去除改質(zhì)切割斷裂軌跡上的背面金屬，從根本上杜絕有可能的背金粘連和撕扯問題。

大族半導(dǎo)體

SiC晶圓激光切割整套解決方案

SiC晶圓背金激光劃線機(jī) ? ?

? SiC晶圓激光改質(zhì)切割設(shè)備 ? ?
SiC晶圓裂片設(shè)備

工藝流程： ? ?

應(yīng)用范圍： ? ?

針對(duì)SiC功率器件SiC襯底晶圓激光背金劃線、激光改質(zhì)切割、機(jī)械裂片整套解決方案

方案特點(diǎn)： ? ?

● 良率優(yōu)秀，方案適應(yīng)性強(qiáng)；

● 正背面切割品質(zhì)優(yōu)秀，適應(yīng)各種背金厚度和材質(zhì)；

● 方案穩(wěn)定成熟，魯棒性高，已大規(guī)模量產(chǎn)；

●?正背面崩邊控制優(yōu)秀；

●?無背金拉扯，粘連；

● 全自動(dòng)生產(chǎn)；

● 工藝效果穩(wěn)定；

● 兼容4/6inch生產(chǎn)；

● AF焦點(diǎn)自動(dòng)跟隨系統(tǒng)；

● SECS GEM標(biāo)準(zhǔn)接口。

加工效果： ?
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? 切割劈裂擴(kuò)膜后正面效果圖

? 切割劈裂擴(kuò)膜后背面效果圖

大族半導(dǎo)體一直致力開發(fā)全球市場(chǎng)上最優(yōu)秀的碳化硅切割解決方案，我們?cè)诠に囋O(shè)計(jì)上大膽嘗試，在技術(shù)細(xì)節(jié)上精心考究，秉持對(duì)高品質(zhì)、高效率和可持續(xù)性發(fā)展的追求，使大族半導(dǎo)體的碳化硅激光切割整體解決方案成為行業(yè)領(lǐng)先。我們有信心大族半導(dǎo)體全自動(dòng)SiC晶圓激光切割整套解決方案能夠助力客戶有效地提高碳化硅襯底產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)品質(zhì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更加可持續(xù)的生產(chǎn)方式。我們期待未來持續(xù)為客戶提供更多高品質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)，與客戶一起推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

編輯：黃飛

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