01
Введение
Нарезка пластин является важной частью производства полупроводниковых приборов. Метод и качество нарезки кубиками напрямую влияют на толщину, шероховатость, размеры и производственные затраты пластины, а также оказывают существенное влияние на изготовление устройств. Карбид кремния, полупроводниковый материал третьего-поколения, является важным материалом, способствующим революции в электротехнике. Себестоимость производства высококачественного кристаллического карбида кремния-чрезвычайно высока, и люди обычно надеются разрезать большой слиток карбида кремния на как можно больше тонких подложек карбида кремния. В то же время рост отрасли привел к постепенному увеличению размеров пластин, что повысило требования к процессам нарезки кубиками. Однако карбид кремния чрезвычайно тверд: его твердость по шкале Мооса составляет 9,5, уступая только алмазу (10), а также он хрупок, что затрудняет резку. В настоящее время в промышленных методах обычно используется распиловка шламовой проволокой или распиловка алмазной проволокой. Во время резки вокруг слитка карбида кремния размещают фиксированные проволочные пилы на равном расстоянии друг от друга, а слиток разрезают с помощью натянутых проволочных пил. При использовании метода проволочной пилы отделение пластин от слитка диаметром 6 дюймов занимает около 100 часов. Полученные пластины имеют относительно широкие разрезы, более шероховатую поверхность и потери материала до 46%. Это увеличивает стоимость использования материалов из карбида кремния и ограничивает их развитие в полупроводниковой промышленности, подчеркивая острую необходимость исследования новых технологий нарезки пластин карбида кремния.
В последние годы использование технологии лазерной резки становится все более популярным в производстве полупроводниковых материалов. Этот метод основан на использовании сфокусированного лазерного луча для изменения поверхности или внутренней части материала, тем самым отделяя его. Бесконтактный процесс позволяет избежать износа инструмента и механических напряжений. Таким образом, он значительно улучшает шероховатость и точность поверхности пластин, устраняет необходимость в последующих процессах полировки, снижает потери материала, снижает затраты и сводит к минимуму загрязнение окружающей среды, вызванное традиционным шлифованием и полировкой. Технология лазерной резки уже давно применяется для нарезки кремниевых слитков кубиками, но ее применение в области карбида кремния все еще незрело. В настоящее время существует несколько основных методик.
02
Водяная-лазерная резка под контролем воды
Лазерная технология с водным-наведением (Laser MicroJet, LMJ), также известная как технология лазерной микро-струи, основана на принципе фокусировки лазерного луча на сопле, когда он проходит через камеру с водой с модулированным давлением-. Струя воды низкого-давления выбрасывается из сопла, и за счет разницы показателей преломления на границе раздела вода-воздух образуется световой волновод, позволяющий лазеру распространяться вдоль направления потока воды. Это направляет струю воды под высоким-давлением на обработку и резку поверхности материала. Основное преимущество лазерной резки с водным-наведением заключается в качестве резки. Поток воды не только охлаждает зону резки, уменьшая термическую деформацию и термическое повреждение материала, но и удаляет обрабатываемый мусор. По сравнению с резкой канатной пилой, это происходит значительно быстрее. Однако, поскольку вода в разной степени поглощает разные длины волн лазера, длина волны лазера ограничена, в первую очередь, 1064 нм, 532 нм и 355 нм.
В 1993 году швейцарский учёный Беруольд Ришерцхаген впервые предложил эту технологию. Он основал Synova, компанию, занимающуюся исследованиями, разработками и коммерциализацией лазерных технологий с водным-наведением, которая занимает лидирующие позиции на международном уровне. Отечественные технологии относительно отстают, но такие компании, как Innolight и Shengguang Silicon Research, активно их развивают.
03
Скрытная игра в кости
Stealth Dicing (SD) — это метод, при котором лазер фокусируется внутри пластины карбида кремния через ее поверхность, чтобы сформировать модифицированный слой на желаемой глубине, позволяющий разделить пластину. Поскольку на поверхности пластины нет разрезов, можно достичь более высокой точности обработки. Процесс SD с использованием наносекундных импульсных лазеров уже используется в промышленности для разделения кремниевых пластин. Однако при обработке СД карбида кремния, индуцированной наносекундными импульсными лазерами, длительность импульса намного превышает время связи между электронами и фононами в карбиде кремния (в пикосекундном масштабе), что приводит к тепловым эффектам. Высокая тепловая нагрузка на пластину не только делает разделение склонным к отклонению от желаемого направления, но также создает значительные остаточные напряжения, приводящие к трещинам и плохому скалыванию. Поэтому при обработке карбида кремния в процессе СД обычно используются лазеры ультракоротких импульсов, что значительно снижает тепловые эффекты.
Японская компания DISCO разработала технологию лазерной резки под названием Key Amorphous-Black Repetitive Absorbion (KABRA). Например, при обработке слитков карбида кремния диаметром 6- дюймов и толщиной 20 мм производительность пластин карбида кремния увеличилась в четыре раза. Процесс KABRA по сути фокусирует лазер внутри карбидокремниевого материала. В результате «аморфно-черного повторяющегося поглощения» карбид кремния разлагается на аморфный кремний и аморфный углерод, образуя слой, который служит точкой разделения пластин, известный как черный аморфный слой, который поглощает больше света, что значительно облегчает разделение пластин.
Технология Cold Split, разработанная компанией Siltectra, которую приобрела Infineon, позволяет не только разделить различные типы слитков на пластины, но и сократить потери материала до 90 %, при этом каждая пластина теряет всего 80 мкм, что в конечном итоге снижает общие затраты на производство устройств до 30 %. Технология холодного разделения включает в себя два этапа: во-первых, слиток облучается лазером для создания слоя расслоения, вызывающего внутреннее объемное расширение карбидокремниевого материала, что создает растягивающее напряжение и образует очень узкую микро-трещину; затем этап охлаждения полимера превращает микро-трещину в основную трещину, в конечном итоге отделяя пластину от оставшегося слитка. В 2019 году третья сторона провела оценку этой технологии и измерила шероховатость поверхности Ra разделенных пластин, которая составила менее 3 мкм, при этом наилучшие результаты составили менее 2 мкм.
Модифицированная лазерная нарезка кубиками, разработанная китайской компанией Han's Laser, представляет собой лазерную технологию, используемую для разделения полупроводниковых пластин на отдельные чипы или матрицы. В этом процессе также используется точный лазерный луч для сканирования и формирования модифицированного слоя внутри пластины, что позволяет пластине растрескиваться по пути лазерного сканирования под приложенным напряжением, обеспечивая точное разделение.
Рисунок 5. Модифицированная схема процесса лазерной резки
В настоящее время отечественные производители освоили технологию нарезки кубиками-на основе карбида кремния. Однако нарезка кубиками из суспензии имеет высокие потери материала, низкую эффективность и сильное загрязнение, и постепенно заменяется технологией нарезки кубиками с алмазной проволокой. В то же время лазерная резка кубиками выделяется своими преимуществами в производительности и эффективности. По сравнению с традиционными технологиями механической контактной обработки она предлагает множество преимуществ, в том числе высокую эффективность обработки, узкие линии разметки и высокую плотность пропила, что делает ее сильным конкурентом для замены нарезки алмазной проволокой. Это открывает новый путь для применения полупроводниковых материалов следующего-поколения, таких как карбид кремния. С развитием промышленных технологий и постоянным увеличением размеров подложек из карбида кремния технология резки карбида кремния будет быстро развиваться, и эффективная,-качественная лазерная нарезка кубиками станет важной тенденцией для будущей резки карбида кремния.
