01Введение
Нарезка пластин — важный этап в производстве полупроводниковых приборов. Метод и качество резки напрямую влияют на толщину, шероховатость, размеры и стоимость производства пластины, а также оказывают существенное влияние на производство устройств. Карбид кремния, полупроводниковый материал третьего-поколения, является важнейшим материалом для продвижения электрической революции. Себестоимость производства высококачественного кристаллического карбида кремния-чрезвычайно высока, и часто возникает желание разрезать большой слиток карбида кремния на как можно больше тонких подложек карбида кремния. В то же время развитие промышленности привело к увеличению размеров пластин, что повышает требования к процессам резки. Однако материал карбида кремния имеет чрезвычайно высокую твердость: твердость по шкале Мооса 9,5, уступая только самому твердому алмазу в мире (10), а также хрупкость кристаллов, что затрудняет резку. В настоящее время в отрасли обычно применяется резка шламовой проволокой или резка алмазной проволокой. Во время резки фиксированную проволочную пилу располагают через равные промежутки вокруг слитка карбида кремния и, натягивая проволочную пилу, вырезают пластины карбида кремния. Использование метода проволочной пилы для отделения пластин от слитка диаметром 6- дюймов занимает около 100 часов. Полученные пластины имеют не только относительно большой разрез, но и большую шероховатость поверхности, что приводит к потерям материала до 46%. Это увеличивает стоимость использования карбидокремниевых материалов и ограничивает его развитие в полупроводниковой промышленности, что делает актуальными исследования новых технологий резки пластин карбида кремния. В последние годы использование технологии лазерной резки становится все более популярным в производстве и обработке полупроводниковых материалов. Принцип этого метода заключается в использовании сфокусированного лазерного луча для модификации подложки с поверхности материала или внутри него, таким образом отделяя его. Поскольку это бесконтактный процесс, он позволяет избежать воздействия износа инструмента и механического напряжения. Таким образом, он значительно улучшает шероховатость поверхности и точность пластины, устраняет необходимость в последующих процессах полировки, снижает потери материала, снижает затраты и сводит к минимуму загрязнение окружающей среды, вызванное традиционными процессами шлифования и полировки. Технология лазерной резки уже давно применяется для резки кремниевых слитков, но ее применение в области карбида кремния все еще незрело, и в настоящее время доступно несколько основных технологий.
2Лазерная резка-с водным управлением
Лазерная технология с водным-наведением (Laser MicroJet, LMJ), также известная как технология лазерной микроструи, основана на принципе фокусировки лазерного луча на сопле, когда лазер проходит через камеру с водой с модулированным давлением-; из сопла выбрасывается поток воды под низким-давлением. На границе раздела воды и воздуха за счет разницы показателей преломления формируется световод, позволяющий распространяться лазеру вдоль направления потока воды, тем самым достигается резка поверхности материала за счет наведения струи воды под высоким-давлением. Основное преимущество лазеров с водным-наведением заключается в качестве резки; поток воды не только охлаждает зону резки, уменьшая термическую деформацию и повреждение материала, но и уносит обрабатываемый мусор. По сравнению с резкой канатной пилой, ее скорость значительно увеличивается. Однако поглощение водой различных длин волн различается, что ограничивает используемые длины волн лазера в основном до 1064, 532 и 355 нм. В 1993 году швейцарский ученый Беруольд Ришерцхаген впервые предложил эту технологию, а его компания Synova специализируется на исследованиях и промышленном внедрении лазеров с водным наведением, являясь технологическим лидером на международной арене, в то время как отечественные технологии относительно отстают от таких компаний, как Inno Laser и Shengguang Silicon Research активно развивается.
03Скрытность игры в кости
Технология Stealth Dicing (SD) предполагает фокусировку лазера через поверхность карбида кремния внутрь чипа, создавая модифицированный слой на желаемой глубине для достижения разделения пластин. Поскольку на поверхности пластины нет надрезов, можно достичь более высокой точности обработки. Процесс SD с использованием наносекундных импульсных лазеров применяется в промышленности для разделения кремниевых пластин. Однако при обработке СД карбида кремния, индуцированной наносекундными импульсными лазерами, возникают тепловые эффекты, поскольку длительность импульса намного превышает время связи между электронами и фононами в карбиде кремния (порядка пикосекунд). Высокая тепловая нагрузка на пластину не только приводит к отклонению разделения от желаемого направления, но также создает значительное остаточное напряжение, приводящее к трещинам и плохому скалыванию. Поэтому при обработке карбида кремния обычно используются ультра-лазерные процессы SD с ультракороткими импульсами, что значительно снижает тепловые эффекты.
Японская компания DISCO на примере обработки слитка кристалла карбида кремния диаметром 6 дюймов и толщиной 20 мм разработала технологию лазерной резки Key Amorphous-Black Repetitive Absorbion (KABRA), которая позволила увеличить производительность производства пластин карбида кремния в четыре раза. Суть процесса KABRA фокусирует лазер внутри материала карбида кремния, разлагая карбид кремния на аморфный кремний и аморфный углерод посредством «аморфного -черного повторяющегося поглощения» и формируя слой в качестве точки разделения пластины, а именно черный аморфный слой, который поглощает больше света, тем самым облегчая разделение пластины.
Технология холодного разделения пластин, разработанная компанией Siltectra, приобретенной Infineon, не только позволяет разделять на пластины различные типы слитков, но также приводит к потере всего лишь 80 мкм на пластину, сокращая потери материала на 90 % и в конечном итоге снижая общую стоимость производства устройств до 30 %. Технология холодной резки включает два этапа: сначала лазерным воздействием создается на слитке слой отслоения, вызывающий расширение карбидокремниевого материала в объеме, что создает растягивающие напряжения и образует очень узкий слой микро-трещин; затем, на этапе охлаждения полимера, эти микро-трещины превращаются в основную трещину, в конечном итоге отделяя пластину от оставшегося слитка. В 2019 году сторонняя-оценка этой технологии показала, что шероховатость поверхности Ra разделенных пластин составляла менее 3 мкм, а лучшие результаты — менее 2 мкм.
Модифицированная лазерная резка, разработанная отечественной большой семейной лазерной компанией, представляет собой лазерную технологию, которая разделяет полупроводниковые пластины на отдельные чипы или зерна. Этот процесс также включает внутреннее сканирование пластины прецизионным лазерным лучом для формирования модифицированного слоя, позволяющего пластине расширяться по пути лазерного сканирования под приложенным напряжением, обеспечивая точное разделение.
В настоящее время отечественные производители освоили технологию резки карбида кремния раствором, но потери при резке велики, эффективность низкая, а загрязнение сильное, что постепенно заменяется технологией резки алмазным канатом. В то же время преимущества лазерной резки в производительности и эффективности очевидны, предлагая множество преимуществ по сравнению с традиционными технологиями механической контактной обработки, включая высокую эффективность обработки, узкие пути нарезки и высокую плотность стружки, что делает ее сильным конкурентом для замены технологии резки алмазной проволокой и открывает новые возможности для применения полупроводниковых материалов следующего-поколения, таких как карбид кремния. С развитием промышленных технологий размер подложек из карбида кремния продолжает увеличиваться, и технология резки карбида кремния будет быстро развиваться; эффективная и высококачественная-лазерная резка станет важной тенденцией в области резки карбида кремния в будущем.
