01
Introduktion
Tärning av skivor är en viktig del av tillverkning av halvledarenheter. Tärningsmetoden och kvaliteten påverkar direkt waferns tjocklek, grovhet, dimensioner och produktionskostnader, och har en betydande inverkan på enhetens tillverkning. Kiselkarbid, som tredje-generationens halvledarmaterial, är ett viktigt material som driver den elektriska revolutionen. Produktionskostnaden för kristallin kiselkarbid av hög-kvalitet är extremt hög, och folk hoppas generellt kunna skära ett stort kiselkarbidgöt i så många tunna kiselkarbidskivor som möjligt. Samtidigt har industrins tillväxt lett till successivt större waferstorlekar, vilket har ökat kraven på tärningsprocesser. Kiselkarbid är dock extremt hård, med en Mohs hårdhet på 9,5, näst efter diamant (10), och den är också skör, vilket gör den svår att skära. För närvarande använder industriella metoder i allmänhet slurrytrådsågning eller diamanttrådsågning. Under kapning placeras fasta trådsågar med lika mellanrum runt kiselkarbidgötet och götet kapas med sträckta trådsågar. Med hjälp av trådsågsmetoden tar det cirka 100 timmar att separera wafers från ett 6-tums göt. De resulterande skivorna har relativt breda snitt, grovare ytor och materialförluster så höga som 46 %. Detta ökar kostnaderna för att använda kiselkarbidmaterial och begränsar deras utveckling inom halvledarindustrin, vilket understryker det akuta behovet av forskning om ny teknik för skivning av kiselkarbidskivor.
Under de senaste åren har användningen av laserskärningsteknik blivit allt mer populär vid tillverkning av halvledarmaterial. Denna metod fungerar genom att använda en fokuserad laserstråle för att modifiera materialytan eller interiören och därigenom separera den. Som en icke-kontaktprocess undviker den verktygsslitage och mekanisk påfrestning. Därför förbättrar det skivans ytråhet och precision avsevärt, eliminerar behovet av efterföljande poleringsprocesser, minskar materialförluster, sänker kostnaderna och minimerar miljöföroreningar orsakade av traditionell slipning och polering. Laserskärningsteknik har länge använts för tärning av kiselgöt, men dess tillämpning inom kiselkarbidområdet är fortfarande omogen. För närvarande finns det flera huvudtekniker.
02
Vatten-Guidad laserskärning
Vatten-styrd laserteknik (Laser MicroJet, LMJ), även känd som lasermikro-jetteknik, arbetar enligt principen att fokusera en laserstråle på ett munstycke när den passerar genom en tryck-modulerad vattenkammare. En vattenstråle med lågt-tryck sprutas ut från munstycket, och på grund av skillnaden i brytningsindex vid vatten-luftgränssnittet bildas en ljusvågledare som låter lasern fortplanta sig längs med vattenflödets riktning. Detta styr en vattenstråle med högt-tryck för att bearbeta och skära materialytan. Den största fördelen med vattenstyrd laserskärning- ligger i dess skärkvalitet. Vattenflödet kyler inte bara skärområdet, vilket minskar termisk deformation och termisk skada på materialet, utan tar också bort bearbetningsskräp. Jämfört med trådsågsågning går det betydligt snabbare. Men eftersom vatten absorberar olika laservåglängder i varierande grad är laservåglängden begränsad, främst till 1064 nm, 532 nm och 355 nm.
1993 föreslog den schweiziske forskaren Beruold Richerzhagen denna teknik för första gången. Han grundade Synova, ett företag som ägnar sig åt forskning, utveckling och kommersialisering av vattenstyrd-laserteknik, som är internationellt i framkant. Inhemsk teknik ligger relativt efter, men företag som Innolight och Shengguang Silicon Research utvecklar den aktivt.
03
Stealth Dicing
Stealth Dicing (SD) är en teknik där en laser fokuseras inuti en kiselkarbidskiva genom dess yta för att bilda ett modifierat lager på önskat djup, vilket möjliggör skivseparering. Eftersom det inte finns några skärningar på skivans yta kan högre bearbetningsprecision uppnås. SD-processen med nanosekundspulslasrar har redan använts industriellt för att separera kiselskivor. Men under SD-bearbetningen av kiselkarbid inducerad av nanosekundspulslasrar är pulslängden mycket längre än kopplingstiden mellan elektroner och fononer i kiselkarbid (på pikosekundskalan), vilket resulterar i termiska effekter. Den höga termiska ingången på skivan gör inte bara att separationen är benägen att avvika från den önskade riktningen utan genererar också betydande restspänningar, vilket leder till sprickor och dålig klyvning. Därför, vid bearbetning av kiselkarbid, använder SD-processen vanligtvis ultrakorta pulslasrar, vilket avsevärt minskar termiska effekter.
Det japanska företaget DISCO har utvecklat en laserskärningsteknik som heter Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA). Till exempel, vid bearbetning av 20 mm tjocka kiselkarbidgöt med en diameter på 6-tum, ökade det produktiviteten hos kiselkarbidskivor fyrfaldigt. KABRA-processen fokuserar i huvudsak lasern inuti kiselkarbidmaterialet. Genom 'amorf-svart repetitiv absorption' sönderdelas kiselkarbiden till amorft kisel och amorft kol, vilket bildar ett skikt som fungerar som en skivseparationspunkt, känd som det svarta amorfa skiktet, som absorberar mer ljus, vilket gör det mycket lättare att separera skivorna.
Cold Split wafer-teknologin utvecklad av Siltectra, som förvärvades av Infineon, kan inte bara dela upp olika typer av göt i wafers utan också minska materialförlusten med upp till 90 %, där varje wafer förlorar så lite som 80 µm, vilket i slutändan sänker de totala produktionskostnaderna för enheten med upp till 30 %. Cold Split-tekniken involverar två steg: för det första bestrålar en laser götet för att skapa ett delamineringsskikt, vilket orsakar inre volymexpansion i kiselkarbidmaterialet, vilket genererar dragspänningar och bildar en mycket smal mikro-spricka; sedan förvandlar ett polymerkylningssteg mikro-sprickan till en huvudspricka, som så småningom separerar wafern från det återstående götet. Under 2019 utvärderade en tredje part denna teknik och mätte ytjämnheten Ra på de delade skivorna till mindre än 3 µm, med de bästa resultaten mindre än 2 µm.
Den modifierade lasertärningen som utvecklats av det kinesiska företaget Han's Laser är en laserteknik som används för att separera halvledarskivor i individuella chips eller stansar. Denna process använder också en exakt laserstråle för att skanna och bilda ett modifierat skikt inuti skivan, vilket gör att skivan kan spricka längs laserskanningsbanan under applicerad påkänning, vilket uppnår exakt separation.
Figur 5. Modifierad lasertärningsprocessflöde
För närvarande har inhemska tillverkare bemästrat slurry-baserad kiselkarbidteknik. Men slurry-tärning har hög materialförlust, låg effektivitet och allvarlig förorening, och ersätts gradvis av diamanttrådsteknik. Samtidigt sticker lasertärning ut på grund av dess prestanda och effektivitetsfördelar. Jämfört med traditionella mekaniska kontaktbearbetningsteknologier erbjuder den många fördelar, inklusive hög bearbetningseffektivitet, smala ritslinjer och hög skärtäthet, vilket gör den till en stark konkurrent för att ersätta diamanttrådsskärning. Det öppnar en ny väg för tillämpningen av nästa-generations halvledarmaterial som kiselkarbid. Med den industriella teknikens framsteg och den kontinuerliga ökningen av kiselkarbidsubstratstorlekar kommer kiselkarbidtärningstekniken att utvecklas snabbt, och effektiv lasertärning av hög-kvalitet kommer att vara en viktig trend för framtida skärning av kiselkarbid.
