01Introduktion
Tärning av skivor är ett viktigt steg i tillverkningen av halvledarenheter. Skärmetoden och kvaliteten påverkar direkt skivans tjocklek, grovhet, dimensioner och produktionskostnader, och har en betydande inverkan på tillverkningen av enheten. Kiselkarbid, som tredje-generationshalvledarmaterial, är ett avgörande material för att främja den elektriska revolutionen. Produktionskostnaden för kristallin kiselkarbid av hög-kvalitet är extremt hög, och det finns ofta en önskan att skära ett stort kiselkarbidgöt i så många tunna kiselkarbidskivor som möjligt. Samtidigt har den industriella utvecklingen lett till en ökning av waferstorleken, vilket ökar kraven på skärprocesser. Kiselkarbidmaterial har dock en extremt hög hårdhet, med en Mohs-hårdhet på 9,5, näst efter den hårdaste diamanten i världen (10), och det har också kristallernas bräcklighet, vilket gör det svårt att skära. För närvarande använder industrin vanligtvis slurrytrådskärning eller diamanttrådsågskärning. Vid kapning placeras en fast trådsåg med lika intervall runt kiselkarbidgötet och genom att spänna trådsågen skärs kiselkarbidskivor ut. Att använda trådsågsmetoden för att separera wafers från ett göt med en diameter på 6- tar cirka 100 timmar. De resulterande skivorna har inte bara ett relativt stort snitt utan också en större ytjämnhet, vilket leder till materialförluster så höga som 46 %. Detta ökar kostnaderna för att använda kiselkarbidmaterial och begränsar dess utveckling inom halvledarindustrin, vilket gör forskning om ny skärteknik för kiselkarbidskivor brådskande.Under de senaste åren har användningen av laserskärningsteknik blivit allt mer populär vid produktion och bearbetning av halvledarmaterial. Principen för denna metod är att använda en fokuserad laserstråle för att modifiera substratet från materialets yta eller internt och på så sätt separera det. Eftersom detta är en beröringsfri process undviker den effekterna av verktygsslitage och mekanisk påfrestning. Därför förbättrar det avsevärt ytjämnheten och precisionen hos wafern, eliminerar behovet av efterföljande poleringsprocesser, minskar materialförluster, sänker kostnaderna och minimerar miljöföroreningar orsakade av traditionella slip- och poleringsprocesser. Laserskärningsteknik har länge använts för skärning av kiselgöt, men dess tillämpning inom kiselkarbidområdet är fortfarande inte mogen, med några få huvudteknologier tillgängliga för närvarande.
2Vatten-guidad laserskärning
Vatten-styrd laserteknik (Laser MicroJet, LMJ), även känd som lasermikrojetteknik, fungerar enligt principen att fokusera en laserstråle på ett munstycke när lasern passerar genom en tryck-modulerad vattenkammare; en vattenström med lågt-tryck sprutas ut från munstycket. På gränssnittet mellan vatten och luft, på grund av skillnaden i brytningsindex, bildas en ljusvågledare, som gör att lasern kan fortplanta sig längs med vattenflödets riktning, och därigenom uppnå skärning av materialytan genom hög-vattenstråleledning. Den största fördelen med vatten-styrda lasrar ligger i skärkvaliteten; vattenflödet kyler inte bara skärområdet, vilket minskar materialets termiska deformation och skador, utan transporterar också bort bearbetningsskräp. Jämfört med trådsågskärning ökar dess hastighet avsevärt. Vattenabsorptionen av olika våglängder varierar dock, vilket begränsar laservåglängderna som används huvudsakligen till 1064nm, 532nm och 355nm. 1993 föreslog den schweiziske forskaren Beruold Richerzhagen denna teknik för första gången, och hans företag, Synova, är specialiserat på forskning och industrialisering av den internationella laserstyrda tekniken{14} av vatten medan inhemsk teknik ligger relativt efter, med företag som Inno Laser och Shengguang Silicon Research som aktivt utvecklar.
03Stealth Dicing
Stealth Dicing (SD) innebär att fokusera en laser genom ytan av kiselkarbid in i chippets inre, vilket skapar ett modifierat lager på önskat djup för att uppnå waferseparation. Eftersom det inte finns några skärningar på skivans yta kan högre bearbetningsprecision uppnås. SD-processen med nanosekundspulslasrar har använts inom industrin för att separera kiselskivor. Under SD-bearbetningen av kiselkarbid inducerad av nanosekundspulsade lasrar uppstår emellertid termiska effekter eftersom pulslängden är mycket längre än kopplingstiden mellan elektroner och fononer i kiselkarbid (i storleksordningen pikosekunder). Den höga termiska inmatningen till skivan gör inte bara att separationen tenderar att avvika från den önskade riktningen, utan genererar också betydande restspänningar, vilket leder till sprickor och dålig klyvning. Därför används vanligtvis ultra-kortpulsade laser-SD-processer vid bearbetning av kiselkarbid, vilket avsevärt minskar termiska effekter.
Det japanska företaget DISCO har utvecklat en laserskärningsteknik som kallas Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA), med hjälp av exemplet att bearbeta ett kiselkarbidkristallgöt med en diameter på 6 tum och en tjocklek på 20 mm, vilket har ökat produktionshastigheten för kiselkarbidskivor med fyra gånger. Kärnan i KABRA-processen fokuserar lasern inuti kiselkarbidmaterialet, sönderdelar kiselkarbiden till amorft kisel och amorft kol genom 'amorf-svart repetitiv absorption', och bildar ett skikt som en separationspunkt för skivan, nämligen det svarta absorberande skiktet av det amorfa skiktet, vilket lätt kan separera det amorfa skiktet.
Den kallade delade wafer-teknologin utvecklad av Siltectra, förvärvad av Infineon, tillåter inte bara att olika typer av göt delas upp i wafers utan resulterar också i en förlust på så lite som 80 μm per wafer, vilket minskar materialförlusten med 90 %, vilket i slutändan sänker den totala produktionskostnaden för enheterna med upp till 30 %. Kallskärningstekniken involverar två steg: för det första skapar laserexponering ett delamineringsskikt på götet, vilket gör att kiselkarbidmaterialet expanderar i volym, vilket skapar dragspänningar och bildar ett mycket smalt mikro-sprickskikt; sedan, genom ett polymerkylningssteg, bearbetas dessa mikro-sprickor till en huvudspricka, som slutligen separerar skivan från det återstående götet. Under 2019 mätte en tredjepartsbedömning av den här tekniken att ytråheten Ra på de delade skivorna var mindre än 3 µm, med de bästa resultaten under 2 µm.
Den modifierade laserskärningen som utvecklats av ett inhemskt storfamiljs laserföretag är en laserteknik som separerar halvledarskivor i individuella chips eller korn. Denna process involverar också att skanna skivan internt med en precisionslaserstråle för att bilda ett modifierat skikt, vilket gör att skivan kan expandera längs laserskanningsbanan under applicerad påkänning, vilket uppnår exakt separation.
För närvarande har inhemska tillverkare bemästrat tekniken för att skära kiselkarbid med murbruk, men skärförlusten är stor, effektiviteten är låg och föroreningarna är allvarliga, som gradvis ersätts av diamanttrådsskärningsteknik. Samtidigt är prestanda- och effektivitetsfördelarna med laserskärning framträdande, och erbjuder många fördelar jämfört med traditionella mekaniska kontaktbearbetningstekniker, inklusive hög bearbetningseffektivitet, smala skärningsvägar och hög spåndensitet, vilket gör det till en stark konkurrent att ersätta diamanttrådsskärningstekniken och öppnar en ny väg för tillämpningen av nästa-silikonduksmaterial eller halvfabrikat. Med utvecklingen av industriell teknik fortsätter storleken på kiselkarbidsubstrat att öka, och kiselkarbidskärteknik kommer att utvecklas snabbt; effektiv och hög-laserskärning kommer att vara en viktig trend inom kiselkarbidskärning i framtiden.
