激光冷分離工藝技術基礎研究

李 斌，高小虎，邢旻

( 中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

激光冷分離技術最早應用于SiC 芯片的隱形劃切，是指將激光聚焦在材料內部，形成改質層，然后通過裂片或擴膜的方式分離芯片。其加工表面無粉塵污染，幾乎無材料損耗，加工效率高。實現隱形劃切的兩個條件是材料對激光透明，足夠的脈沖能量產生多光子吸收[1]。

本文研究的是采用激光冷分離技術進行SiC晶棒的切割，利用超短脈寬激光聚焦在SiC 晶棒內部進行隱形打點，形成改質層平面，然后在SiC晶棒上涂覆特制的化合物冷凍膠，再放入冷凍室，材料遇冷收縮，晶棒表層與晶棒體其余部分產生剪切力，使表層部分從晶棒上分離下來，從而形成SiC 晶圓襯底。該技術幾乎無材料損耗，分離出的晶圓平面度高，具有高效、節能、環保等優點[2]。

1 應用背景

SiC 是寬禁帶半導體器件制造的核心材料，由其作襯底制造的器件具有高頻大功率、耐高溫、耐輻射、抗干擾、體積小、質量輕等諸多優勢，是目前硅和砷化鎵等半導體材料所無法比擬的。

晶圓襯底制備是SiC 器件生產過程中的重要工序，SiC 屬于硬脆材料，莫氏硬度達到9.5，內部晶格結構同向性，分子間結合力大，切割難度大。目前業內基本采用金剛線多線切割的方式分離晶圓，通過鍍有金剛砂的金屬絲高速往復運動實現磨削切割，一次可以切割上百片晶圓，優點是工藝成熟，設備簡單，缺點是加工效率低，材料損耗大[3]。加工1 根直徑150 mm 的晶棒往往需要幾天，在此期間設備的任何故障都可能造成材料的損壞，而金屬絲的線徑會造成至少200 μm 以上的材料損耗，且由于線弓的存在，切割后的晶圓表面不可避免的存在線痕和隱裂，需要進行雙面研磨拋光，大約需要去除100 μm 厚度。隨著SiC 晶圓切割向200 mm 技術發展，激光冷分離技術優勢將進一步擴大，150 mm SiC 晶棒采用兩種切割方式加工的相關工藝數據對比如表1 所示。

表1 冷分離與多線切割工藝數據對比

2 激光冷分離工藝流程

激光冷分離工藝流程主要包括如圖1 所示的幾個環節：激光隱形打點→激光開槽→涂化合物膠→貼藍膜→冷凍分離→浸泡去藍膜→晶圓收集→晶棒拋光。

圖1 激光冷分離工藝流程

對應的加工設備主要包括激光隱形切割設備、激光開槽設備、涂膠設備、冷凍分離設備、貼膜設備、清洗設備、拋光設備，這些設備均需要在原有功能基礎上進行定制化改造，需要設備廠商根據工藝需要進行技術升級，并開發一體機解決方案。

3 激光冷分離工藝中的關鍵技術

3.1 超短脈寬激光隱形打點定位系統

相對于傳統的激光燒蝕切割，隱形切割是運用激光的多光子吸收特性，將激光聚焦在材料內部形成一個改質層，使材料由結構緊湊、結合緊密的不易于分斷的整體改變成結合松散、易于分斷的脆弱整體，然后利用貼片膜擴展時的張力使被切割材料分開。正是利用隱形切割的原理，采用超短脈寬激光對晶棒上部光潔表面進行隱形打點，形成一層隱形改質層點平面，隱形點的深度就是要分離晶圓片的厚度，隱形點在平面上的Z 向分布決定了分離后晶圓面的平面度，點陣分布越密集，晶圓的平面度越好，如圖2 所示[4]。

圖2 激光隱形打點原理

3.2 激光開槽系統

激光聚焦在材料內部進行隱形打點時，由于光束折射的原因，在晶棒邊緣存在無法打點的區域，寬度與隱形打點的深度有關，約200 μm，因此需要在晶棒圓周面分離線上進行激光開槽，切割深度至打點位置，便于分離。355 nm 的紫外激光切割是理想的選擇，重點研究裝夾晶棒的旋轉機構，以及旋轉速度與激光切割速度的優化匹配，從而保證后續晶圓的完整分離，如圖3 所示。

圖3 側面開槽切割

3.3 晶棒涂膠系統

完成激光打點工藝后，在晶棒的入光面涂覆一層特殊的化合物冷凍膠，膠的涂覆厚度與晶圓分離厚度有關。考慮采用卡盤固定方式裝夾晶棒，重點研究涂膠臺的旋轉速度、加速度與涂膠厚度、均勻性等參數的作用關系，如圖4 所示。

圖4 晶棒涂膠系統

3.4 晶圓冷凍分離系統

冷凍是實現晶圓分離的關鍵環節，涂覆有膠的晶圓貼膜放入冷凍室，通過快速冷卻完成晶圓與晶棒自動分離，重點考慮密封性、安全性、廢棄處理等因素，如圖5 所示。

圖5 晶圓冷凍分離

4 激光冷分離的難點技術

4.1 密集陣列式激光束設計技術

能實現激光隱形劃切的兩個必要條件是加工材料對特定波長的激光透明，同時該激光在材料內部能夠發生多光子吸收。理論上講，當光子能量hν 低于材料的吸收帶隙Eg時，光學上呈透明，也就是不吸收。因此，材料產生吸收的條件是hν＞Eg，即使光學上呈透明，在激光的強度非常大時，以nhν＞Eg的條件（n=2，3，4...），材料中也會產生吸收，這一現象被稱為多光子吸收。對厚度200 μm的碳化硅片，當波長大于1 000 nm 時，穿透率達到90%左右。選擇波長為1 064 nm 的固體激光器，從理論上滿足了實現碳化硅材料內部劃切的條件[5]。為實現晶圓分離，內部劃切線越密集，分離晶圓的厚度誤差越小，但密集的切割線分布必然耗費較長的時間，采用大功率激光進行分光設計，多束激光同時加工能夠有效提高加工效率，多光束的能量均勻性、光束間隔的穩定性是設計中需要重點解決的問題，如圖6 所示。

圖6 激光光束設計

4.2 激光快速精密掃描技術

為了實現高效的晶圓分離，激光束照射掃描的速度、掃描軌跡與激光能量等因素需要協同匹配，才能達到最優效率。激光掃描打點的均勻性、焦平面的一致性直接影響著分離層的平面度。為確保不存在掃描死角，使分離改質層的所有區域被均勻照射，一方面保證激光焦點的精密調節、光束指向性和能量長期穩定，同時高平面度的工作承片臺能夠均勻吸附晶圓，從而實現激光快速精密掃描，如圖7 所示。

4.3 晶圓快速冷卻分離技術

實現晶圓分離的重要環節是冷凍分離，涂覆有化合物膠的晶棒在密閉的冷凍室驟然遇冷收縮，使改質層面的晶格斷裂，晶圓從晶棒上完全分離。冷凍分離室的溫度、升/ 降溫時間、真空壓力等參數的準確控制是保證晶圓完整分離的重要因素，同時需要考慮晶圓的收集方式。冷分離工藝技術也是保證良好表面粗糙度及晶圓翹曲度的關鍵要素。

5 未來發展趨勢

SiC 材料的禁帶寬度大約為硅材料的3 倍，且硅材料的極限溫度不足SiC 材料的1/2，這些物理特性使得SiC 材料更好地應用于高壓、高溫環境；相比于硅基器件，同等性能的SiC 器件尺寸更小、質量更輕、能量損耗更少。在高溫、高壓、高頻領域，SiC 將逐步替代硅器件，如5G 通訊基站、軌道交通、特高壓輸電、新能源汽車等領域。

SiC 功率器件應用正處于爆發的前夜，當前主要因為其晶體生長周期長、生產成本高，激光冷分離技術能從根本上解決金剛石線切割所帶來的切割效率低下、晶圓的翹曲彎曲和損傷等問題，能顯著提高SiC 襯底的產量[6]；同時，通過該技術，還可大幅度降低切割環節的材料損耗，降低晶圓襯底價格。并且由于激光聚焦分離面的精度較高，其切割的晶圓具有較高的表面質量和精度，能夠進一步降低后道研磨拋光等環節的難度，甚至減少后道的加工工序，對整個晶圓襯底制備環節的效率提升和器件制造成本降低起到積極的作用。