晶片切割是半導體器件制造中的重要一環(huán)，切割方式和切割質(zhì)量直接影響到晶片的厚度、粗糙度、尺寸及生產(chǎn)成本，更會對器件制造產(chǎn)生影響巨大。碳化硅作為第三代半導體材料，是促進電氣革命的重要材料。高質(zhì)量的結(jié)晶碳化硅的生產(chǎn)成本非常高，人們往往希望將一個大的碳化硅晶錠切成盡可能多的薄碳化硅晶片襯底，同時工業(yè)的發(fā)展使晶片尺寸不斷增大，這些都讓人們對切割工藝的要求越來越高。但是碳化硅材料的硬度極高，莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石（10級），同時又兼具晶體的脆性，不易切割。目前工業(yè)上一般采用砂漿線切割或金剛石線鋸切割，切割時在碳化硅晶錠的周圍等間距的固定線鋸，通過拉伸線鋸，切割出碳化硅晶片。利用線鋸法從直徑為6英寸的晶錠上分離晶片大概需要100小時，切出來的晶片不僅切口比較大，表面粗糙度也較大，材料損失更是高達46%。這增加了使用碳化硅材料的成本，限制了碳化硅材料在半導體行業(yè)的發(fā)展，可見對碳化硅晶片切割新技術(shù)的研究迫在眉睫。
近年來，激光切割技術(shù)的使用在半導體材料的生產(chǎn)加工中越來越受歡迎。這種方法的原理是使用聚焦的激光束從材料表面或內(nèi)部修飾基材，從而將其分離。由于這是一種非接觸式工藝，避免了刀具磨損和機械應(yīng)力的影響。因此，它極大提高了晶圓表面的粗糙度和精度，還消除了對后續(xù)拋光工藝的需要，減少了材料損失，降低了成本，并減少了傳統(tǒng)研磨和拋光工藝造成的環(huán)境污染。激光切割技術(shù)早已經(jīng)應(yīng)用于硅晶錠的切割，但在碳化硅領(lǐng)域的應(yīng)用還未成熟，目前主要有以下幾項技術(shù)。
1、水導激光切割
水導激光技術(shù)（Laser MicroJet, LMJ）又稱激光微射流技術(shù)，它的原理是在激光通過一個壓力調(diào)制的水腔時，將激光束聚焦在一個噴嘴上；從噴嘴中噴出低壓水柱，在水與空氣的界面處由于折射率的原因可以形成光波導，使得激光沿水流方向傳播，從而通過高壓水射流引導加工材料表面進行切割。水導激光的主要優(yōu)勢在于切割質(zhì)量，水流不僅能冷卻切割區(qū)，降低材料熱變形和熱損傷程度，還能帶走加工碎屑。相較線鋸切割，它的速度明顯加快。但由于水對不同波長的激光吸收程度不同，激光波長受限，主要為1064nm、532nm、355nm三種。
1993年，瑞士科學家Beruold Richerzhagen首先提出了該技術(shù)，他創(chuàng)始的Synova公司專門從事水導激光的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，在國際上處于技術(shù)領(lǐng)先地位，國內(nèi)技術(shù)相對落后，英諾激光、晟光硅研等企業(yè)正在積極研發(fā)。
圖1. 水導激光切割技術(shù)
2、隱形切割
隱形切割（Stealth Dicing, SD）即將激光透過碳化硅的表面聚焦晶片內(nèi)部，在所需深度形成改性層，從而實現(xiàn)剝離晶圓。由于晶圓表面沒有切口，因此可以實現(xiàn)較高的加工精度。帶有納秒脈沖激光器的SD工藝已在工業(yè)中用于分離硅晶圓。然而，在納秒脈沖激光誘導的SD加工碳化硅過程中，由于脈沖持續(xù)時間遠長于碳化硅中電子和聲子之間的耦合時間（皮秒量級），將會產(chǎn)生熱效應(yīng)。晶圓的高熱量輸入不僅使分離容易偏離所需方向，而且會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，導致斷裂和不良的解理。因此，在加工碳化硅時一般采用超短脈沖激光的SD工藝，熱效應(yīng)大大降低。
圖2. 激光隱形切割
日本DISCO公司研發(fā)出了一種稱為關(guān)鍵無定形黑色重復(fù)吸收（key amorphous-black repetitive absorption, KABRA）的激光切割技術(shù)，以加工直徑6英寸、厚度20 mm的碳化硅晶錠為例，將碳化硅晶圓的生產(chǎn)率提高了四倍。KABRA工藝本質(zhì)是上將激光聚焦在碳化硅材料的內(nèi)部，通過 “無定形黑色重復(fù)吸收”，將碳化硅分解成無定形硅和無定形碳，并形成作為晶圓分離基點的一層，即黑色無定形層，吸收更多的光，從而能夠很容易地分離晶圓。
圖3. KABRA晶圓分離
被英飛凌收購的Siltectra公司研發(fā)的冷切割（Cold Split）晶圓技術(shù)，不僅能將各類晶錠分割成晶圓，而且每片晶圓損失低至80μm，使材料損失減少了90%，最終器件總生產(chǎn)成本降低多達30%。冷切割技術(shù)分為兩個環(huán)節(jié)：先用激光照射晶錠形成剝落層，使碳化硅材料內(nèi)部體積膨脹，從而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，形成一層非常窄的微裂紋；然后通過聚合物冷卻步驟將微裂紋處理為一個主裂紋，最終將晶圓與剩余的晶錠分開。2019年第三方對此技術(shù)進行了評估，測量分割后的晶圓表面粗糙度Ra小于3μm，最佳結(jié)果小于2μm。
圖4. 冷切割技術(shù)
國內(nèi)大族激光研發(fā)的改質(zhì)切割是一種將半導體晶圓分離成單個芯片或晶粒的激光技術(shù)。該過程同樣是使用精密激光束在晶圓內(nèi)部掃描形成改質(zhì)層，使晶圓可以通過外加應(yīng)力沿激光掃描路徑拓展，完成精確分離。
圖5. 改質(zhì)切割工藝流程
目前國內(nèi)廠商已經(jīng)掌握砂漿切割碳化硅技術(shù)，但砂漿切割損耗大、效率低、污染嚴重，正逐漸被金剛線切割技術(shù)迭代，與此同時，激光切割的性能和效率優(yōu)勢突出，與傳統(tǒng)的機械接觸加工技術(shù)相比具有許多優(yōu)點，包括加工效率高、劃片路徑窄、切屑密度高，是取代金剛線切割技術(shù)的有力競爭者，為碳化硅等下一代半導體材料的應(yīng)用開辟了一條新途徑。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，碳化硅襯底尺寸不斷增大，碳化硅切割技術(shù)將快速發(fā)展，高效高質(zhì)量的激光切割將是未來碳化硅切割的重要趨勢。
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