碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，憑借其出色的物理和化學(xué)特性，正在多個(gè)行業(yè)中發(fā)揮日益重要的作用。以其超高硬度、卓越的熱導(dǎo)率、高擊穿電壓以及極強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性而備受關(guān)注，尤其在新能源汽車、5G通信、光伏發(fā)電和軌道交通等高技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
在新能源汽車領(lǐng)域，碳化硅的應(yīng)用尤為顯著。它能夠顯著提升電能轉(zhuǎn)換效率，減少能量損耗，從而有效延長電動汽車的續(xù)航里程并提升整車性能。據(jù)市場預(yù)測，到2025年，中國新能源汽車的年產(chǎn)量將接近600萬輛，每輛車的功率芯片需求量預(yù)計(jì)在1000至2000顆，其中超過50%將使用碳化硅芯片。這一趨勢反映了SiC在新能源汽車功率電子中的關(guān)鍵作用。
隨著市場對碳化硅需求的不斷增加，SiC晶圓的加工技術(shù)也在迅速發(fā)展，激光技術(shù)正成為這一領(lǐng)域中的重要?jiǎng)?chuàng)新。例如，激光內(nèi)部改質(zhì)切割技術(shù)能夠在碳化硅晶圓內(nèi)部產(chǎn)生改質(zhì)層，結(jié)合裂片技術(shù)進(jìn)行高效的晶粒分離。相比傳統(tǒng)機(jī)械切割，激光加工具有更高的效率、材料浪費(fèi)更少且加工精度更高，避免了機(jī)械刀輪切割中成本高、效率低的問題。
全球碳化硅市場的迅速擴(kuò)展也反映了這一材料的戰(zhàn)略意義。據(jù)TrendForce預(yù)測，2023年全球SiC功率器件市場規(guī)模約為30.4億美元，到2028年預(yù)計(jì)將增長至91.7億美元，年復(fù)合增長率（CAGR）高達(dá)25%。這一數(shù)據(jù)表明，碳化硅及其相關(guān)加工技術(shù)將在未來的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中扮演更加核心的角色。
在碳化硅晶圓的后道加工過程中，除了切割，還包括標(biāo)記、分片和封裝等步驟，這些都需依賴激光加工技術(shù)的支持。激光技術(shù)不僅提升了各個(gè)環(huán)節(jié)的加工效率，還提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了材料損耗，幫助降低生產(chǎn)成本。這對于推動碳化硅芯片的大規(guī)模商用和提升其市場競爭力具有重要意義。
激光晶圓標(biāo)記技術(shù)：
半導(dǎo)體制造中的精密標(biāo)識應(yīng)用
在碳化硅晶圓片的芯片制造過程中，激光技術(shù)的應(yīng)用正變得越來越關(guān)鍵，特別是在芯片的標(biāo)記和追溯方面。每顆芯片都需要具備獨(dú)特的條碼標(biāo)記以便區(qū)分和追蹤，而傳統(tǒng)的標(biāo)記方法，如油墨印刷和機(jī)械針刻，效率較低且耗材消耗大，已無法滿足當(dāng)前高效且環(huán)保的生產(chǎn)需求。相比之下，激光標(biāo)記技術(shù)作為一種無接觸的加工方式，能夠在不損傷晶圓片的前提下進(jìn)行高效率、無耗材的標(biāo)記操作，特別適合應(yīng)對晶圓片日益輕薄化的發(fā)展趨勢。
在選擇激光器時(shí)，通常根據(jù)碳化硅材料的特性以及用戶對標(biāo)記質(zhì)量的需求來確定合適的設(shè)備。目前，納秒和皮秒紫外激光器是碳化硅晶圓標(biāo)記的常見選擇。納秒紫外激光器憑借其較低的成本和廣泛的適用性被廣泛使用，適合對成本控制較為敏感的應(yīng)用場景。而皮秒紫外激光器由于具備冷加工的特性，在標(biāo)記過程中對材料的熱影響極小，能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì)和清晰的標(biāo)記效果，適用于標(biāo)記質(zhì)量要求更高的場合。
激光標(biāo)記的具體過程包括將激光束通過外光路傳輸和擴(kuò)束，隨后通過振鏡掃描系統(tǒng)將光束聚焦到碳化硅晶圓的表面，并按照預(yù)先設(shè)計(jì)的圖案進(jìn)行打標(biāo)。例如，在使用納秒紫外激光器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)字高1.62mm、字寬0.81mm、標(biāo)記深度50μm的效果，而其周圍的材料突起高度僅為5μm，標(biāo)記精度高且對材料的影響極小。這種精細(xì)的標(biāo)記技術(shù)在芯片的質(zhì)量控制和追溯管理中扮演著不可或缺的角色，也為整個(gè)芯片制造流程帶來了更高的效率與可靠性。
激光背金去除技術(shù)：
碳化硅晶圓加工的高效解決方案
在碳化硅（SiC）晶圓片的芯片制造流程中，為了完成芯片的獨(dú)立化并順利進(jìn)入封裝與測試階段，晶圓片需要經(jīng)過精確的切割與分片處理。作為其中重要的一環(huán)，碳化硅芯片背面的鍍金（漏極）層處理對于提升芯片的電氣性能至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的金剛石刀輪切割技術(shù)雖然相對成熟，但面臨著效率低、耗材多、材料浪費(fèi)嚴(yán)重等問題，限制了大規(guī)模生產(chǎn)的推進(jìn)。
為了應(yīng)對這些瓶頸，激光加工技術(shù)成為了一項(xiàng)極具潛力的替代方案。與傳統(tǒng)切割方法相比，激光加工采用無接觸式操作，不需要耗材，能夠高效且精準(zhǔn)地去除背金層，同時(shí)保持碳化硅基底的完整性。這一技術(shù)的應(yīng)用大幅提高了加工效率，并顯著降低了材料損耗，成為背金去除和晶圓分片的理想選擇。
在實(shí)際應(yīng)用中，激光束以準(zhǔn)直方式通過聚焦切割頭，精確作用于碳化硅材料的背金層，確保去除厚度精確控制在10微米以內(nèi)，且去除寬度符合工藝要求，通常不小于正面溝道的一半。具體加工步驟中，碳化硅晶圓片被倒置放置于透明吸附治具上，通過CCD攝像頭輔助定位，準(zhǔn)確抓取晶圓片上的溝道進(jìn)行對位。激光束隨后聚焦至背金層進(jìn)行高精度去除。以皮秒紫外激光器為例，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)溝道寬度為100微米的正面精度，同時(shí)在背金面上去除寬度達(dá)到50微米以上，去除深度可控制在3微米左右。這種高精度加工不僅提升了去除效果，還減少了對基底材料的影響，從而確保了芯片性能和質(zhì)量的穩(wěn)定性。
激光背金去除技術(shù)的引入為碳化硅晶圓片加工中的背金處理提供了更加高效、穩(wěn)定和環(huán)保的解決方案。隨著碳化硅材料在電力電子器件中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，激光技術(shù)將在半導(dǎo)體加工工藝中發(fā)揮更加重要的作用。
激光隱形改質(zhì)切割技術(shù)：
碳化硅晶圓片精密加工的高效手段
在碳化硅晶圓片完成背金去除后，緊接著進(jìn)行的關(guān)鍵工序是激光隱形改質(zhì)切割。該技術(shù)的本質(zhì)在于利用特定波長的激光束，聚焦于材料內(nèi)部，精準(zhǔn)形成改質(zhì)層，從而實(shí)現(xiàn)晶圓片的無損切割。由于激光作用僅限于晶圓的內(nèi)部，材料的上下表面得以保持完整，有效確保了切割質(zhì)量。
背金去除過程中可能會殘留少量材料，或?qū)е戮A輕微損傷，這可能影響激光透過晶圓的能力，進(jìn)而影響隱形切割的效果。因此，激光切割通常選擇從正面（溝道面）入射，以保證切割精度和效果。這項(xiàng)工藝一般采用皮秒紅外激光器作為光源。皮秒激光器因其近紅外波長的優(yōu)勢，能夠高效穿透碳化硅材料，在其內(nèi)部形成改質(zhì)區(qū)域。與傳統(tǒng)機(jī)械切割相比，這種方法不僅大幅提升了切割效率，同時(shí)也顯著減少了材料損耗，成為提高切割工藝穩(wěn)定性的理想選擇。
碳化硅晶圓片的厚度取決于具體工藝要求，通常在100至400微米之間。由于激光每次形成的改質(zhì)層范圍有限，為了達(dá)到理想的切割效果，通常需要多次移動焦點(diǎn)進(jìn)行切割。這對Z軸的控制精度提出了較高要求，因?yàn)樘蓟璨牧系恼凵涮匦暂^強(qiáng)，且需要避免上下表面的損傷。為保證切割穩(wěn)定性，現(xiàn)代激光切割設(shè)備常配備焦點(diǎn)隨動功能。該技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控加工面變化，及時(shí)調(diào)整焦點(diǎn)位置，確保整個(gè)切割過程的一致性和高效性。通過這一功能，不僅提升了加工的精度和效率，還保證了切割質(zhì)量的穩(wěn)定性。
綜上所述，激光隱形改質(zhì)切割技術(shù)為碳化硅晶圓片加工提供了一種高效且無損的解決方案。它顯著提高了生產(chǎn)效率，減少了材料浪費(fèi)，并確保了后續(xù)加工中的產(chǎn)品質(zhì)量。隨著技術(shù)的不斷優(yōu)化，這一工藝將在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，推動行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新。
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