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作者：胡北辰，張志耀，張紅梅，牛奔
（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所）
摘要
SiC具備優(yōu)異的物理特性，可顯著提升微波射頻、電力電子等器件的性能與能效，但高昂的襯底成 本影響了SiC的廣泛應(yīng)用。除了長(zhǎng)晶速度慢、良率低外，晶體加工也是其價(jià)格居高不下的重要原因。激光剝離技 術(shù)結(jié)合激光垂直改質(zhì)與可控晶體剝離，可實(shí)現(xiàn)低損耗、高效率、高質(zhì)量的SiC晶體加工。介紹了SiC產(chǎn)業(yè)瓶頸、技 術(shù)難點(diǎn)、激光剝離技術(shù)原理，并重點(diǎn)總結(jié)了激光剝離技術(shù)的研究進(jìn)展。
0 引言
SiC半導(dǎo)體具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo) 率高的性能優(yōu)勢(shì)，在高功率、高頻率環(huán)境下能保持 較高的效率，并且具有較強(qiáng)的耐高溫能力和抗輻射 能力。SiC已成為大功率微波射頻器件與高電壓電力 電子器件的主要襯底材料，在衛(wèi)星通訊、高壓輸變 電、軌道交通、電動(dòng)汽車、通訊基站、國(guó)防軍工等 領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景（如圖1所示）。據(jù)估算，SiC 基半導(dǎo)體器件可使大數(shù)據(jù)中心能耗降低50%，特高壓 電網(wǎng)損耗降低60%，新能源汽車?yán)m(xù)航里程提高20%以 上，軌道交通功率器件系統(tǒng)損耗降低20%以上，工業(yè) 電機(jī)節(jié)能30%。目前，SiC等寬禁帶半導(dǎo)體已被列入 我國(guó)“十四五”發(fā)展規(guī)劃，成為在國(guó)家層面重點(diǎn)發(fā) 展的關(guān)鍵技術(shù)。
圖1 SIC半導(dǎo)體材料的應(yīng)用
近年來(lái)，全球范圍內(nèi)對(duì)SiC材料需求快速增長(zhǎng)。根據(jù)Yole全球產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)，SiC同質(zhì)外延電力電子器件 市場(chǎng)規(guī)模有望從2018年的4億美元增加到2027年的 172億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率約51%，SiC基GaN外延微 波射頻器件市場(chǎng)規(guī)模也有望從2018年的6億美元增加 到2027年的34億美元，對(duì)應(yīng)SiC襯底材料市場(chǎng)規(guī)模從2018年的1.21億美元增長(zhǎng)到2024年的11億美元，復(fù)合 年增長(zhǎng)率達(dá)44%，2027年SiC襯底材料市場(chǎng)規(guī)模將達(dá) 到約33億美元。在國(guó)內(nèi)4G/5G通信、新能源等行業(yè)旺 盛需求的牽引下，我國(guó)在SiC半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域雖起步 較晚，但已形成了較大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。
SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的突出瓶頸是高昂的襯底材料成 本，目前單晶襯底材料占器件總成本的50%左右，導(dǎo) 致其現(xiàn)階段僅被用于部分對(duì)成本不敏感的領(lǐng)域。以 電力電子領(lǐng)域?yàn)槔m然SiC基器件性能具有顯著優(yōu) 勢(shì)，但絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景仍將Si基器件作為首選，目 前SiC在電力電子器件領(lǐng)域的滲透率僅為4.2%~4.5%。除單晶生長(zhǎng)過(guò)程的生長(zhǎng)速度慢、能耗高、良率低 外，SiC材料莫氏硬度高達(dá)9.2~9.5，是自然界中僅次 于金剛石的高硬度材料，導(dǎo)致SiC晶體加工速度慢、 原材料損耗大、加工良率低，大幅度地增加了襯底 的成本，并影響襯底的產(chǎn)能提升。
從晶錠到合格襯底片，目前國(guó)內(nèi)SiC晶體加工 產(chǎn)線普遍使用的加工流程主要分為磨平、滾圓、切 割、粗研磨、精研磨、機(jī)械拋光、化學(xué)機(jī)械拋光、 清洗、檢測(cè)等多道工序，其中用于SiC晶體切片的 多線切割過(guò)程是SiC加工損失的主要來(lái)源。如圖2所 示，與切割線直徑相近的SiC材料會(huì)被磨削成碎屑 （150~250 μm），稱為鋸口損失（Kerf Loss），而 切割線的高速行走過(guò)程還會(huì)造成20~50 μm的粗糙起 伏與表面/亞表面結(jié)構(gòu)損傷，必須通過(guò)后續(xù)磨拋工藝 去除，總材料損耗量占原材料的30%~50%。此外， 因多線切割過(guò)程需使用液體進(jìn)行磨削、鋸口冷卻與 碎屑沖洗，不可避免地產(chǎn)生大量含硅廢水，廢水中 微米至納米粒徑的顆粒物難于絮凝，回收難度大， 易造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。
圖2 多線切割對(duì)晶體的損傷示意圖
事實(shí)上，多線切割技術(shù)可一次性切割長(zhǎng)度400 mm 以上的晶錠，有利于大尺寸晶體加工效率的提升， 但會(huì)導(dǎo)致與線徑尺度相近的鋸口損失。因此，多線切割技術(shù)適用于單晶Si、多晶Si、藍(lán)寶石等材料成本 低，晶錠橫縱向尺度大的晶體材料，而SiC材料成本 高，晶錠長(zhǎng)度短，需將數(shù)個(gè)晶錠粘接后進(jìn)行多線切 割，生產(chǎn)效率低、切割損耗成本高，因此有必要開(kāi) 發(fā)更適用于SiC材料的晶體加工新方法。
1 激光剝離技術(shù)原理
激光剝離技術(shù)是將激光精密加工技術(shù)與晶體剝 離技術(shù)相結(jié)合，預(yù)先在晶體內(nèi)特定位置制造結(jié)合力 較薄弱的改質(zhì)層，有利于剝離工藝中形成確定的晶 體斷裂位置，從而提升了剝離過(guò)程的可控性與晶片 的厚度一致性，這對(duì)于SiC等高硬度、高脆性、高材 料成本的單晶材料加工尤為重要。
如圖3所示，常規(guī)的激光加工是利用燒蝕效應(yīng) 或平行改質(zhì)技術(shù)。這類技術(shù)是將材料沿激光入射方 向進(jìn)行分離，僅可用于晶圓上的芯片分割。激光垂 直改質(zhì)技術(shù)利用可穿透晶體的一定波長(zhǎng)的激光，通 過(guò)特殊設(shè)計(jì)的激光光學(xué)系統(tǒng)，在晶體內(nèi)部極窄的深 度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高密度光吸收，從而令晶體材料發(fā)生 化學(xué)鍵斷裂與分解、激光誘導(dǎo)電離、熱致開(kāi)裂等一 系列物理化學(xué)過(guò)程。使用激光束在整個(gè)晶體表面掃 描，即可形成垂直于激光入射方向的改質(zhì)層。
圖3 激光加工原理示意圖
可控晶體剝離是一種新型晶體加工技術(shù)，通 常使用精準(zhǔn)控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)或精確設(shè)計(jì)的表面應(yīng)力 層，誘導(dǎo)晶體開(kāi)裂，最終實(shí)現(xiàn)晶體表面附近的薄層 完整無(wú)損剝離，具有速度快、成本低、化學(xué)危害小 的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)激光垂直改質(zhì)后，借助可控晶體剝離 技術(shù)，可完成晶體的整片分割。相較于常規(guī)的晶體 機(jī)械加工方式，此技術(shù)從原理上避免了鋸口損失， 且晶體內(nèi)部損傷較小，大大降低了SiC襯底加工過(guò)程 的材料損耗。
激光剝離技術(shù)可將晶錠加工成晶片，是多線切 割的替代技術(shù)。如圖4所示，用于量產(chǎn)的激光剝離 技術(shù)應(yīng)包含激光改質(zhì)、晶體剝離、晶錠加工三個(gè)工 藝步驟。首先在晶錠內(nèi)部指定深度使用激光掃描形 成一個(gè)完整的改質(zhì)面，降低晶體結(jié)合力；而后利用 機(jī)械拉伸、機(jī)械扭轉(zhuǎn)、超聲振動(dòng)、冷卻的方式，使 晶體在改質(zhì)面處斷裂，分割為晶錠與晶片；由于剝 離后的晶錠表面粗糙度較大，對(duì)激光的散射效應(yīng)較 強(qiáng)，因此在下一層激光改質(zhì)前需將晶錠表面加工至較光滑的狀態(tài)。上述三個(gè)步驟依次循環(huán)，即可將晶 錠連續(xù)加工成晶片。半導(dǎo)體器件制造工藝需在原子 級(jí)平滑的表面上進(jìn)行外延薄膜生長(zhǎng)，利用激光剝離 技術(shù)加工的晶片表面粗糙度僅可達(dá)到微米級(jí)，因此 需進(jìn)一步通過(guò)磨拋加工，方可制成合格襯底片。
圖4 SiC晶體的激光剝離技術(shù)示意圖
與多線切割相比，激光剝離技術(shù)更適合材料 成本高、晶錠長(zhǎng)度短的硬脆晶體加工領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)晶 體加工成本的大幅下降，并提高加工效率與加工質(zhì) 量。近期日本名古屋大學(xué)天野浩團(tuán)隊(duì)證明激光剝離 技術(shù)可很好地應(yīng)用于GaN單晶襯底及晶體管器件的加 工、，展現(xiàn)了優(yōu)良的技術(shù)可拓展性。因此，激光剝 離裝備被譽(yù)為半導(dǎo)體材料制備領(lǐng)域的“光刻機(jī)”， 有望成為半導(dǎo)體材料制造產(chǎn)業(yè)中的核心工藝裝備。
2 激光剝離技術(shù)研究進(jìn)展
在不同的加工工藝條件下，超快激光可引起多種 透明材料內(nèi)部的形成結(jié)構(gòu)、成分、折射率變化。在2006年，日本科學(xué)家已能實(shí)現(xiàn)以納秒脈沖激光聚焦 Si內(nèi)部，局部加熱可控深度產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，繼而實(shí) 現(xiàn)無(wú)碎片化的切割技術(shù)。2009年，日本國(guó)立德島大 學(xué)報(bào)道了由飛秒激光引發(fā)的微型爆裂現(xiàn)象，在SiC中 產(chǎn)生了應(yīng)力層及空隙。2017年日本京都大學(xué)通過(guò)特 殊光學(xué)設(shè)計(jì)，在晶錠預(yù)定深度聚焦激光掃描，引起 SiC的無(wú)定形轉(zhuǎn)化、分解，從而實(shí)現(xiàn)切割，所得晶片 均方根粗糙度5 μm。
晶體剝離技術(shù)方面，早在1985年美國(guó)科學(xué)家就 證明了在應(yīng)力層的殘余拉伸應(yīng)力作用下，可從Si和 GaAs晶片上剝離薄層。但是，早期的晶體剝離試 驗(yàn)過(guò)程很難控制，因?yàn)楫?dāng)應(yīng)力達(dá)到由晶片斷裂韌性 確定的閾值時(shí)，裂紋會(huì)自發(fā)產(chǎn)生并隨機(jī)傳播，造成 剝離層厚度不均甚至碎裂。美國(guó)IBM公司研發(fā)了一種 可控剝離技術(shù)，該方法設(shè)計(jì)了額外的牽引層，用于 施加外力觸發(fā)斷裂，并定向引導(dǎo)裂紋擴(kuò)展，還建立 了臨界應(yīng)力和剝落層厚度相關(guān)性的理論模型，為工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)。此外，晶圓級(jí)的Si、GaN單晶， 以及III-V族太陽(yáng)能電池、集成電路、LED等半導(dǎo)體 器件均可利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)可控剝離。
在產(chǎn)業(yè)化技術(shù)方面，日本Disco公司與德國(guó) Siltectra公司分別發(fā)布了適用于4~6英寸SiC晶錠整片 剝離的激光剝離技術(shù)，可大幅提高SiC晶體加工效 率與加工質(zhì)量，降低SiC襯底成本。日本Disco公司 研發(fā)了“KABRA（Key Amorphous-Black Repetitive Absorption，關(guān)鍵非晶黑色重復(fù)吸收）”技術(shù)，以激 光誘導(dǎo)SiC非晶態(tài)轉(zhuǎn)化，并通過(guò)機(jī)械、超聲等方式實(shí)現(xiàn) 了SiC晶錠切片，6英寸激光改質(zhì)時(shí)間≤15 min，相應(yīng) 設(shè)備已于2018年實(shí)現(xiàn)銷售。該公司完成了KABRA技 術(shù)的晶圓加工全流程試驗(yàn)，并將激光剝離制造的晶 圓進(jìn)行了肖特基二極管器件驗(yàn)證，結(jié)果表明激光剝 離技術(shù)可獲得同等的器件性能。德國(guó)Siltectra公司提 出了“Cold Split（冷剝離）”技術(shù)，用超快激光在 晶體內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，而后通過(guò)聚合物冷卻將晶片 與剩余晶錠分離。2017年11月，Siltectra公司在德國(guó) 德累斯頓建立了一條使用Cold Split技術(shù)加工SiC晶體 的試驗(yàn)線。2018年11月，德國(guó)半導(dǎo)體巨頭英飛凌耗資 1.24億歐元收購(gòu)了Siltectra公司，Cold Split技術(shù)也已 通過(guò)英飛凌公司驗(yàn)證，預(yù)計(jì)在2023年整合至批量生產(chǎn)中。
我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域起步較晚，技術(shù)積累較少。國(guó)內(nèi)中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所、大族激光等單位率先開(kāi)展試驗(yàn)探索，具備了SiC晶體激光剝離工藝 與裝備研發(fā)能力，山東天岳、華為、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)也布局了相關(guān)專利。
3 激光剝離技術(shù)優(yōu)勢(shì)
激光加工技術(shù)具有自動(dòng)化程度高和易集成的優(yōu) 勢(shì)。日本Disco公司基于KABRA工藝技術(shù)和精密加工 設(shè)備的研發(fā)基礎(chǔ)，研制了具備激光剝離、研磨、拋 光等功能的KABRA!zen型全自動(dòng)SiC多晶錠并行加工 系統(tǒng)。據(jù)該公司分析[19-20]，若在SiC襯底制造工藝中 使用KABRA!zen系統(tǒng)替代傳統(tǒng)機(jī)械加工設(shè)備，按照從 直徑6英寸、厚度20 mm的SiC晶錠加工標(biāo)準(zhǔn)的350 μm 晶片估算，激光垂直改質(zhì)剝離技術(shù)具有較大的優(yōu)勢(shì) （見(jiàn)表1）。
表1 Disco公司激光剝離技術(shù)優(yōu)勢(shì)
1）激光剝離技術(shù)可充分利用激光加工設(shè)備的易集成易自動(dòng)化特性，將多個(gè)晶錠的研磨、改質(zhì)切 割、剝離工序并行實(shí)施，從而提高加工效率。
2）激光剝離技術(shù)幾乎無(wú)材料損耗，僅需在后續(xù)磨拋工藝中將上下表面共去除約80 μm的材料。而 多線切割工藝中會(huì)造成與切割線直徑接近厚度的材料損傷（按180 μm估算），后續(xù)磨拋工藝也需去 除約80 μm的粗糙起伏區(qū)與損傷層，因此使用激光 剝離技術(shù)SiC加工損耗可從260 μm降低至80 μm。對(duì)于20 mm厚的SiC晶錠，等量原料的情況下產(chǎn)量提 升44%。
3）多線切割技術(shù)會(huì)導(dǎo)致切割面較大的粗糙度與 亞表面損傷，需要使用粗研磨工藝以去除晶片表面 上的起伏。而激光剝離工藝可將剝離面晶片起伏控 制在極低的水平，因而可省略粗研磨步驟，從而節(jié)約了時(shí)間、設(shè)備及人力成本。
另外，基于高純半絕緣SiC襯底的微波射頻器件制造過(guò)程中，為降低寄生電容，并方便制造通孔以 實(shí)現(xiàn)共接地，通常需將SiC襯底減薄至100 μm左右， 且襯底厚度需隨器件工作頻率而減小。而在導(dǎo)電型 SiC襯底的電力電子器件制造中，背面減薄也可提 高正向?qū)娏髅芏取⒔档驼驂航怠⒔档屯☉B(tài)損耗。目前，襯底背面減薄通過(guò)砂輪磨削實(shí)現(xiàn)，由于 SiC屬于高硬度脆性材料，磨削法加工效率較低，材料浪費(fèi)嚴(yán)重，且易導(dǎo)致過(guò)大的晶圓翹曲。激光剝離 不僅可實(shí)現(xiàn)指定厚度的晶圓減薄，還可實(shí)現(xiàn)剝離晶 片的二次利用。據(jù)估算，若采用激光剝離技術(shù)回收 剝離下來(lái)的晶片，每片6英寸SiC器件晶圓的制造成本 可節(jié)約近300美元，從而降低SiC器件制造商約30%的 材料成本。
4 前景與展望
激光剝離技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、材料損耗小的 突出優(yōu)勢(shì)，是極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦途w加工技術(shù)。但是，為實(shí)現(xiàn)激光剝離工藝與設(shè)備的廣泛推廣，還 有很多待解決的工程問(wèn)題：
1）對(duì)于現(xiàn)有的晶體剝離 方案，其力學(xué)本質(zhì)均為硬脆材料的斷裂過(guò)程，此過(guò) 程可控性差，需大量工藝優(yōu)化以降低晶片翹曲度及 殘余應(yīng)力；
2）與傳統(tǒng)晶體加工過(guò)程不同，激光掃 描與晶體剝離均為逐片處理的過(guò)程，其工藝一致性 與穩(wěn)定性有待批產(chǎn)驗(yàn)證；
3）激光改質(zhì)與剝離單元技 術(shù)有望取代多線切割工序，但其對(duì)晶片的加工效果 與多線切割存在差異，為實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)應(yīng)用，需對(duì)晶體 加工前后工序進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，提高激光剝離的產(chǎn) 線適用性；
4）SiC半導(dǎo)體器件均工作在高溫、高電 壓、高電流等極端環(huán)境，激光剝離技術(shù)盡管已經(jīng)過(guò) 實(shí)驗(yàn)室器件驗(yàn)證，器件的長(zhǎng)期可靠性與穩(wěn)定性仍有 待長(zhǎng)周期多場(chǎng)景的考驗(yàn)。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，激光垂直改質(zhì)剝離技術(shù)必將成為 SiC半導(dǎo)體領(lǐng)域一項(xiàng)技術(shù)革命，該技術(shù)也可應(yīng)用于 GaN、AlN、金剛石等硬脆半導(dǎo)體材料的高效加工， 從而將寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)推向新的高度。
(來(lái)源：電子工藝技術(shù))
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