自1960年代起，以硅為標(biāo)志的第一代半導(dǎo)體材料一直是半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)品中使用最多的材料，由于其在通常條件下具備良好的穩(wěn)定性，硅襯底一直被廣泛使用于集成電路芯片領(lǐng)域；但硅襯底在光電應(yīng)用領(lǐng)域、高頻高功率應(yīng)用領(lǐng)域中存在材料性能不足的缺點(diǎn)，因此以光通訊為代表的行業(yè)開(kāi)始使用GaAs和、InP等二代半導(dǎo)體材料作為器件襯底。

SiC和GaN為代表的寬禁帶寬度材料（Eg≥2.3eV）則被稱之為第三代半導(dǎo)體材料。除了寬禁帶寬度的特點(diǎn)，第三代半導(dǎo)體的主要特點(diǎn)在于高擊穿電壓、高熱傳導(dǎo)率、高飽和電子濃度以及高耐輻射能力，這些特性決定了第三代半導(dǎo)體材料在眾多嚴(yán)酷環(huán)境中也能正常工作。SiC作為第三代半導(dǎo)體中的代表材料，可以應(yīng)用于各種領(lǐng)域的高電壓環(huán)境中，包括汽車(chē)、能源、運(yùn)輸、消費(fèi)類電子等等。據(jù)預(yù)測(cè)，到2025年全球SiC市場(chǎng)將會(huì)增加到60.4億美元（ResearchAndMarkets.com）。

第三代半導(dǎo)體SiC晶圓的激光內(nèi)部改質(zhì)切割技術(shù)

SiC晶圓傳統(tǒng)上采用刀輪進(jìn)行切割，但由于SiC的Mohs硬度達(dá)到了9以上，需要選用相對(duì)昂貴的金剛石材質(zhì)作為刀輪，且刀輪耗材的使用壽命也大大減小。正因?yàn)镾iC擁有較高的機(jī)械強(qiáng)度，使得刀輪耗材的成本更高、切割效率極低。

表一 常見(jiàn)材料的莫氏硬度

目前激光切割SiC晶圓的方案為激光內(nèi)部改質(zhì)切割，其原理為激光在SiC晶圓內(nèi)部聚焦，在晶圓內(nèi)部形成改質(zhì)層后，配合裂片進(jìn)行晶粒分離。SiC作為寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度在3.2eV左右，這也意味著材料表面的對(duì)于大部分波長(zhǎng)的吸收率很低，使得SiC晶圓與激光內(nèi)部改質(zhì)切割擁有絕佳的相匹配性。

圖一 激光激光內(nèi)部改質(zhì)切割示意圖

圖二 SiC的吸收?qǐng)D譜 Choyke (1969)[1]

激光切割難點(diǎn)與技術(shù)突破

由于碳化硅自然界中擁有多態(tài)（Polymorphs），例如3C-SiC，4H-SiC，6H-SiC等，其中六方晶系的碳化硅理論上有無(wú)數(shù)種多態(tài)可能性。目前行業(yè)內(nèi)選用的碳化硅多態(tài)為4H-SiC。為了獲得想要的低缺陷4H-SiC，SiC晶圓通常需要以4°偏軸在種子晶格上進(jìn)行晶錠生長(zhǎng)。因此，在切割垂直晶圓平邊的方向時(shí)，裂紋會(huì)與C面軸向[0001]產(chǎn)生4°偏角。使用普通激光切割設(shè)備進(jìn)行切割時(shí)，4°的偏角會(huì)使材料裂開(kāi)變得困難，從而使得最終該方向產(chǎn)生嚴(yán)重崩邊（chipping）和切割痕跡蜿蜒（meandering）。

圖三 4H-SiC的偏軸示意圖

大族顯視與半導(dǎo)體自主研發(fā)的第三代半導(dǎo)體SiC晶圓激光內(nèi)部改質(zhì)切割設(shè)備（圖六），針對(duì)晶格結(jié)構(gòu)的方向，對(duì)激光器和光路系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，配合精準(zhǔn)的平臺(tái)移動(dòng)和焦點(diǎn)能量密度控制；針對(duì)SiC的晶體學(xué)特性壓制了材料的斜裂，從而在垂直平邊的切割方向也能獲得優(yōu)秀的效果，最終產(chǎn)品晶粒兩個(gè)方向均無(wú)崩邊、無(wú)碎屑、無(wú)雙晶、無(wú)可見(jiàn)蜿蜒（能控制在1μm以內(nèi)），實(shí)際效果如下圖（圖四＆圖五）。

圖四 SiC產(chǎn)品切割效果正面圖

圖五 SiC產(chǎn)品切割效果背面圖

該設(shè)備為國(guó)內(nèi)首臺(tái)第三代半導(dǎo)體SiC晶圓激光內(nèi)部改質(zhì)切割設(shè)備。自2015年開(kāi)始，大族顯視與半導(dǎo)體配合半導(dǎo)體行業(yè)客戶需求，自主研發(fā)并生產(chǎn)了該設(shè)備，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)空白。該技術(shù)自成型以來(lái)，已形成批量銷(xiāo)售，大族顯視與半導(dǎo)體技術(shù)團(tuán)隊(duì)以激光切割設(shè)備為核心在多個(gè)客戶現(xiàn)場(chǎng)提供整套的碳化硅切割解決方案，備受客戶贊譽(yù)。

圖六 大族第三代半導(dǎo)體激光內(nèi)部改質(zhì)切割設(shè)備

隨著SiC市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大以及終端品質(zhì)要求的提升，SiC晶圓加工行業(yè)面臨更大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。大族顯視與半導(dǎo)體作為第三代半導(dǎo)體晶圓激光切割領(lǐng)域的領(lǐng)跑者，將不斷創(chuàng)新、研發(fā)，為半導(dǎo)體行業(yè)提供最專業(yè)的激光加工設(shè)備及方案。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Choyke, W., 1969. OPTICAL PROPERTIES OF POLYTYPES OF SiC: INTERBAND ABSORPTION, AND LUMINESCENCE OF NITROGEN-EXCITON COMPLEXES. Silicon Carbide–1968, pp.S141-S152.