01Въведение
Нарязването на вафли е важна стъпка в производството на полупроводникови устройства. Методът и качеството на рязане пряко влияят върху дебелината, грапавостта, размерите и производствените разходи на пластината и оказват значително влияние върху производството на устройството. Силициевият карбид, като трето-поколение полупроводников материал, е решаващ материал за насърчаване на електрическата революция. Производствените разходи за високо-качествен кристален силициев карбид са изключително високи и често има желание да се нареже голям слитък от силициев карбид на колкото е възможно повече тънки подложки от силициев карбид. В същото време индустриалното развитие доведе до увеличаване на размера на вафлите, което повишава изискванията за процесите на рязане. Въпреки това, материалът от силициев карбид има изключително висока твърдост, с твърдост по Моос от 9,5, на второ място след най-твърдия диамант в света (10), и също така има крехкостта на кристалите, което го прави труден за рязане. Понастоящем индустрията обикновено използва рязане с тел за суспензия или рязане с диамантена тел. По време на рязане, неподвижен телеен трион се позиционира на равни интервали около слитъка от силициев карбид и чрез опъване на теления трион се изрязват пластини от силициев карбид. Използването на метода на теления трион за отделяне на пластини от слитък с диаметър 6-инча отнема около 100 часа. Получените вафли имат не само сравнително голям разрез, но и по-голяма грапавост на повърхността, което води до загуби на материал до 46%. Това увеличава разходите за използване на материали от силициев карбид и ограничава развитието му в полупроводниковата индустрия, което прави изследването на нови технологии за рязане на пластини от силициев карбид спешно. През последните години използването на технология за лазерно рязане става все по-популярно в производството и обработката на полупроводникови материали. Принципът на този метод е да се използва фокусиран лазерен лъч за модифициране на субстрата от повърхността на материала или вътрешно, като по този начин се отделя. Тъй като това е безконтактен процес, той избягва ефектите от износването на инструмента и механичния стрес. Следователно, той значително подобрява грапавостта на повърхността и прецизността на пластината, елиминира необходимостта от последващи процеси на полиране, намалява загубата на материал, намалява разходите и минимизира замърсяването на околната среда, причинено от традиционните процеси на шлайфане и полиране. Технологията за лазерно рязане отдавна се прилага за рязане на силициеви блокове, но нейното приложение в областта на силициевия карбид все още не е зряло, като в момента са налични няколко основни технологии.
2Лазерно-насочвано рязане
Насочвана-водна лазерна технология (Laser MicroJet, LMJ), известна още като лазерна микроструйна технология, работи на принципа на фокусиране на лазерен лъч върху дюза, когато лазерът преминава през-модулирана водна камера с налягане; от дюзата се изхвърля водна струя под ниско{2}}налягане. На границата между вода и въздух, поради разликата в показателите на пречупване, се формира светлинен вълновод, позволяващ на лазера да се разпространява по посока на водния поток, като по този начин се постига рязане на повърхността на материала чрез насочване на водна струя под високо-налягане. Основното предимство на водните -лазери се крие в качеството на рязане; водният поток не само охлажда зоната на рязане, намалявайки топлинната деформация и повреда на материала, но също така отнася остатъците от обработката. В сравнение с рязането с телеен трион, неговата скорост е значително увеличена. Поглъщането на различните дължини на вълните от водата обаче варира, ограничавайки използваните лазерни дължини на вълните главно до 1064 nm, 532 nm и 355 nm. През 1993 г. швейцарският учен Беруолд Рихерцхаген за първи път предложи тази технология и неговата компания, Synova, е специализирана в изследването и индустриализацията на водни-управляеми лазери, водещи в технологично отношение на международната сцена, докато местната технология е относително изостанала, като компании като Inno Laser и Shengguang Silicon Research се развиват активно.
03 Стелт зарчета
Stealth Dicing (SD) включва фокусиране на лазер през повърхността на силициевия карбид във вътрешността на чипа, създавайки модифициран слой на желаната дълбочина, за да се постигне разделяне на пластини. Тъй като няма разрези по повърхността на вафлата, може да се постигне по-висока прецизност на обработката. Процесът SD, използващ наносекундни импулсни лазери, е използван в индустрията за разделяне на силициеви пластини. Въпреки това, по време на SD обработката на силициев карбид, предизвикана от наносекундни импулсни лазери, възникват топлинни ефекти, тъй като продължителността на импулса е много по-голяма от времето на свързване между електрони и фонони в силициевия карбид (от порядъка на пикосекунди). Високият топлинен вход към пластината не само кара разделянето да се отклонява от желаната посока, но също така генерира значително остатъчно напрежение, което води до счупвания и лошо разцепване. Следователно ултра-лазерните SD процеси с ултра-импулс обикновено се използват при обработката на силициев карбид, което значително намалява термичните ефекти.
Японската компания DISCO разработи технология за лазерно рязане, наречена Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA), като използва примера за обработка на слитък от кристал от силициев карбид с диаметър 6 инча и дебелина 20 mm, което увеличи скоростта на производство на пластини от силициев карбид четири пъти. Същността на процеса KABRA фокусира лазера вътре в материала силициев карбид, разлагайки силициевия карбид на аморфен силиций и аморфен въглерод чрез „аморфна-черна повтаряща се абсорбция“ и образувайки слой като точка на разделяне на пластината, а именно черния аморфен слой, който абсорбира повече светлина, като по този начин улеснява лесното отделяне на пластината вафла.
Технологията за студено разделяне на пластини, разработена от Siltectra, придобита от Infineon, не само позволява различни видове блокове да бъдат разделени на пластини, но също така води до загуба от едва 80 μm на пластина, намалявайки загубата на материал с 90%, като в крайна сметка намалява общата производствена цена на устройствата с до 30%. Технологията на студено рязане включва два етапа: първо, излагането на лазер създава разслояващ слой върху слитъка, което кара материала от силициев карбид да се разширява в обем, което създава напрежение на опън и образува много тесен слой с микро-пукнатини; след това, чрез етап на охлаждане на полимера, тези микро-пукнатини се преработват в основна пукнатина, като в крайна сметка пластината се отделя от останалия слитък. През 2019 г. оценка на трета-страна на тази технология измерва, че повърхностната грапавост Ra на разделените пластини е по-малка от 3 µm, като най-добрите резултати са под 2 µm.
Модифицираното лазерно рязане, разработено от местна голяма семейна лазерна компания, е лазерна технология, която разделя полупроводниковите пластини на отделни чипове или зърна. Този процес включва и вътрешно сканиране на пластината с прецизен лазерен лъч, за да се образува модифициран слой, позволяващ на пластината да се разшири по пътя на лазерно сканиране при приложено напрежение, постигайки прецизно разделяне.
Понастоящем местните производители са усвоили технологията за рязане на силициев карбид с хоросан, но загубата при рязане е голяма, ефективността е ниска и замърсяването е сериозно, което постепенно се заменя от технологията за рязане на диамантена тел. В същото време предимствата на производителността и ефективността на лазерното рязане са видни, предлагайки много предимства в сравнение с традиционните технологии за механична контактна обработка, включително висока ефективност на обработка, тесни пътища на рязане и висока плътност на чипа, което го прави силен конкурент за замяна на технологията за рязане с диамантена тел и отваря нов път за прилагане на следващо-поколение полупроводникови материали като силициев карбид. С развитието на индустриалната технология размерът на субстратите от силициев карбид продължава да се увеличава и технологията за рязане на силициев карбид ще се развива бързо; ефективното и високо{3}}качествено лазерно рязане ще бъде важна тенденция в рязането със силициев карбид в бъдеще.
