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科研应用
SiC单晶材料的激光剥离技术研究进展
材料来源:电子工艺技术           录入时间:2024/3/5 23:31:33

0 引言 

SiC半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高的性能优势,在高功率、高频率环境下能保持较高的效率,并且具有较强的耐高温能力和抗辐射能力。SiC已成为大功率微波射频器件与高电压电力电子器件的主要衬底材料,在卫星通讯、高压输变电、轨道交通、电动汽车、通讯基站、国防军工等领域有重要的应用前景(如图1所示)。据估算,SiC 基半导体器件可使大数据中心能耗降低50%,特高压 电网损耗降低60%,新能源汽车续航里程提高20%以上,轨道交通功率器件系统损耗降低20%以上,工业电机节能30%。目前,SiC等宽禁带半导体已被列入我国“十四五”发展规划,成为在国家层面重点发展的关键技术。 

近年来,全球范围内对SiC材料需求快速增长。根据Yole全球产业数据,SiC同质外延电力电子器件 市场规模有望从2018年的4亿美元增加到2027年的172亿美元,复合年增长率约51%,SiC基GaN外延微 波射频器件市场规模也有望从2018年的6亿美元增加 到2027年的34亿美元,对应SiC衬底材料市场规模从2018年的1.21亿美元增长到2024年的11亿美元,复合 年增长率达44%,2027年SiC衬底材料市场规模将达到约33亿美元。在国内4G/5G通信、新能源等行业旺盛需求的牵引下,我国在SiC半导体技术领域虽起步较晚,但已形成了较大的产业规模。

SiC半导体产业的突出瓶颈是高昂的衬底材料成本,目前单晶衬底材料占器件总成本的50%左右,导致其现阶段仅被用于部分对成本不敏感的领域。以电力电子领域为例,虽然SiC基器件性能具有显著优 势,但绝大多数应用场景仍将Si基器件作为首选,目前SiC在电力电子器件领域的渗透率仅为4.2%~4.5%。除单晶生长过程的生长速度慢、能耗高、良率低外,SiC材料莫氏硬度高达9.2~9.5,是自然界中仅次于金刚石的高硬度材料,导致SiC晶体加工速度慢、 原材料损耗大、加工良率低,大幅度地增加了衬底的成本,并影响衬底的产能提升。

从晶锭到合格衬底片,目前国内SiC晶体加工产线普遍使用的加工流程主要分为磨平、滚圆、切 割、粗研磨、精研磨、机械抛光、化学机械抛光、清洗、检测等多道工序,其中用于SiC晶体切片的多线切割过程是SiC加工损失的主要来源。如图2所示,与切割线直径相近的SiC材料会被磨削成碎屑 (150~250 μm),称为锯口损失(Kerf Loss),而切割线的高速行走过程还会造成20~50 μm的粗糙起伏与表面/亚表面结构损伤,必须通过后续磨抛工艺去除,总材料损耗量占原材料的30%~50%。此外, 因多线切割过程需使用液体进行磨削、锯口冷却与碎屑冲洗,不可避免地产生大量含硅废水,废水中 微米至纳米粒径的颗粒物难于絮凝,回收难度大,易造成严重的环境污染。

事实上,多线切割技术可一次性切割长度400 mm 以上的晶锭,有利于大尺寸晶体加工效率的提升,但会导致与线径尺度相近的锯口损失。因此,多线切割技术适用于单晶Si、多晶Si、蓝宝石等材料成本低,晶锭横纵向尺度大的晶体材料,而SiC材料成本 高,晶锭长度短,需将数个晶锭粘接后进行多线切割,生产效率低、切割损耗成本高,因此有必要开发更适用于SiC材料的晶体加工新方法。 

1 激光剥离技术原理  

激光剥离技术是将激光精密加工技术与晶体剥离技术相结合,预先在晶体内特定位置制造结合力较薄弱的改质层,有利于剥离工艺中形成确定的晶体断裂位置,从而提升了剥离过程的可控性与晶片的厚度一致性,这对于SiC等高硬度、高脆性、高材料成本的单晶材料加工尤为重要。 

如图3所示,常规的激光加工是利用烧蚀效应或平行改质技术。这类技术是将材料沿激光入射方向进行分离,仅可用于晶圆上的芯片分割。激光垂 直改质技术利用可穿透晶体的一定波长的激光,通过特殊设计的激光光学系统,在晶体内部极窄的深 度范围内实现高密度光吸收,从而令晶体材料发生 化学键断裂与分解、激光诱导电离、热致开裂等一系列物理化学过程。使用激光束在整个晶体表面扫描,即可形成垂直于激光入射方向的改质层。

可控晶体剥离是一种新型晶体加工技术,通常使用精准控制的机械结构或精确设计的表面应力层,诱导晶体开裂,最终实现晶体表面附近的薄层完整无损剥离,具有速度快、成本低、化学危害小的优点。实现激光垂直改质后,借助可控晶体剥离 技术,可完成晶体的整片分割。相较于常规的晶体机械加工方式,此技术从原理上避免了锯口损失, 且晶体内部损伤较小,大大降低了SiC衬底加工过程的材料损耗。 

激光剥离技术可将晶锭加工成晶片,是多线切割的替代技术。如图4所示,用于量产的激光剥离技术应包含激光改质、晶体剥离、晶锭加工三个工艺步骤。首先在晶锭内部指定深度使用激光扫描形成一个完整的改质面,降低晶体结合力;而后利用 机械拉伸、机械扭转、超声振动、冷却的方式,使晶体在改质面处断裂,分割为晶锭与晶片;由于剥离后的晶锭表面粗糙度较大,对激光的散射效应较强,因此在下一层激光改质前需将晶锭表面加工至较光滑的状态。上述三个步骤依次循环,即可将晶锭连续加工成晶片。半导体器件制造工艺需在原子级平滑的表面上进行外延薄膜生长,利用激光剥离技术加工的晶片表面粗糙度仅可达到微米级,因此需进一步通过磨抛加工,方可制成合格衬底片。

与多线切割相比,激光剥离技术更适合材料成本高、晶锭长度短的硬脆晶体加工领域,实现晶 体加工成本的大幅下降,并提高加工效率与加工质量。近期日本名古屋大学天野浩团队证明激光剥离技术可很好地应用于GaN单晶衬底及晶体管器件的加工,展现了优良的技术可拓展性。因此,激光剥离装备被誉为半导体材料制备领域的“光刻机”, 有望成为半导体材料制造产业中的核心工艺装备。 

2 激光剥离技术研究进展   

在不同的加工工艺条件下,超快激光可引起多种透明材料内部的形成结构、成分、折射率变化。在2006年,日本科学家已能实现以纳秒脉冲激光聚焦 Si内部,局部加热可控深度产生高密度位错,继而实现无碎片化的切割技术。2009年,日本国立德岛大学报道了由飞秒激光引发的微型爆裂现象,在SiC中产生了应力层及空隙。2017年日本京都大学通过特殊光学设计,在晶锭预定深度聚焦激光扫描,引起 SiC的无定形转化、分解,从而实现切割,所得晶片 均方根粗糙度5 μm。 

晶体剥离技术方面,早在1985年美国科学家就 证明了在应力层的残余拉伸应力作用下,可从Si和 GaAs晶片上剥离薄层。但是,早期的晶体剥离试 验过程很难控制,因为当应力达到由晶片断裂韧性确定的阈值时,裂纹会自发产生并随机传播,造成 剥离层厚度不均甚至碎裂。美国IBM公司研发了一种可控剥离技术,该方法设计了额外的牵引层,用于施加外力触发断裂,并定向引导裂纹扩展,还建立了临界应力和剥落层厚度相关性的理论模型,为工艺优化提供指导。此外,晶圆级的Si、GaN单晶, 以及III-V族太阳能电池、集成电路、LED等半导体 器件均可利用该技术实现可控剥离。 

在产业化技术方面,日本Disco公司与德国 Siltectra公司分别发布了适用于4~6英寸SiC晶锭整片 剥离的激光剥离技术,可大幅提高SiC晶体加工效 率与加工质量,降低SiC衬底成本。日本Disco公司 研发了“KABRA(Key Amorphous-Black Repetitive Absorption,关键非晶黑色重复吸收)”技术,以激 光诱导SiC非晶态转化,并通过机械、超声等方式实现了SiC晶锭切片,6英寸激光改质时间≤15 min,相应设备已于2018年实现销售。该公司完成了KABRA技术的晶圆加工全流程试验,并将激光剥离制造的晶圆进行了肖特基二极管器件验证,结果表明激光剥 离技术可获得同等的器件性能。德国Siltectra公司提 出了“Cold Split(冷剥离)”技术,用超快激光在晶体内部产生微裂纹,而后通过聚合物冷却将晶片 与剩余晶锭分离。2017年11月,Siltectra公司在德国德累斯顿建立了一条使用Cold Split技术加工SiC晶体的试验线。2018年11月,德国半导体巨头英飞凌耗资 1.24亿欧元收购了Siltectra公司,Cold Split技术也已通过英飞凌公司验证,预计在2023年整合至批量生产中。 

我国相关领域起步较晚,技术积累较少。国内中国电子科技集团公司第二研究所、大族激光等单位率先开展试验探索,具备了SiC晶体激光剥离工艺与装备研发能力,山东天岳、华为、松山湖材料实验室等机构也布局了相关专利。 

3 激光剥离技术优势   

激光加工技术具有自动化程度高和易集成的优 势。日本Disco公司基于KABRA工艺技术和精密加工设备的研发基础,研制了具备激光剥离、研磨、抛 光等功能的KABRA!zen型全自动SiC多晶锭并行加工系统。据该公司分析[19-20],若在SiC衬底制造工艺中使用KABRA!zen系统替代传统机械加工设备,按照从直径6英寸、厚度20 mm的SiC晶锭加工标准的350 μm 晶片估算,激光垂直改质剥离技术具有较大的优势 (见表1)。

1)激光剥离技术可充分利用激光加工设备的易集成易自动化特性,将多个晶锭的研磨、改质切割、剥离工序并行实施,从而提高加工效率。 

2)激光剥离技术几乎无材料损耗,仅需在后续磨抛工艺中将上下表面共去除约80 μm的材料。而多线切割工艺中会造成与切割线直径接近厚度的材料损伤(按180 μm估算),后续磨抛工艺也需去除约80μm的粗糙起伏区与损伤层,因此使用激光 剥离技术SiC加工损耗可从260 μm降低至80 μm。对于20 mm厚的SiC晶锭,等量原料的情况下产量提升44%。 

3)多线切割技术会导致切割面较大的粗糙度与亚表面损伤,需要使用粗研磨工艺以去除晶片表面上的起伏。而激光剥离工艺可将剥离面晶片起伏控制在极低的水平,因而可省略粗研磨步骤,从而节约了时间、设备及人力成本。 

另外,基于高纯半绝缘SiC衬底的微波射频器件制造过程中,为降低寄生电容,并方便制造通孔以 实现共接地,通常需将SiC衬底减薄至100 μm左右, 且衬底厚度需随器件工作频率而减小。而在导电型 SiC衬底的电力电子器件制造中,背面减薄也可提 高正向导通电流密度、降低正向压降、降低通态损耗。目前,衬底背面减薄通过砂轮磨削实现,由于 SiC属于高硬度脆性材料,磨削法加工效率较低,材料浪费严重,且易导致过大的晶圆翘曲。激光剥离 不仅可实现指定厚度的晶圆减薄,还可实现剥离晶 片的二次利用。据估算,若采用激光剥离技术回收 剥离下来的晶片,每片6英寸SiC器件晶圆的制造成本 可节约近300美元,从而降低SiC器件制造商约30%的 材料成本。

4 前景与展望    

激光剥离技术具有生产效率高、材料损耗小的突出优势,是极具发展潜力的新型晶体加工技术。但是,为实现激光剥离工艺与设备的广泛推广,还 有很多待解决的工程问题:

1)对于现有的晶体剥离方案,其力学本质均为硬脆材料的断裂过程,此过 程可控性差,需大量工艺优化以降低晶片翘曲度及 残余应力;

2)与传统晶体加工过程不同,激光扫描与晶体剥离均为逐片处理的过程,其工艺一致性与稳定性有待批产验证;

3)激光改质与剥离单元技术有望取代多线切割工序,但其对晶片的加工效果与多线切割存在差异,为实现批产应用,需对晶体加工前后工序进行调整与优化,提高激光剥离的产线适用性;

4)SiC半导体器件均工作在高温、高电压、高电流等极端环境,激光剥离技术尽管已经过实验室器件验证,器件的长期可靠性与稳定性仍有待长周期多场景的考验。

从长远来看,激光垂直改质剥离技术必将成为 SiC半导体领域一项技术革命,该技术也可应用于 GaN、AlN、金刚石等硬脆半导体材料的高效加工, 从而将宽禁带半导体产业推向新的高度。

转自:半导体在线

来源:电子工艺技术

作者:胡北辰,张志耀,张红梅,牛奔(中国电子科技集团公司第二研究所)

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