碳化硅晶圆切割方法综述

邹苗苗，窦 菲

(北京工业大学 应用数理学院，北京 100124)

0 引言

SiC是目前最成熟的宽带隙半导体材料，与第一代半导体Si和第二代半导体GaAs等相比，SiC晶体具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和速率大等优点，在高功率、高温半导体器件方面具有广泛的应用前景[1-3]。根据功率的不同，碳化硅的应用领域也不同。功率小于5 kW的器件主要用于家电领域；功率在5 kW～50 kW的碳化硅器件常用于铁路运输、光伏产业、智能电网等领域；功率在30 kW～350 kW的器件主要用于新能源汽车领域；功率100 kW～1 MW的器件主要用于不间断电源；当功率大于1 MW时主要用于风力发电领域。在过去的10年中，碳化硅功率设备在高功率半导体市场中所占的份额不断增加，但由于其硬度大 (莫氏硬度为9.2) 和易脆裂等特性，晶圆切割成为碳化硅器件制造领域的一个瓶颈，难以满足未来大规模的市场需求。因此，研究高效的碳化硅晶圆切割方法，对推动我国碳化硅新型电子元器件的发展、促进第三代半导体产业发展有着积极的意义。

随着科技的发展进步，碳化硅等硬脆性材料的切割方法也在不断改进。目前，切割碳化硅单晶片的方法主要有金刚石圆锯片切割、电火花线切割、线锯切割、激光热应力控制断裂切割技术 (激光热裂切割技术) 和激光隐形切割技术等。金刚石圆锯片切割主要分为内圆切割和外圆切割两种方式，但是这两种方法切割出的碳化硅晶圆表面质量较差、翘曲度较大、切缝宽，而且切割速度很慢、精度低、噪声大。因此该切割方法逐渐被碳化硅晶圆加工工厂所淘汰。电火花线切割是以移动的细线状金属丝作为工作电极，并在金属丝及工件间接通脉冲电流，利用两级间脉冲放电的电蚀作用对工件进行切割加工[4]。但是由于电火花加工的SiC晶片的切缝宽，故存在表面烧伤层厚度大等缺点，此方法并不适用于加工高质量的碳化硅材料。为了改善以上两种方法的缺点，线锯切割和激光切割等方法就被提了出来，并受到国内外学者的关注。本文在参阅了国内外相关文献资料后对线锯切割、激光热裂法切割、激光隐形切割等多种碳化硅晶片切割方法的原理及研究进展进行分析综述，进而对SiC切割方法的未来发展进行展望。

1 线锯切割

1.1 游离磨料线锯切割

游离磨料线锯切割加工是切割线、切削液中的磨料与工件三者相互作用的复杂过程[5]，其切割机理是利用线锯的快速运动将切削液中的磨料颗粒带入锯缝，从而使磨料颗粒达到“滚动-压痕”机制以去除材料[6]。其中，游离磨料多线切割的切割线多使用表面镀Cu的不锈钢丝(Ф150～300 μm)，单根线总长度可以达到600～800 km[7]。砂浆主要是由10～15 μm的碳化硅或金刚石和矿物油或水按一定比例混合而成。如图1所示，砂浆从上面喷洒在线网上，经过滚轮的高速运动，钢丝表面的磨料在钢丝的压力和速度的带动下进行碳化硅片的切割，多线切割后的晶圆如图2所示。

游离磨料线锯切割相比于传统的切割方式，克服了一次只能切割一片的缺点，可以加工较薄的晶圆(切片厚度<0.3 mm)，而且切割的产率高、材料损耗小，目前已经广泛用于单晶和多晶碳化硅片的加工。但是这种切割方法也有很多缺点，例如：切割速度低、切割表面的精度低、砂浆液难回收并且会对环境造成污染；另外在加工过程中游离的磨粒对钢线也具有磨削作用，这不仅会导致切割出来的碳化硅晶片厚度不均匀，而且会降低线锯的使用寿命[9]。随着加工要求的不断提升以及游离磨料线切割成本高、浆液循环利用较难、浆料的处理和回收成本高、污染严重等问题，游离切割技术在效果上已经较难满足加工要求[10]。

1.2 固结金刚石线锯切割

固结金刚石线锯切割技术是将高硬度、高耐磨性的金刚石磨粒通过电镀、树脂粘接、钎焊或机械镶嵌等方法固结在切割线上，通过金刚线的高速运动完成对SiC晶体的切割。日本学者ChibA.Y[11]研究认为，以镀镍金刚石为磨料采用电镀制成的锯丝 (其扫描电子显微照片如图3所示) 具有较高的耐磨性与耐热性，可以优先作为切割碳化硅晶圆的切割工具。固结磨粒的材料去除机理如图4所示，通过电镀的方法将金刚石磨粒固定在金刚石线上，随着锯丝的运动，磨粒直接与工件表面产生切割作用。根据金刚石线运动方式的不同，可以分为单向式、往复式和环形式三种。相较而言，往复式和环形式固结金刚石磨粒线锯切割比单向式有更长的有效长度和更高的线锯单位长度重复利用率，切割效率更高，目前广泛应用在硬脆材料切割领域，成为碳化硅晶圆切割的主流工艺。例如：山东大学孟磊[14]利用自制的环形电镀金刚石线锯加工机床对碳化硅晶体进行切割实验，研究了锯丝速度和恒进给力与锯切力、材料去除率、锯切表面粗糙度的关系，得出了增加锯丝速度，减小工件进给速度可以有效降低表面粗糙度的结论。西安理工大学的王昆鹏[15]基于虚拟仪器软件LabVIEW实现了往复式金刚石线锯切割系统线锯纵向位移与线锯速度、切割力数据的同步测量，建立了纵向力切割模型，并将线锯切割实验和仿真分析对比，研究了往复式金刚石线锯切割系统的运动特性对切割工件表面质量和切割力的影响。

相比游离磨料线锯切割的“三体加工”，固结金刚石线锯切割属于“二体加工”，其加工效率是游离磨料线锯切割的数倍以上[7]，而且具有切缝窄、环境污染小等优点。但是用这种方法切割SiC等硬脆性材料时存在切割效率低、晶片表面损伤层深、线锯磨损快等缺点。而且实验表明，锯切直径50 mm的SiC晶棒需耗时约23 h，且每锯切一次晶片线锯磨损都相当严重，线锯的严重磨损极大影响到线锯的寿命和晶片的翘曲度[16]。由此可见，固结金刚石磨粒线锯技术也不太适用于生产超薄大尺寸的SiC单晶片。

2 激光热裂法

热裂法 (Thermal Controlled Fracture method，简称TCFM) 是由美国学者Lumley于1971年首先提出的[17]。激光热裂法切割原理是利用激光照射使某部分的温度瞬间升高，材料表面会产生压应力，当激光移开后，材料表面的温度迅速降低，于是在激光照射前后会形成较大温差，这使材料表面产生较大拉应力，当拉应力达到破坏极限时，硬脆性材料就会沿着激光扫描路径开始断裂，从而完成对材料的切割。

目前，利用热裂法进行切割的方式主要有两种：预制轨迹热裂切割[18]和非预制轨迹热裂切割[19]，切割原理分别如图5和图6所示。预制轨迹热裂切割过程：先在待切割材料上设定切割轨迹，然后用激光沿着预定好的轨迹进行扫描，激光产生的热应力会驱动裂纹垂直方向扩展至材料断裂，最终完成对材料的切割(图5)。非预制轨迹切割过程：首先在板材边缘处预制一定深度微裂纹，然后用激光扫描产生的热应力驱动该裂纹沿扫描轨迹扩展直至整个板材发生断裂，最终实现切割[20](图6)。

激光热裂切割技术是利用激光局部照射产生不均匀的热膨胀，进而产生特殊的拉、压应力场来控制裂纹的扩展过程[21]。这种切割方法属于非接触无材料损失加工，并且具有切割断面质量好、切割效率高、清洁安全无污染等优点。但是激光热裂法加工硬脆性材料也有一定的局限性，主要体现在以下两个方面：一是无法对厚的(>10 mm)不透明材料进行切割；二是只能沿着直线路径切割，当切割路径为曲线、折线或非对称直线图案时存在切割路径偏差问题[22]，如图7所示。为了解决上述问题，科研人员在激光热裂切割原理的基础上进行系统优化或参数调整，形成了双光束热裂切割技术[24]、激光多焦点热裂切割技术[25]、超短脉冲激光热裂切割技术[26]等一系列新的切割方法，促进了该技术在加工领域的广泛应用。

3 激光隐形切割技术

隐形切割 (Stealth Dicing，简称SD) 技术也是在激光热裂切割原理的基础上发展而来的，是由日本的Kumagai Masayoshi等[27]于2007年首次提出，并且研究了纳秒脉冲激光对单晶/掺杂硅片、蓝宝石和GaAs等晶圆的隐形切割效果。激光隐形切割的原理如图8(a)所示，通过将光束整形过的脉冲激光的单个脉冲透过材料表面在材料内部聚焦，在焦点区域能量密度较高，形成多光子吸收，使得材料内形成改质层。在改质层位置材料的分子键被破坏，当垂直于带状的改质层施加压力时，晶圆沿着裂纹轨迹很容易被分割。激光隐形切割技术的提出解决了切割过程中碎片、污染物和晶圆上不必要的热损伤问题，而且隐形切割被认为是零线宽切割[29]，比普通激光切割更快速、稳定及可靠。隐形切割技术给大规模制备薄的碳化硅晶圆片提供了解决思路。

2012年，中国科学院半导体研究所的张翼英等[30]分别用纳秒激光、皮秒激光隐形切割蓝宝石衬底材料并对切割结果进行表征分析。研究结果表明，皮秒激光多脉冲隐形切割比利用纳秒激光隐形切割和皮秒单脉冲隐形切割制备的衬底材料从而制作的二极管光输出功率分别提高26.5%和11%，通过实验验证了隐形切割对材料热损伤降低，有效提高衬底材料光提取效率。

2016年，日本的京都大学的Eunho Kim[31]提出了一种利用飞秒激光隐形切4H-SiC的方法。首先利用马赫-曾德尔型装置将一束脉冲光分为两束，然后通过50X物镜将双脉冲光聚焦在4H-SiC内部并绘制激光诱导损伤线，最后在碳化硅板的两个表面粘在两个金属板上，通过在金属板表面上施加拉应力从而使碳化硅晶圆分离出来。研究结果表明，该方法可以成功地实现了4H-SiC单晶片的剥离，而且飞秒激光切片法所产生的损失比传统的线锯法小4倍以上。

2019年，法国学者Meyer，R.[32]提出了在隐形切割中加入一种超快光束整形器，由于在整形器中不涉及中间聚焦，可以形成非常高的能量，甚至可以达到焦耳能级，所以在光路中能产生高锥角贝塞尔光束。实验中在超过8 mm的传播距离上，仍然可以保持亚波长直径的高强度。这产生了一个具有超过10000∶1的高纵横比的高强度焦点区域，最终在厚度达1 cm的厚玻璃中实现隐形切割。

2021年，中国科学院微电子研究所的张哲[33]等提出了一种新的双激光异步切割方法来提高碳化硅晶片的切割质量。首先利用脉冲激光沿着设计的切割线在晶片内部引入微裂纹，然后利用连续波激光器在裂纹周围产生热应力，从而在超薄的200 μm碳化硅样品内部实现隐形切割并成功分离晶圆。该方法在切割时可以省略传统碳化硅切割工艺中的断裂工艺，在未来的碳化硅晶片切割应用中具有巨大的工程潜力(图9)。

北京工业大学张新平教授课题组[34]在大量实验的基础上，研究了飞秒激光的功率和切割速度对碳化硅晶圆切割效果的影响，实现了晶圆表面的15 μm深度的刻痕，该刻痕深度是市场上的300 μm碳化硅晶圆厚度的1/20，满足晶圆分离的条件。未来如果实现分离，在满足低成本、大规模制备的基础上，相比于线锯切割技术可以减少95%的材料浪费。

4 总结

本文分析总结了碳化硅等硬脆性材料的切割方法，对比了几种切割方法的优缺点及存在的问题。目前工业上使用最广泛的碳化硅切片方法为固结金刚石多线切割，利用激光热裂方法进行切割也形成了比较成熟的研究体系，但是这两种方法在切割过程中都对材料造成了巨大的浪费，提高了碳化硅的生产成本。激光隐形切割在SiC晶圆切割方面具有明显的优势，可以实现对碳化硅的精准切割，能提高晶圆的切割质量和切割效率，有效降低材料损耗率，为大规模制备超薄的碳化硅晶圆片提供了新思路，未来有望发展成为硬脆性材料切割的主流技术。