01Inleiding
Het in blokjes snijden van wafers is een belangrijke stap in de productie van halfgeleiderapparaten. De snijmethode en kwaliteit hebben rechtstreeks invloed op de dikte, ruwheid, afmetingen en productiekosten van de wafer, en hebben een aanzienlijke impact op de productie van het apparaat. Siliciumcarbide is als halfgeleidermateriaal van de derde-generatie een cruciaal materiaal voor het bevorderen van de elektrische revolutie. De productiekosten van kristallijn siliciumcarbide van hoge kwaliteit- zijn extreem hoog, en er bestaat vaak de wens om een grote siliciumcarbide-staaf in zoveel mogelijk dunne siliciumcarbidewafelsubstraten te snijden. Tegelijkertijd heeft de industriële ontwikkeling geleid tot een toename van de wafelgrootte, waardoor de eisen aan snijprocessen toenemen. Siliciumcarbidemateriaal heeft echter een extreem hoge hardheid, met een Mohs-hardheid van 9,5, de tweede na de hardste diamant ter wereld (10), en het heeft ook de kwetsbaarheid van kristallen, waardoor het moeilijk te snijden is. Momenteel maakt de industrie doorgaans gebruik van het snijden van slurrydraad of het zagen van diamantdraad. Tijdens het snijden wordt een vaste draadzaag op gelijke afstanden rond de siliciumcarbide-staaf geplaatst, en door de draadzaag aan te spannen worden siliciumcarbidewafels uitgesneden. Het gebruik van de draadzaagmethode om wafers te scheiden van een staaf met een diameter van 15,5 cm duurt ongeveer 100 uur. De resulterende wafels hebben niet alleen een relatief grote snede, maar ook een grotere oppervlakteruwheid, wat leidt tot materiaalverliezen tot wel 46%. Dit verhoogt de kosten van het gebruik van siliciumcarbidematerialen en beperkt de ontwikkeling ervan in de halfgeleiderindustrie, waardoor onderzoek naar nieuwe snijtechnologieën voor siliciumcarbidewafels urgent wordt. De afgelopen jaren is het gebruik van lasersnijtechnologie steeds populairder geworden bij de productie en verwerking van halfgeleidermaterialen. Het principe van deze methode is om een gefocusseerde laserstraal te gebruiken om het substraat van het materiaaloppervlak of van binnenuit te modificeren, waardoor het wordt gescheiden. Omdat dit een contactloos proces is, worden de effecten van gereedschapsslijtage en mechanische belasting vermeden. Daarom verbetert het de oppervlakteruwheid en precisie van de wafel aanzienlijk, elimineert het de noodzaak van daaropvolgende polijstprocessen, vermindert het materiaalverlies, verlaagt het de kosten en minimaliseert het de milieuvervuiling veroorzaakt door traditionele slijp- en polijstprocessen. Lasersnijtechnologie wordt al lang toegepast op het snijden van siliciumstaven, maar de toepassing ervan op het gebied van siliciumcarbide is nog steeds niet volwassen, aangezien er momenteel enkele belangrijke technologieën beschikbaar zijn.
2Water-geleid lasersnijden
Water-geleide lasertechnologie (Laser MicroJet, LMJ), ook bekend als laser-microjettechnologie, werkt volgens het principe van het focusseren van een laserstraal op een mondstuk wanneer de laser door een druk-gemoduleerde waterkamer gaat; er wordt een waterstroom met lage-druk uit het mondstuk gespoten. Op het grensvlak van water en lucht wordt, als gevolg van het verschil in brekingsindices, een lichtgolfgeleider gevormd, waardoor de laser zich kan voortplanten in de richting van de waterstroom, waardoor het materiaaloppervlak wordt gesneden door middel van hoge-waterstraalgeleiding. Het belangrijkste voordeel van water-geleide lasers ligt in de snijkwaliteit; de waterstroom koelt niet alleen het snijgebied af, waardoor thermische vervorming en schade aan het materiaal wordt verminderd, maar voert ook verwerkingsresten af. In vergelijking met draadzagen is de snelheid aanzienlijk verhoogd. De absorptie van verschillende golflengten door water varieert echter, waardoor de gebruikte lasergolflengten voornamelijk worden beperkt tot 1064 nm, 532 nm en 355 nm. In 1993 stelde de Zwitserse wetenschapper Beruold Richerzhagen deze technologie voor het eerst voor, en zijn bedrijf, Synova, is gespecialiseerd in het onderzoek en de industrialisatie van water-geleide lasers, en loopt technologisch voorop op het internationale toneel, terwijl de binnenlandse technologie relatief achterloopt, met bedrijven als Inno Laser en Shengguang Silicon Research ontwikkelt zich actief.
03Stealth dobbelstenen
Stealth Dicing (SD) omvat het focusseren van een laser door het oppervlak van siliciumcarbide in de binnenkant van de chip, waardoor een gemodificeerde laag op de gewenste diepte ontstaat om wafelscheiding te bereiken. Omdat er geen insnijdingen in het oppervlak van de wafel zitten, kan een hogere verwerkingsprecisie worden bereikt. Het SD-proces waarbij gebruik wordt gemaakt van pulslasers van nanoseconden wordt in de industrie toegepast voor het scheiden van siliciumwafels. Tijdens de SD-verwerking van siliciumcarbide geïnduceerd door gepulseerde lasers van nanoseconden treden echter thermische effecten op omdat de pulsduur veel langer is dan de koppelingstijd tussen elektronen en fononen in siliciumcarbide (in de orde van picoseconden). De hoge thermische input naar de wafel zorgt er niet alleen voor dat de scheiding de neiging heeft af te wijken van de gewenste richting, maar genereert ook aanzienlijke restspanningen, wat leidt tot breuken en slechte splijting. Daarom worden bij de verwerking van siliciumcarbide doorgaans ultra-kortepulslaser-SD-processen gebruikt, waardoor de thermische effecten aanzienlijk worden verminderd.
Het Japanse bedrijf DISCO heeft een lasersnijtechnologie ontwikkeld met de naam Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA), waarbij gebruik wordt gemaakt van het voorbeeld van de verwerking van een siliciumcarbide-kristalstaaf met een diameter van 15 cm en een dikte van 20 mm, waardoor de productiesnelheid van siliciumcarbidewafels met vier keer is toegenomen. De essentie van het KABRA-proces concentreert de laser in het siliciumcarbidemateriaal, waarbij het siliciumcarbide wordt ontleed in amorf silicium en amorfe koolstof door middel van 'amorfe-zwarte repetitieve absorptie', en een laag wordt gevormd als scheidingspunt voor de wafel, namelijk de zwarte amorfe laag, die meer licht absorbeert, waardoor de gemakkelijke scheiding van de wafel wordt vergemakkelijkt.
De cold-split wafer-technologie ontwikkeld door Siltectra, overgenomen door Infineon, maakt het niet alleen mogelijk om verschillende soorten blokken in wafers te verdelen, maar resulteert ook in een verlies van slechts 80 μm per wafer, waardoor het materiaalverlies met 90% wordt verminderd en uiteindelijk de totale productiekosten van de apparaten met maximaal 30% worden verlaagd. De koudsnijtechnologie omvat twee fasen: ten eerste creëert laserbelichting een delaminatielaag op de staaf, waardoor het siliciumcarbidemateriaal in volume uitzet, wat trekspanning veroorzaakt en een zeer smalle micro-scheurlaag vormt; vervolgens worden deze micro-scheurtjes, via een polymeerkoelingsstap, verwerkt tot een hoofdscheur, waardoor uiteindelijk de wafel wordt gescheiden van de resterende staaf. In 2019 werd bij een externe-beoordeling van deze technologie gemeten dat de oppervlakteruwheid Ra van de gespleten wafers minder dan 3 µm was, met de beste resultaten onder de 2 µm.
Het gemodificeerde lasersnijden, ontwikkeld door een binnenlands groot familielaserbedrijf, is een lasertechnologie die halfgeleiderwafels scheidt in individuele chips of korrels. Dit proces omvat ook het intern scannen van de wafel met een precisielaserstraal om een gemodificeerde laag te vormen, waardoor de wafel onder uitgeoefende spanning langs het laserscanpad kan uitzetten, waardoor een nauwkeurige scheiding wordt bereikt.
Momenteel beheersen binnenlandse fabrikanten de technologie van het snijden van siliciumcarbide met mortel, maar het snijverlies is groot, de efficiëntie is laag en de vervuiling is ernstig, die geleidelijk wordt vervangen door de diamantdraadsnijtechnologie. Tegelijkertijd zijn de prestatie- en efficiëntievoordelen van lasersnijden prominent aanwezig en bieden ze vele voordelen vergeleken met traditionele mechanische contactverwerkingstechnologieën, waaronder een hoge verwerkingsefficiëntie, smalle snijpaden en een hoge spaandichtheid, waardoor het een sterke concurrent is om diamantdraadsnijtechnologie te vervangen en een nieuwe weg wordt geopend voor de toepassing van halfgeleidermaterialen van de volgende- generatie, zoals siliciumcarbide. Met de ontwikkeling van industriële technologie blijft de omvang van siliciumcarbidesubstraten toenemen en zal de snijtechnologie van siliciumcarbide zich snel ontwikkelen; efficiënt en hoogwaardig-lasersnijden zal in de toekomst een belangrijke trend zijn bij het snijden van siliciumcarbide.
