來源：半導體封裝工程師之家

碳化矽是寬禁帶半導體器件制造的核心材料，SiC 器件具有高頻、大功率、耐高溫、耐輻射、抗幹擾、體積小、重量輕等諸多優勢，是目前矽和砷化镓等半導體材料所無法比拟的，應用前景十分廣闊，是核心器件發展需要的關鍵材料，由于其加工難度大，一直未能得到大規模推廣應用。

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碳化矽材料的加工難度體現在：

(1)硬度大，莫氏硬度分布在 9.2～9.6；

(2)化學穩定性高，幾乎不與任何強酸或強堿發生反應；

(3) 加工設備尚不成熟。

因此，圍繞碳化矽晶圓劃片工藝和設備展開研究，對推動我國碳化矽新型電子元器件的發展，促進第三代半導體産業發展有着積極的意義。

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碳化矽材料特性

碳化矽是ⅠⅤ-ⅠⅤ族二元化合物半導體，具有很強的離子共價鍵，結合能量穩定，具有優越的力學、化學性能。材料帶隙即禁帶能量決定了器件很多性能，包括光譜響應、抗輻射、工作溫度、擊穿電壓等，碳化矽禁帶寬度大。

如最常用的 4H-SiC禁帶能量是 3.23 eV，因此，具有良好的紫外光譜響應特性，被用于制作紫外光電二極管。SiC 臨界擊穿電場比常用半導體矽和砷化镓大很多，其制作的器件具有很好的耐高壓特性。

另外，擊穿電場和熱導率決定器件的最大功率傳輸能力，SiC 熱導率高達 5 W/(cm·K)，比許多金屬還要高，因此非常适合做高溫、大功率器件和電路。碳化矽熱穩定性很好，可以工作在 300～600 ℃。碳化矽硬度高，耐磨性好，常用來研磨或切割其它材料，這就意味着碳化矽襯底的劃切非常棘手。

目前，用于制作電子器件的碳化矽晶圓主要有 2 種，N 型導電晶圓厚度 150～350 μm，電阻率0.010～0.028 Ω·cm 2 ，主要應用于發光二極管、電力電子行業的功率器件。

高純半絕緣晶圓厚度50～100 μm，電阻率 1×10 8 Ω·cm 2 ，主要用于微波射頻、氮化镓晶體管等領域。針對半導體行業應用的 SiC 晶圓劃切，研究幾種加工方法的特點及應用。

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碳化矽晶圓劃片方法

2.1 砂輪劃片

砂輪劃片機是通過空氣靜壓電主軸驅動刀片高速旋轉，實現對材料的強力磨削。所用的刀片刃口鍍有金剛砂顆粒，金剛砂的莫氏硬度為 10 級，僅僅比硬度 9.5 級的 SiC 略高一點，反複地低速磨削不僅費時，而且費力，同時也會造成刀具頻繁磨損。如：100 mm（4 英寸）SiC 晶圓劃切每片需要6～8 h，且易造成崩邊缺陷。因此，這種傳統的低效加工方式已經逐漸被激光劃片取代。

2.2 激光全劃

激光劃片是利用高能激光束照射工件表面，使被照射區域局部熔化、氣化，從而達到去除材料，實現劃片的過程。激光劃片是非接觸式加工，無機械應力損傷，加工方式靈活，不存在刀具損耗和水污染，設備使用維護成本低。為避免激光劃透晶圓時損傷支撐膜，采用耐高溫燒蝕的 UV 膜。

目前，激光劃片設備采用工業激光器，波長主要有 1 064 nm、532 nm、355 nm 三種，脈寬為納秒、皮秒和飛秒級。理論上，激光波長越短、脈寬越短，加工熱效應越小，有利于微細精密加工，但成本相對較高。355 nm 的紫外納秒激光器因其技術成熟、成本低、加工熱效應小，應用非常廣泛。近幾年 1 064 nm 的皮秒激光器技術發展迅速，應用到很多新領域，獲得了很好的效果。圖 1、圖 2 分别對 2 種激光器劃切 SiC 晶圓的效果進行了對比。

從圖 1、圖 2 中可以看出，355 nm 紫外激光加工熱效應小，但未完全氣化的熔渣在切割道内粘連堆積，使得切割斷面不光滑，附着的熔渣在後續工藝環節容易脫落，影響器件性能。1 064 nm 的皮秒激光器采用較大的功率，劃切效率高，材料去除充分，斷面均勻一緻，但加工熱效應太大，芯片設計中需要預留更寬的劃切道。

2.3 激光半劃

激光半劃适用于解理性較好的材料加工，激光劃切至一定深度，然後采用裂片方式，沿切割道産生縱向延伸的應力使芯片分離。這種加工方式效率高，無需貼膜去膜工序，加工成本低。但碳化矽晶圓的解理性差，不易裂片，裂開的一面容易崩邊，劃過的部分仍然存在熔渣粘連現象，如圖 3 所示。

2.4 激光隐形劃切

激光隐形劃切是将激光聚焦在材料内部，形成改質層，然後通過裂片或擴膜的方式分離芯片。表面無粉塵污染，幾乎無材料損耗，加工效率高。實現隐形劃切的 2 個條件是材料對激光透明，足夠的脈沖能量産生多光子吸收。

碳化矽在室溫下的帶隙能量 Eg 約為 3.2 eV，即為 5.13×10 -19 J。1 064 nm 激光光子能量 E=hc/λ=1.87×10 -19 J。可見 1 064 nm 的激光光子能量小于碳化矽材料的吸收帶隙，在光學上呈透明特性，滿足隐形劃切的條件。實際的透過率與材料表面特性、厚度、摻雜物的種類等因素有關，以厚度 300 μm 的碳化矽抛光晶圓為例，實測 1 064 nm 激光透過率約為67%。

選用脈沖寬度極短的皮秒激光，多光子吸收産生的能量不轉換成熱能，隻在材料内部引起一定深度的改質層，改質層是材料内部裂紋區、熔融區或折射率變化區。然後通過後續的裂片工藝，晶粒将沿着改質層分離。

碳化矽材料解理性差，改質層的間隔不能太大。試驗采用 JHQ-611 全自動劃片機和 350 μm厚的 SiC 晶圓，劃切 22 層，劃切速度 500 mm/s，裂開後的斷面比較光滑，崩邊小，邊緣整齊，如圖4 所示。

2.5 水導激光劃切

水導激光是将激光聚焦後導入微水柱中，水柱的直徑根據噴嘴孔徑而異，有 100～30 μm 多種規格。利用水柱與空氣界面全反射的原理，激光被導入水柱後将沿着水柱行進方向傳播。

在水柱維持穩定的範圍内都能進行加工，超長的有效工作距離特别适合厚材料的切割。傳統激光切割時，能量的累積和傳導是造成切割道兩側熱損傷的主要原因，而水導激光因水柱的作用，将每個脈沖殘留的熱量迅速帶走不會累積在工件上，因此切割道幹淨利落。

基于這些優點，理論上水導激光切割碳化矽是不錯的選擇，但該技術難度大，相關的設備成熟度不高，作為易損件的噴嘴制作難度大，如果不能精确穩定地控制微細水柱，飛濺的水滴燒蝕芯片，影響成品率。因此，該工藝目前尚未應用到碳化矽晶圓生産環節中。

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結束語

本文分析了目前碳化矽晶圓劃片的幾種工藝方法，結合工藝試驗和數據，比較各自的優劣和可行性。其中，激光隐形劃片與裂片結合的加工方法，加工效率高、工藝效果滿足生産需求，是碳化矽晶圓的理想加工方式。

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