中國粉體網(wǎng)訊 2024年12月24日，由中國粉體網(wǎng)主辦的“2024半導體行業(yè)用金剛石材料技術(shù)大會”在河南鄭州濱河假日酒店隆重召開。會議期間，我們邀請到多位業(yè)內(nèi)專家學者做客“對話”欄目，就金剛石材料在半導體行業(yè)中的應(yīng)用進展以及技術(shù)現(xiàn)狀進行了訪談交流。本期為您分享的是中國粉體網(wǎng)對南京大學修向前教授的專訪。
南京大學修向前教授
粉體網(wǎng)：修教授，碳化硅切片加工技術(shù)主要包括哪些？
修教授：碳化硅的硬度僅次于金剛石，屬于高硬脆性材料，將生長出的晶體切成片狀的切割過程耗時久，易裂片。作為碳化硅單晶加工過程的第一道工序，切片的性能決定了后續(xù)研磨、拋光、薄化等加工水平，切片加工易在晶片表面和亞表面產(chǎn)生裂紋，增加晶片的破片率和制造成本，因此控制晶片切片表層裂紋損傷，對推動碳化硅器件制造技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。目前報道的碳化硅切片加工技術(shù)主要包括固結(jié)、游離磨料切片、激光切割、冷分離和電火花切片等，其中往復式金剛石固結(jié)磨料多線切割是最常應(yīng)用于加工碳化硅單晶的方法。當晶錠尺寸達到8英寸及以上時，對線切割設(shè)備的要求很高，成本也很高，而效率太低，亟需發(fā)展低成本、低損耗、高效率的新型切割技術(shù)。
粉體網(wǎng)：激光切片技術(shù)對比傳統(tǒng)多線切割技術(shù)有哪些優(yōu)點？
修教授：傳統(tǒng)線切割工藝，需要將碳化硅晶錠沿著一定方向切割成厚度幾百微米的薄片，通過金剛石研磨液進行研磨，去除刀痕及表面亞表面裂紋損傷并達到所需要的厚度后，再進行CMP拋光以實現(xiàn)全局平坦化，最終清洗得到碳化硅晶圓。由于碳化硅是高硬度脆性材料，切磨拋時易翹曲開裂增加晶片的破片率和制造成本、表界面粗糙度高、污染嚴重（粉塵、污水等）等，且多線切割加工周期長、產(chǎn)率低。據(jù)測算，傳統(tǒng)的多線切割方法對整體材料利用率僅有50%，拋光研磨后，切損耗比例則高達75%。國外早期生產(chǎn)統(tǒng)計顯示，24小時連續(xù)并行生產(chǎn)，10000片生產(chǎn)時間約273天，耗時較長。
目前國內(nèi)碳化硅長晶企業(yè)多采用“如何增產(chǎn)”、大幅提高長晶爐數(shù)量，其實在長晶技術(shù)未完全成熟、良率較低的情況下，更應(yīng)該考慮“如何節(jié)約”。采用激光切片設(shè)備可以大大的降低損耗，提升產(chǎn)率。據(jù)測算，以單個20毫米SiC晶錠為例，采用線鋸可生產(chǎn)30片350um的晶圓，而用激光切片技術(shù)可生產(chǎn)多達50片以上晶圓。同時，由于激光切片生產(chǎn)的晶圓的幾何特性更好，因此單片晶圓厚度可以減少到200um，這就進一步增加了晶圓數(shù)量，單個20毫米SiC晶錠可以生產(chǎn)80多片晶圓。傳統(tǒng)的多線切割技術(shù)在6英寸及以下尺寸的碳化硅獲得廣泛應(yīng)用，而8英寸要切10-15天，對設(shè)備要求很高，成本也很高，而效率太低。在這種現(xiàn)實情況下，大尺寸激光切片的技術(shù)優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來，將成為未來8英寸切割的主流技術(shù)。激光切割8英寸碳化硅晶錠，單片切割時間可以小于20分鐘/片，而單片切割損耗控制在60um以內(nèi)。
總的來說，相比多線切割技術(shù)，激光切片技術(shù)具有高效快速、高產(chǎn)片率、低材料損耗、清潔等優(yōu)勢。
粉體網(wǎng)：碳化硅激光切割技術(shù)的主要難點是什么？
修教授：碳化硅激光切割技術(shù)主要流程就是兩步：激光改質(zhì)和晶片分離。
激光改質(zhì)的核心是對激光光束進行整形和優(yōu)化，各種參數(shù)如激光功率、光斑直徑、掃描速度等都會影響碳化硅燒蝕改質(zhì)以及后續(xù)晶圓分離的效果。改質(zhì)區(qū)幾何尺寸決定了表面粗糙度以及后續(xù)分離難度。高表面粗糙度會增加后續(xù)研磨的難度以及增大材料損耗。
激光改質(zhì)后晶片分離主要采用剪切力將切割晶片從晶錠上剝離，如冷裂、機械拉力等，目前國內(nèi)廠家研發(fā)多采用超聲波換能器利用振動進行分離，可能會出現(xiàn)碎片和崩邊等問題，從而降低了成品率。
上述兩步對大多數(shù)研究開發(fā)單位來說，應(yīng)該不存在很大的困難。但是，不同長晶廠家的晶錠因工藝和摻雜不同，晶錠質(zhì)量相互差異較大，或者單一晶錠內(nèi)部摻雜、應(yīng)力不均勻，都會增加晶錠切片的難度，增加損耗、降低成品率。僅僅通過各種檢測方法識別進而進行分區(qū)激光掃描切片，對于提升效率和切片質(zhì)量可能效果不會很顯著。如何開發(fā)創(chuàng)新性方法和技術(shù)，優(yōu)化切片工藝參數(shù)，研制出對不同廠家不同質(zhì)量晶錠具有普適工藝的激光切片設(shè)備和技術(shù)才是大規(guī)模應(yīng)用的核心。
粉體網(wǎng)：除了碳化硅，激光切片技術(shù)是否可以應(yīng)用于其他半導體材料的切割?
修教授：早期激光切割技術(shù)在各種材料領(lǐng)域都有應(yīng)用，在半導體領(lǐng)域主要是用于芯片晶圓的劃片，目前已擴展到大尺寸體單晶的切片。除了碳化硅外，還可以用于高硬度或者脆性材料如金剛石、氮化鎵以及氧化鎵等單晶體材料的切片。南京大學團隊在這幾種半導體單晶的切片方面都做了大量前期工作，驗證了半導體單晶激光切片技術(shù)的可行性和優(yōu)勢。
粉體網(wǎng)：目前我國是否有成熟的激光切片設(shè)備產(chǎn)品?目前您對該設(shè)備的研究開發(fā)處于什么階段?
修教授：大尺寸碳化硅激光切片設(shè)備被業(yè)界認為是未來8英寸碳化硅晶錠切片的核心設(shè)備。大尺寸碳化硅晶錠激光切片設(shè)備僅日本能提供，價格昂貴且對中國禁運。據(jù)調(diào)研，激光切片/減薄設(shè)備國內(nèi)需求按線切割數(shù)量以及碳化硅產(chǎn)能規(guī)劃估算可達1000臺左右，目前國內(nèi)大族激光、德龍激光、江蘇通用等公司已經(jīng)投入巨資開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，但尚未有商品化國產(chǎn)成熟設(shè)備進入產(chǎn)線應(yīng)用。
南京大學張榮院士和修向前教授團隊早在2001年就開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的氮化鎵襯底的激光剝離技術(shù)，積累了豐富的研究基礎(chǔ)。最近一年，我們將此技術(shù)應(yīng)用于大尺寸碳化硅的激光切割和減薄，已經(jīng)完成原型設(shè)備研制和切片工藝研發(fā)，實現(xiàn)了4-6英寸半絕緣碳化硅晶圓的切割減薄、6-8英寸導電型碳化硅晶錠的切片。6-8英寸半絕緣碳化硅切片時間10-15分鐘/片，單片損耗<30um；6-8英寸導電型碳化硅晶錠單片切割時間14-20分鐘/片，單片損耗<60um，估算產(chǎn)片率可提升50%以上。切片后經(jīng)研磨拋光，碳化硅晶圓的幾何參數(shù)符合國家標準，研究結(jié)果也表明激光切片時其熱效應(yīng)對于碳化硅應(yīng)力和幾何參數(shù)等沒有明顯影響。采用該設(shè)備，我們也進行了金剛石、氮化鎵和氧化鎵單晶的切片技術(shù)可行性驗證研究。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/喬木）
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