Würfelverfahren für Siliziumkarbid-Wafer

1. Anreißen der Schleifscheibe
Die Schleifscheiben-Würfelmaschine treibt die Klinge über die aerostatische Elektrospindel an, um mit hoher Geschwindigkeit zu rotieren, um ein starkes Schleifen der Materialien zu erreichen. Die Schneidkanten der verwendeten Klingen sind mit Korundpartikeln beschichtet. Die Mohs-Härte von Korund liegt mit 10 nur geringfügig über der von SiC mit einer Härte von 9,5. Wiederholtes Schleifen bei niedriger Drehzahl ist nicht nur zeitaufwändig und mühsam, sondern führt auch zu häufigem Verschleiß des Werkzeugs. Beispielsweise dauert das Schneiden eines 100 mm (4 Zoll) großen SiC-Wafers 6-8 Stunden, und es kann leicht zu Abplatzfehlern kommen. Daher wurde diese traditionelle ineffiziente Bearbeitungsmethode nach und nach durch das Laserritzen ersetzt.
2. Vollständige Lasermarkierung
Beim Laserritzen wird ein hochenergetischer Laserstrahl verwendet, um die Oberfläche eines Werkstücks zu bestrahlen, um den bestrahlten Bereich lokal zu schmelzen und zu verdampfen und so Materialabtrag und Ritzen zu erreichen. Beim Laserritzen handelt es sich um eine berührungslose Bearbeitung ohne Beschädigung durch mechanische Beanspruchung, flexible Bearbeitungsmethoden, kein Werkzeugverlust und keine Wasserverschmutzung sowie geringe Wartungskosten für die Ausrüstung. Um eine Beschädigung der Trägerfolie zu vermeiden, wenn der Laser durch den Wafer ritzt, wird eine UV-Folie verwendet, die gegen Hochtemperaturablation beständig ist.
Derzeit werden bei Laserritzgeräten Industrielaser mit drei Wellenlängen von 1064 nm, 532 nm und 355 nm und Pulsbreiten von Nanosekunden, Pikosekunden und Femtosekunden verwendet. Theoretisch gilt: Je kürzer die Laserwellenlänge und je kürzer die Impulsbreite, desto geringer ist der thermische Effekt der Bearbeitung, was für die Mikropräzisionsbearbeitung von Vorteil ist, aber die Kosten sind relativ hoch. Der 355-nm-Ultraviolett-Nanosekundenlaser wird aufgrund seiner ausgereiften Technologie, seiner geringen Kosten und seines geringen thermischen Verarbeitungseffekts häufig verwendet. In den letzten Jahren hat sich die 1 064-nm-Pikosekundenlasertechnologie rasant weiterentwickelt und wurde mit guten Ergebnissen in vielen neuen Bereichen eingesetzt.
Beispielsweise ist der thermische Effekt der 355-nm-Ultraviolett-Laserbearbeitung gering, aber die unvollständig verdampfte Schlacke haftet und sammelt sich in der Schnittlinie, wodurch der Schnittabschnitt nicht glatt wird und die anhaftende Schlacke im nachfolgenden Prozess leicht abfällt und das Gerät beeinträchtigt Leistung. Der 1064-nm-Pikosekundenlaser bietet eine höhere Leistung, eine hohe Ritzeffizienz, einen ausreichenden Materialabtrag und einen gleichmäßigen Querschnitt, aber der thermische Effekt der Verarbeitung ist zu groß und beim Chipdesign müssen breitere Ritzspuren reserviert werden.
3. Laser-Halbhub
Das Laser-Halbritzen eignet sich zur Bearbeitung von Materialien mit besserer Spaltbarkeit. Laserritzen schneidet bis zu einer bestimmten Tiefe und wendet dann eine Spaltmethode an, um eine sich in Längsrichtung erstreckende Spannung entlang der Schnittlinie zu erzeugen, um die Späne zu trennen. Diese Verarbeitungsmethode zeichnet sich durch eine hohe Effizienz aus, es ist kein Filmankleben und Filmentfernungsprozess erforderlich und die Verarbeitungskosten sind niedrig. Die Spaltung von Siliziumkarbid-Wafern ist jedoch schlecht und es ist nicht einfach, sie zu spalten. Die rissige Seite kann leicht abplatzen und das Phänomen der Schlackenanhaftung ist im zerkratzten Teil immer noch vorhanden.
4. Unsichtbares Laserschneiden
Beim Laser-Stealth-Scribing wird der Laser auf die Innenseite des Materials fokussiert, um eine modifizierte Schicht zu bilden, und dann wird der Chip durch Spaltung oder Ausdehnung des Films abgetrennt. Es gibt keine Staubverschmutzung auf der Oberfläche, nahezu keinen Materialverlust und die Verarbeitungseffizienz ist hoch. Die beiden Voraussetzungen für das Stealth-Scribing sind, dass das Material für den Laser transparent ist und dass ausreichend Pulsenergie eine Multiphotonenabsorption erzeugt.
Die Bandlückenenergie Eg von Siliziumkarbid beträgt bei Raumtemperatur etwa 3,2 eV, was 5,13×10 -19 J entspricht. 1 064 nm Laserphotonenenergie E=hc/λ=1 .87×10 -19 J. Es ist ersichtlich, dass die Laserphotonenenergie von 1 064 nm kleiner ist als die Absorptionsbandlücke von Siliziumkarbidmaterial und es optisch transparent ist, was die Bedingungen für unsichtbar erfüllt Schreiben. Die tatsächliche Durchlässigkeit hängt von Faktoren wie Materialoberflächeneigenschaften, Dicke und Dotierstofftypen ab. Am Beispiel eines polierten Siliziumkarbidwafers mit einer Dicke von 300 μm beträgt die gemessene Laserdurchlässigkeit bei 1064 nm etwa 67 %.
Der Pikosekundenlaser mit extrem kurzer Pulsbreite wird ausgewählt und die durch Multiphotonenabsorption erzeugte Energie wird nicht in Wärmeenergie umgewandelt, sondern bewirkt nur eine bestimmte Tiefe der modifizierten Schicht im Inneren des Materials. Die modifizierte Schicht ist der Rissbereich, der Schmelzbereich oder der Bereich mit Brechungsindexänderung im Inneren des Materials. Durch den anschließenden Spaltprozess werden die Körner dann entlang der modifizierten Schicht getrennt.
Die Spaltbarkeit von Siliziumkarbidmaterial ist schlecht und der Abstand zwischen den modifizierten Schichten sollte nicht zu groß sein. Der Test verwendet eine automatische Würfelschneidemaschine JHQ-611 und einen 350 μm dicken SiC-Wafer, um 22 Schichten mit einer Schnittgeschwindigkeit von 500 mm/s zu schneiden. Nach dem Riss ist der Abschnitt relativ glatt, mit kleinen Absplitterungen und sauberen Kanten.
5. Wassergeführtes Laserschneiden
Der Wasserleitlaser fokussiert das Laserlicht und leitet es in die Mikrowassersäule. Der Durchmesser der Wassersäule variiert je nach Düsenöffnung und es gibt verschiedene Angaben von 100-30 μm. Unter Verwendung des Prinzips der Totalreflexion zwischen der Wassersäule und der Luftgrenzfläche breitet sich das Laserlicht nach dem Einleiten in die Wassersäule entlang der Richtung der Wassersäule aus.
Es kann in einem Bereich verarbeitet werden, in dem die Wassersäule stabil bleibt, und der extrem lange effektive Arbeitsabstand eignet sich besonders zum Schneiden dicker Materialien. Beim herkömmlichen Laserschneiden ist die Ansammlung und Weiterleitung von Energie die Hauptursache für thermische Schäden auf beiden Seiten der Schnittlinie, während der wassergeführte Laser die Restwärme jedes Impulses schnell abführt, ohne sich wirkungsbedingt am Werkstück anzusammeln der Wassersäule, so dass der Weg sauber und ordentlich ist.
Aufgrund dieser Vorteile ist das wasserleitende Laserschneiden von Siliziumkarbid theoretisch eine gute Wahl, die Technologie ist jedoch schwierig und der Reifegrad der entsprechenden Ausrüstung ist nicht hoch. Es ist schwierig, Düsen als gefährdete Teile herzustellen. Wenn die feine Wassersäule nicht genau und stabil kontrolliert werden kann, tragen die verspritzten Wassertröpfchen den Chip ab, was sich negativ auf die Ausbeute auswirkt. Daher wurde dieses Verfahren bisher nicht auf die Herstellung von Siliziumkarbid-Wafern angewendet.