01Einführung
Das Zerteilen von Wafern ist ein wichtiger Schritt bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen. Die Schneidmethode und -qualität wirken sich direkt auf die Dicke, Rauheit, Abmessungen und Produktionskosten des Wafers aus und haben erhebliche Auswirkungen auf die Geräteherstellung. Siliziumkarbid ist als Halbleitermaterial der dritten-Generation ein entscheidendes Material für die Förderung der elektrischen Revolution. Die Produktionskosten für qualitativ hochwertiges kristallines Siliziumkarbid sind extrem hoch, und häufig besteht der Wunsch, einen großen Siliziumkarbid-Ingot in möglichst viele dünne Siliziumkarbid-Wafersubstrate zu schneiden. Gleichzeitig hat die industrielle Entwicklung zu einer Vergrößerung der Wafergröße geführt, was die Anforderungen an Schneidprozesse erhöht. Siliziumkarbid hat jedoch mit einer Mohs-Härte von 9,5 eine extrem hohe Härte und liegt damit nur hinter dem härtesten Diamanten der Welt (10). Darüber hinaus weist es die Zerbrechlichkeit von Kristallen auf, was das Schneiden erschwert. Gegenwärtig werden in der Industrie typischerweise Schlammdrahtschneiden oder Diamantdrahtsägenschneiden eingesetzt. Während des Schneidens wird eine feststehende Drahtsäge in gleichmäßigen Abständen um den Siliziumkarbid-Ingot positioniert und durch Spannen der Drahtsäge werden Siliziumkarbid-Wafer herausgeschnitten. Die Verwendung der Drahtsägemethode zum Trennen von Wafern aus einem Barren mit 6-Zoll Durchmesser dauert etwa 100 Stunden. Die resultierenden Wafer haben nicht nur einen relativ großen Schnitt, sondern auch eine größere Oberflächenrauheit, was zu Materialverlusten von bis zu 46 % führt. Dies erhöht die Kosten für die Verwendung von Siliziumkarbidmaterialien und schränkt deren Entwicklung in der Halbleiterindustrie ein, sodass die Erforschung neuer Schneidtechnologien für Siliziumkarbidwafer dringend erforderlich ist. In den letzten Jahren hat der Einsatz der Laserschneidtechnologie bei der Herstellung und Verarbeitung von Halbleitermaterialien immer mehr an Bedeutung gewonnen. Das Prinzip dieser Methode besteht darin, mit einem fokussierten Laserstrahl das Substrat von der Oberfläche oder im Inneren des Materials her zu verändern und so zu trennen. Da es sich um einen berührungslosen Prozess handelt, werden Auswirkungen von Werkzeugverschleiß und mechanischer Belastung vermieden. Dadurch werden die Oberflächenrauheit und Präzision des Wafers erheblich verbessert, nachfolgende Polierprozesse überflüssig gemacht, Materialverluste reduziert, Kosten gesenkt und die durch herkömmliche Schleif- und Polierprozesse verursachte Umweltverschmutzung minimiert. Die Laserschneidtechnologie wird seit langem zum Schneiden von Siliziumbarren eingesetzt, ihre Anwendung im Siliziumkarbidbereich ist jedoch noch nicht ausgereift, da derzeit einige Haupttechnologien verfügbar sind.
2Wasser-geführtes Laserschneiden
Die wassergeführte Lasertechnologie (Laser MicroJet, LMJ), auch als Laser-Mikrojet-Technologie bekannt, basiert auf dem Prinzip der Fokussierung eines Laserstrahls auf eine Düse, wenn der Laser eine druckmodulierte Wasserkammer passiert. Aus der Düse wird ein Wasserstrahl mit niedrigem -Druck ausgestoßen. An der Grenzfläche von Wasser und Luft bildet sich aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes ein Lichtwellenleiter, der es dem Laser ermöglicht, sich entlang der Richtung des Wasserflusses auszubreiten und so die Materialoberfläche durch Hochdruck-Wasserstrahlführung zu schneiden. Der Hauptvorteil wassergeführter Laser liegt in der Schnittqualität; Der Wasserstrom kühlt nicht nur den Schneidbereich und reduziert so die thermische Verformung und Beschädigung des Materials, sondern transportiert auch Bearbeitungsrückstände ab. Im Vergleich zum Seilsägenschneiden ist die Geschwindigkeit deutlich erhöht. Die Absorption verschiedener Wellenlängen durch Wasser variiert jedoch, sodass die verwendeten Laserwellenlängen hauptsächlich auf 1064 nm, 532 nm und 355 nm begrenzt sind. 1993 schlug der Schweizer Wissenschaftler Beruold Richerzhagen diese Technologie erstmals vor, und sein Unternehmen Synova ist auf die Forschung und Industrialisierung wassergeführter Laser spezialisiert und auf internationaler Ebene technologisch führend, während die inländische Technologie mit Unternehmen wie Inno Laser und relativ zurückliegt Shengguang Silicon Research entwickelt sich aktiv weiter.
03Stealth-Würfeln
Beim Stealth Dicing (SD) wird ein Laser durch die Siliziumkarbidoberfläche in das Innere des Chips fokussiert und so eine modifizierte Schicht in der gewünschten Tiefe erzeugt, um eine Wafertrennung zu erreichen. Da es keine Schnitte auf der Oberfläche des Wafers gibt, kann eine höhere Bearbeitungspräzision erreicht werden. Das SD-Verfahren mit Nanosekunden-Pulslasern wird in der Industrie zur Trennung von Siliziumwafern eingesetzt. Bei der SD-Bearbeitung von Siliziumkarbid durch gepulste Nanosekundenlaser treten jedoch thermische Effekte auf, da die Impulsdauer viel länger ist als die Kopplungszeit zwischen Elektronen und Phononen in Siliziumkarbid (in der Größenordnung von Pikosekunden). Der hohe Wärmeeintrag in den Wafer führt nicht nur dazu, dass die Trennung von der gewünschten Richtung abweicht, sondern erzeugt auch erhebliche Restspannungen, die zu Brüchen und schlechter Spaltung führen. Daher werden bei der Bearbeitung von Siliziumkarbid in der Regel Ultrakurzpulslaser-SD-Prozesse eingesetzt, wodurch thermische Effekte stark reduziert werden.
Das japanische Unternehmen DISCO hat am Beispiel der Bearbeitung eines Siliziumkarbid-Kristallbarrens mit einem Durchmesser von 6 Zoll und einer Dicke von 20 mm eine Laserschneidtechnologie namens Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA) entwickelt, die die Produktionsrate von Siliziumkarbid-Wafern um das Vierfache steigert. Die Essenz des KABRA-Prozesses fokussiert den Laser im Inneren des Siliziumkarbidmaterials, zerlegt das Siliziumkarbid durch „amorphe-schwarze Wiederholungsabsorption“ in amorphes Silizium und amorphen Kohlenstoff und bildet eine Schicht als Trennpunkt für den Wafer, nämlich die schwarze amorphe Schicht, die mehr Licht absorbiert und dadurch die einfache Trennung des Wafers erleichtert.
Die von Siltectra entwickelte und von Infineon übernommene Cold-Split-Wafer-Technologie ermöglicht nicht nur die Aufteilung verschiedener Arten von Ingots in Wafer, sondern führt auch zu einem Verlust von nur 80 μm pro Wafer, was den Materialverlust um 90 % reduziert und letztendlich die Gesamtproduktionskosten der Geräte um bis zu 30 % senkt. Die Kaltschneidetechnologie umfasst zwei Schritte: Erstens erzeugt die Laserbestrahlung eine Delaminationsschicht auf dem Barren, wodurch sich das Volumen des Siliziumkarbidmaterials ausdehnt, wodurch Zugspannung entsteht und eine sehr schmale Mikrorissschicht entsteht. Anschließend werden diese Mikrorisse durch einen Polymerkühlungsschritt zu einem Hauptriss verarbeitet, der schließlich den Wafer vom verbleibenden Barren trennt. Im Jahr 2019 ergab eine unabhängige Bewertung dieser Technologie, dass die Oberflächenrauheit Ra der geteilten Wafer weniger als 3 µm betrug, wobei die besten Ergebnisse unter 2 µm lagen.
Das von einem inländischen großen Laserfamilienunternehmen entwickelte modifizierte Laserschneiden ist eine Lasertechnologie, die Halbleiterwafer in einzelne Chips oder Körner trennt. Bei diesem Verfahren wird der Wafer auch intern mit einem Präzisionslaserstrahl gescannt, um eine modifizierte Schicht zu bilden, die es dem Wafer ermöglicht, sich unter angelegter Spannung entlang des Laserscanpfads auszudehnen und so eine präzise Trennung zu erreichen.
Derzeit beherrschen inländische Hersteller die Technologie des Schneidens von Siliziumkarbid mit Mörtel, aber der Schnittverlust ist groß, die Effizienz ist gering und die Umweltverschmutzung ist stark, was nach und nach durch die Diamantdrahtschneidetechnologie ersetzt wird. Gleichzeitig sind die Leistungs- und Effizienzvorteile des Laserschneidens hervorzuheben, da es im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Kontaktbearbeitungstechnologien viele Vorteile bietet, darunter eine hohe Bearbeitungseffizienz, schmale Schneidwege und eine hohe Spandichte. Dies macht es zu einem starken Konkurrenten für den Ersatz der Diamantdrahtschneidetechnologie und eröffnet neue Möglichkeiten für die Anwendung von Halbleitermaterialien der nächsten Generation wie Siliziumkarbid. Mit der Entwicklung der Industrietechnologie nimmt die Größe von Siliziumkarbid-Substraten weiter zu und die Siliziumkarbid-Schneidtechnologie wird sich rasch weiterentwickeln. Effizientes und qualitativ hochwertiges Laserschneiden wird in Zukunft ein wichtiger Trend beim Siliziumkarbidschneiden sein.
