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)中的應用進展以及技術現(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的發(fā)展具有重要意義。目前報道的碳化硅切片加工技術主要包括固結、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磨料多線切割是最常應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。

粉體網(wǎng)：激光切片技術對比傳統(tǒng)多線切割技術有哪些優(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，其實在長晶技術未完全成熟、良率較低的情況下，更應該考慮“如何節(jié)約”。采用激光切片設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)的多線切割技術在6英寸及以下尺寸的碳化硅獲得廣泛應用，而8英寸要切10-15天，對設備要求很高，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優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來，將成為未來8英寸切割的主流技術。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，激光切片技術具有高效快速、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的主要難點是什么？

修教授：碳化硅激光切割技術主要流程就是兩步：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，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備和技術才是大規(guī)模應用的核心。

粉體網(wǎng)：除了碳化硅，激光切片技術是否可以應用于其他半導體材料的切割?

修教授：早期激光切割技術在各種材料領域都有應用，在半導體領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備產(chǎn)品?目前您對該設備的研究開發(fā)處于什么階段?

修教授：大尺寸碳化硅激光切片設備被業(yè)界認為是未來8英寸碳化硅晶錠切片的核心設備。大尺寸碳化硅晶錠激光切片設備僅日本能提供，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)相關產(chǎn)品，但尚未有商品化國產(chǎn)成熟設備進入產(chǎn)線應用。

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)權的氮化鎵襯底的激光剝離技術，積累了豐富的研究基礎。最近一年，我們將此技術應用于大尺寸碳化硅的激光切割和減薄，已經(jīng)完成原型設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，研究結果也表明激光切片時其熱效應對于碳化硅應力和幾何參數(shù)等沒有明顯影響。采用該設備，我們也進行了金剛石、氮化鎵和氧化鎵單晶的切片技術可行性驗證研究。

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/喬木）

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