半導(dǎo)體襯底材料碳化硅(SiC)已經(jīng)引起電動(dòng)汽車(EV)和電力電子制造商的濃厚興趣：與傳統(tǒng)的硅電子器件相比，碳化硅在這些應(yīng)用中展現(xiàn)出許多優(yōu)勢(shì)。但 SiC 的材料特性與硅有很大不同，這意味著目前的 IC 制備工藝在一定程度上并不適用于 SiC，甚至根本不適用。

切割（晶片劃切）就是一個(gè)典型例子。作為硅晶片切割的主要方法，機(jī)械鋸切不能完全應(yīng)用到 SiC 上。主要原因在于，SiC 是已知最硬的材料之一，其硬度幾乎與金剛石相當(dāng)。因此，鋸切 SiC 會(huì)產(chǎn)生切屑，并迅速磨損昂貴的金剛石鋸片，鋸切速度相對(duì)較慢，而且會(huì)產(chǎn)生熱量（這會(huì)影響被切割材料的特性）。在本應(yīng)用說明中，我們將探討怎樣運(yùn)用最新激光技術(shù)克服這些技術(shù)挑戰(zhàn)，并介紹加工 SiC 材料的解決方案。

非接觸式激光切割為加工 SiC 材料提供了一種極具吸引力的選擇。理想的激光加工可以減少或消除邊緣崩裂， 并將材料的機(jī)械變化（裂紋、應(yīng)力或其他缺陷）減至最少。此外，它還能最大限度地減小切口寬度，以保持“自由區(qū)域”的尺寸（相鄰電路之間的空區(qū)域），從而大幅增加每片晶圓的芯片數(shù)量。考慮到生產(chǎn)成本，其切割速度還需要更快。事實(shí)證明，超短脈沖(USP) 激光器完全具有上述優(yōu)點(diǎn)，尤其是在高精度切割和燒蝕堅(jiān)硬、透明或脆性材料方面。

我們使用 MKS Spectra-Physics® IceFyre® 紫外皮秒激光器，進(jìn)行了 SiC 切割工藝的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，探討了 TimeShift 可編程脈沖串功能的影響。

測(cè)試樣品為 340 µm 厚的 4H-SiC 材料。利用 IceFyre UV50 激光器的可編程脈沖串功能，我們使用從單脈沖到 12 個(gè)脈沖串的各種脈沖配置制作了各種劃片。

圖 1. 單脈沖和各種脈沖串配置（4-12 個(gè)脈沖串子脈沖）在 25 mm/s 凈速度下，劃線深度與功率的函數(shù)關(guān)系。顯然，脈沖串提高了燒蝕率。

總體結(jié)果如圖 1 所示，圖中顯示了各種脈沖串配置下劃線深度與平均激光功率的函數(shù)關(guān)系。在每次測(cè)試中，我們?cè)诓牧系耐�一位置上總共進(jìn)行了八十次高速劃線。利用 IceFyre 激光器的 TimeShift 功能，可以精準(zhǔn)控制每個(gè)脈沖串在工作面上的位置（例如總脈沖重疊）。在這種情況下，脈沖的有效空間重疊率約為 84%，這是通過交錯(cuò)配置多個(gè)重疊次數(shù)較少的脈沖來實(shí)現(xiàn)的。

這一數(shù)據(jù)清楚地表明，使用脈沖串可顯著提高燒蝕率，這與在其他材料中，使用脈沖串處理的結(jié)果一致。

圖 2. 顯微鏡圖像顯示 25 µm 深溝槽的頂部和底部。這些圖像顯示，隨著脈沖串中脈沖數(shù)量的增加，劃線質(zhì)量也在穩(wěn)步提高。

為了對(duì)劃線進(jìn)行定性評(píng)估，我們拍攝了一系列照片。這些照片如圖 2 所示。具體來說，這些照片是利用 1、4、8 和 12 個(gè)脈沖串制作的一系列 25 µm 深溝槽的圖像， 在每種情況下，激光平均功率和凈速度都經(jīng)過調(diào)整，以達(dá)到最佳質(zhì)量（25 µm 深度）。

在上排照片中，顯微鏡聚焦的是晶圓上表面，而在下排照片中，聚焦的是劃線底面（底部）。隨著脈沖串子脈沖數(shù)的增加，整體特征質(zhì)量明顯提高。特別值得注意的是，隨著脈沖數(shù)的增加，劃線周圍的變色逐漸縮小，然后完全消失。這種變色通常表明表面或基體材料發(fā)生了某種變化——可能由于材料過熱而導(dǎo)致表面氧化。

圖 3. 從這些圖像中可以看出，使用皮秒紫外激光器加工可以獲得極佳的加工表面質(zhì)量。高脈沖數(shù)脈沖串的優(yōu)勢(shì)在此顯而易見。

圖 3 中的照片顯示的只是一系列劃線的底部（底面）， 這次的放大倍數(shù)更高。在這種情況下，每次劃線都是在相同的激光器工作條件下進(jìn)行的，即平均功率為 16 W， 凈掃描速度為 25 mm/s。圖中示出了每種條件下的劃線深度。

分辨率更高的視圖里表明：隨著脈沖數(shù)的增加，表面光滑度的改善更加明顯。值得注意的是，在平均功率和整體加工速度不變的情況下，使用 TimeShift 功能定制脈沖輸出可以使劃線深度增加三倍。

這項(xiàng)測(cè)試表明，紫外皮秒激光器可以在 SiC 晶片上制作超高質(zhì)量的劃線，測(cè)試還明顯證明了 TimeShift 脈沖串編程的優(yōu)勢(shì)。尤其明顯的是，測(cè)試表明脈沖數(shù)越高，劃線質(zhì)量越好，進(jìn)料速率也越高。這一結(jié)果令人振奮，驗(yàn)證了使用具有 TimeShift 功能的 IceFyre 皮秒激光器進(jìn)行 SiC 劃線，既能達(dá)到生產(chǎn)所需的產(chǎn)量，又能保證質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)高成本效益。

IceFyre 工業(yè)皮秒激光器

IceFyre UV50 是市面上表現(xiàn)優(yōu)異的紫外皮秒激光器，在 1.25 MHz (>40 μJ) 時(shí)提供 >50 W 的紫外輸出功率，脈沖串模式下的脈沖能量為 100 μJ，脈沖寬度為 10 ps。IceFyre UV50 設(shè)定了從單次激發(fā)到 10 MHz 的功率和重復(fù)率的新標(biāo)準(zhǔn)。IceFyre 激光器的獨(dú)特設(shè)計(jì)利用了光纖激光器的靈活性，和 Spectra-Physics 獨(dú)有的功率放大器，實(shí)現(xiàn)了 TimeShift 可編程脈沖串功能。每臺(tái)激光器均配備一組標(biāo)準(zhǔn)波形；可選的 TimeShift ps GUI 可用于創(chuàng)建自定義波形。

文章來源：MKS 光電解決方案

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