0 引言 

SiC半導(dǎo)體具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率高的性能優(yōu)勢，在高功率、高頻率環(huán)境下能保持較高的效率，并且具有較強的耐高溫能力和抗輻射能力。SiC已成為大功率微波射頻器件與高電壓電力電子器件的主要襯底材料，在衛(wèi)星通訊、高壓輸變電、軌道交通、電動汽車、通訊基站、國防軍工等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景（如圖1所示）。據(jù)估算，SiC 基半導(dǎo)體器件可使大數(shù)據(jù)中心能耗降低50%，特高壓 電網(wǎng)損耗降低60%，新能源汽車續(xù)航里程提高20%以上，軌道交通功率器件系統(tǒng)損耗降低20%以上，工業(yè)電機節(jié)能30%。目前，SiC等寬禁帶半導(dǎo)體已被列入我國“十四五”發(fā)展規(guī)劃，成為在國家層面重點發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。 

近年來，全球范圍內(nèi)對SiC材料需求快速增長。根據(jù)Yole全球產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)，SiC同質(zhì)外延電力電子器件 市場規(guī)模有望從2018年的4億美元增加到2027年的172億美元，復(fù)合年增長率約51%，SiC基GaN外延微 波射頻器件市場規(guī)模也有望從2018年的6億美元增加 到2027年的34億美元，對應(yīng)SiC襯底材料市場規(guī)模從2018年的1.21億美元增長到2024年的11億美元，復(fù)合 年增長率達44%，2027年SiC襯底材料市場規(guī)模將達到約33億美元。在國內(nèi)4G/5G通信、新能源等行業(yè)旺盛需求的牽引下，我國在SiC半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域雖起步較晚，但已形成了較大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的突出瓶頸是高昂的襯底材料成本，目前單晶襯底材料占器件總成本的50%左右，導(dǎo)致其現(xiàn)階段僅被用于部分對成本不敏感的領(lǐng)域。以電力電子領(lǐng)域為例，雖然SiC基器件性能具有顯著優(yōu) 勢，但絕大多數(shù)應(yīng)用場景仍將Si基器件作為首選，目前SiC在電力電子器件領(lǐng)域的滲透率僅為4.2%~4.5%。除單晶生長過程的生長速度慢、能耗高、良率低外，SiC材料莫氏硬度高達9.2~9.5，是自然界中僅次于金剛石的高硬度材料，導(dǎo)致SiC晶體加工速度慢、 原材料損耗大、加工良率低，大幅度地增加了襯底的成本，并影響襯底的產(chǎn)能提升。

從晶錠到合格襯底片，目前國內(nèi)SiC晶體加工產(chǎn)線普遍使用的加工流程主要分為磨平、滾圓、切 割、粗研磨、精研磨、機械拋光、化學機械拋光、清洗、檢測等多道工序，其中用于SiC晶體切片的多線切割過程是SiC加工損失的主要來源。如圖2所示，與切割線直徑相近的SiC材料會被磨削成碎屑 （150~250 μm），稱為鋸口損失（Kerf Loss），而切割線的高速行走過程還會造成20~50 μm的粗糙起伏與表面/亞表面結(jié)構(gòu)損傷，必須通過后續(xù)磨拋工藝去除，總材料損耗量占原材料的30%~50%。此外， 因多線切割過程需使用液體進行磨削、鋸口冷卻與碎屑沖洗，不可避免地產(chǎn)生大量含硅廢水，廢水中 微米至納米粒徑的顆粒物難于絮凝，回收難度大，易造成嚴重的環(huán)境污染。

事實上，多線切割技術(shù)可一次性切割長度400 mm 以上的晶錠，有利于大尺寸晶體加工效率的提升，但會導(dǎo)致與線徑尺度相近的鋸口損失。因此，多線切割技術(shù)適用于單晶Si、多晶Si、藍寶石等材料成本低，晶錠橫縱向尺度大的晶體材料，而SiC材料成本 高，晶錠長度短，需將數(shù)個晶錠粘接后進行多線切割，生產(chǎn)效率低、切割損耗成本高，因此有必要開發(fā)更適用于SiC材料的晶體加工新方法。 

1 激光剝離技術(shù)原理  

激光剝離技術(shù)是將激光精密加工技術(shù)與晶體剝離技術(shù)相結(jié)合，預(yù)先在晶體內(nèi)特定位置制造結(jié)合力較薄弱的改質(zhì)層，有利于剝離工藝中形成確定的晶體斷裂位置，從而提升了剝離過程的可控性與晶片的厚度一致性，這對于SiC等高硬度、高脆性、高材料成本的單晶材料加工尤為重要。 

如圖3所示，常規(guī)的激光加工是利用燒蝕效應(yīng)或平行改質(zhì)技術(shù)。這類技術(shù)是將材料沿激光入射方向進行分離，僅可用于晶圓上的芯片分割。激光垂 直改質(zhì)技術(shù)利用可穿透晶體的一定波長的激光，通過特殊設(shè)計的激光光學系統(tǒng)，在晶體內(nèi)部極窄的深 度范圍內(nèi)實現(xiàn)高密度光吸收，從而令晶體材料發(fā)生 化學鍵斷裂與分解、激光誘導(dǎo)電離、熱致開裂等一系列物理化學過程。使用激光束在整個晶體表面掃描，即可形成垂直于激光入射方向的改質(zhì)層。

可控晶體剝離是一種新型晶體加工技術(shù)，通常使用精準控制的機械結(jié)構(gòu)或精確設(shè)計的表面應(yīng)力層，誘導(dǎo)晶體開裂，最終實現(xiàn)晶體表面附近的薄層完整無損剝離，具有速度快、成本低、化學危害小的優(yōu)點。實現(xiàn)激光垂直改質(zhì)后，借助可控晶體剝離 技術(shù)，可完成晶體的整片分割。相較于常規(guī)的晶體機械加工方式，此技術(shù)從原理上避免了鋸口損失， 且晶體內(nèi)部損傷較小，大大降低了SiC襯底加工過程的材料損耗。 

激光剝離技術(shù)可將晶錠加工成晶片，是多線切割的替代技術(shù)。如圖4所示，用于量產(chǎn)的激光剝離技術(shù)應(yīng)包含激光改質(zhì)、晶體剝離、晶錠加工三個工藝步驟。首先在晶錠內(nèi)部指定深度使用激光掃描形成一個完整的改質(zhì)面，降低晶體結(jié)合力；而后利用 機械拉伸、機械扭轉(zhuǎn)、超聲振動、冷卻的方式，使晶體在改質(zhì)面處斷裂，分割為晶錠與晶片；由于剝離后的晶錠表面粗糙度較大，對激光的散射效應(yīng)較強，因此在下一層激光改質(zhì)前需將晶錠表面加工至較光滑的狀態(tài)。上述三個步驟依次循環(huán)，即可將晶錠連續(xù)加工成晶片。半導(dǎo)體器件制造工藝需在原子級平滑的表面上進行外延薄膜生長，利用激光剝離技術(shù)加工的晶片表面粗糙度僅可達到微米級，因此需進一步通過磨拋加工，方可制成合格襯底片。

與多線切割相比，激光剝離技術(shù)更適合材料成本高、晶錠長度短的硬脆晶體加工領(lǐng)域，實現(xiàn)晶 體加工成本的大幅下降，并提高加工效率與加工質(zhì)量。近期日本名古屋大學天野浩團隊證明激光剝離技術(shù)可很好地應(yīng)用于GaN單晶襯底及晶體管器件的加工，展現(xiàn)了優(yōu)良的技術(shù)可拓展性。因此，激光剝離裝備被譽為半導(dǎo)體材料制備領(lǐng)域的“光刻機”， 有望成為半導(dǎo)體材料制造產(chǎn)業(yè)中的核心工藝裝備。 

2 激光剝離技術(shù)研究進展   

在不同的加工工藝條件下，超快激光可引起多種透明材料內(nèi)部的形成結(jié)構(gòu)、成分、折射率變化。在2006年，日本科學家已能實現(xiàn)以納秒脈沖激光聚焦 Si內(nèi)部，局部加熱可控深度產(chǎn)生高密度位錯，繼而實現(xiàn)無碎片化的切割技術(shù)。2009年，日本國立德島大學報道了由飛秒激光引發(fā)的微型爆裂現(xiàn)象，在SiC中產(chǎn)生了應(yīng)力層及空隙。2017年日本京都大學通過特殊光學設(shè)計，在晶錠預(yù)定深度聚焦激光掃描，引起 SiC的無定形轉(zhuǎn)化、分解，從而實現(xiàn)切割，所得晶片 均方根粗糙度5 μm。 

晶體剝離技術(shù)方面，早在1985年美國科學家就 證明了在應(yīng)力層的殘余拉伸應(yīng)力作用下，可從Si和 GaAs晶片上剝離薄層。但是，早期的晶體剝離試 驗過程很難控制，因為當應(yīng)力達到由晶片斷裂韌性確定的閾值時，裂紋會自發(fā)產(chǎn)生并隨機傳播，造成 剝離層厚度不均甚至碎裂。美國IBM公司研發(fā)了一種可控剝離技術(shù)，該方法設(shè)計了額外的牽引層，用于施加外力觸發(fā)斷裂，并定向引導(dǎo)裂紋擴展，還建立了臨界應(yīng)力和剝落層厚度相關(guān)性的理論模型，為工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)。此外，晶圓級的Si、GaN單晶， 以及III-V族太陽能電池、集成電路、LED等半導(dǎo)體 器件均可利用該技術(shù)實現(xiàn)可控剝離。 

在產(chǎn)業(yè)化技術(shù)方面，日本Disco公司與德國 Siltectra公司分別發(fā)布了適用于4~6英寸SiC晶錠整片 剝離的激光剝離技術(shù)，可大幅提高SiC晶體加工效 率與加工質(zhì)量，降低SiC襯底成本。日本Disco公司 研發(fā)了“KABRA（Key Amorphous-Black Repetitive Absorption，關(guān)鍵非晶黑色重復(fù)吸收）”技術(shù)，以激 光誘導(dǎo)SiC非晶態(tài)轉(zhuǎn)化，并通過機械、超聲等方式實現(xiàn)了SiC晶錠切片，6英寸激光改質(zhì)時間≤15 min，相應(yīng)設(shè)備已于2018年實現(xiàn)銷售。該公司完成了KABRA技術(shù)的晶圓加工全流程試驗，并將激光剝離制造的晶圓進行了肖特基二極管器件驗證，結(jié)果表明激光剝 離技術(shù)可獲得同等的器件性能。德國Siltectra公司提 出了“Cold Split（冷剝離）”技術(shù)，用超快激光在晶體內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，而后通過聚合物冷卻將晶片 與剩余晶錠分離。2017年11月，Siltectra公司在德國德累斯頓建立了一條使用Cold Split技術(shù)加工SiC晶體的試驗線。2018年11月，德國半導(dǎo)體巨頭英飛凌耗資 1.24億歐元收購了Siltectra公司，Cold Split技術(shù)也已通過英飛凌公司驗證，預(yù)計在2023年整合至批量生產(chǎn)中。 

我國相關(guān)領(lǐng)域起步較晚，技術(shù)積累較少。國內(nèi)中國電子科技集團公司第二研究所、大族激光等單位率先開展試驗探索，具備了SiC晶體激光剝離工藝與裝備研發(fā)能力，山東天岳、華為、松山湖材料實驗室等機構(gòu)也布局了相關(guān)專利。 

3 激光剝離技術(shù)優(yōu)勢   

激光加工技術(shù)具有自動化程度高和易集成的優(yōu) 勢。日本Disco公司基于KABRA工藝技術(shù)和精密加工設(shè)備的研發(fā)基礎(chǔ)，研制了具備激光剝離、研磨、拋 光等功能的KABRA!zen型全自動SiC多晶錠并行加工系統(tǒng)。據(jù)該公司分析[19-20]，若在SiC襯底制造工藝中使用KABRA!zen系統(tǒng)替代傳統(tǒng)機械加工設(shè)備，按照從直徑6英寸、厚度20 mm的SiC晶錠加工標準的350 μm 晶片估算，激光垂直改質(zhì)剝離技術(shù)具有較大的優(yōu)勢 （見表1）。

1）激光剝離技術(shù)可充分利用激光加工設(shè)備的易集成易自動化特性，將多個晶錠的研磨、改質(zhì)切割、剝離工序并行實施，從而提高加工效率。 

2）激光剝離技術(shù)幾乎無材料損耗，僅需在后續(xù)磨拋工藝中將上下表面共去除約80 μm的材料。而多線切割工藝中會造成與切割線直徑接近厚度的材料損傷（按180 μm估算），后續(xù)磨拋工藝也需去除約80μm的粗糙起伏區(qū)與損傷層，因此使用激光 剝離技術(shù)SiC加工損耗可從260 μm降低至80 μm。對于20 mm厚的SiC晶錠，等量原料的情況下產(chǎn)量提升44%。 

3）多線切割技術(shù)會導(dǎo)致切割面較大的粗糙度與亞表面損傷，需要使用粗研磨工藝以去除晶片表面上的起伏。而激光剝離工藝可將剝離面晶片起伏控制在極低的水平，因而可省略粗研磨步驟，從而節(jié)約了時間、設(shè)備及人力成本。 

另外，基于高純半絕緣SiC襯底的微波射頻器件制造過程中，為降低寄生電容，并方便制造通孔以 實現(xiàn)共接地，通常需將SiC襯底減薄至100 μm左右， 且襯底厚度需隨器件工作頻率而減小。而在導(dǎo)電型 SiC襯底的電力電子器件制造中，背面減薄也可提 高正向?qū)�通電流密度、降低正向壓降、降低通態(tài)損耗。目前，襯底背面減薄通過砂輪磨削實現(xiàn)，由于 SiC屬于高硬度脆性材料，磨削法加工效率較低，材料浪費嚴重，且易導(dǎo)致過大的晶圓翹曲。激光剝離 不僅可實現(xiàn)指定厚度的晶圓減薄，還可實現(xiàn)剝離晶 片的二次利用。據(jù)估算，若采用激光剝離技術(shù)回收 剝離下來的晶片，每片6英寸SiC器件晶圓的制造成本 可節(jié)約近300美元，從而降低SiC器件制造商約30%的 材料成本。

4 前景與展望    

激光剝離技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、材料損耗小的突出優(yōu)勢，是極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦途�體加工技術(shù)。但是，為實現(xiàn)激光剝離工藝與設(shè)備的廣泛推廣，還 有很多待解決的工程問題：

1）對于現(xiàn)有的晶體剝離方案，其力學本質(zhì)均為硬脆材料的斷裂過程，此過 程可控性差，需大量工藝優(yōu)化以降低晶片翹曲度及 殘余應(yīng)力；

2）與傳統(tǒng)晶體加工過程不同，激光掃描與晶體剝離均為逐片處理的過程，其工藝一致性與穩(wěn)定性有待批產(chǎn)驗證；

3）激光改質(zhì)與剝離單元技術(shù)有望取代多線切割工序，但其對晶片的加工效果與多線切割存在差異，為實現(xiàn)批產(chǎn)應(yīng)用，需對晶體加工前后工序進行調(diào)整與優(yōu)化，提高激光剝離的產(chǎn)線適用性；

4）SiC半導(dǎo)體器件均工作在高溫、高電壓、高電流等極端環(huán)境，激光剝離技術(shù)盡管已經(jīng)過實驗室器件驗證，器件的長期可靠性與穩(wěn)定性仍有待長周期多場景的考驗。

從長遠來看，激光垂直改質(zhì)剝離技術(shù)必將成為 SiC半導(dǎo)體領(lǐng)域一項技術(shù)革命，該技術(shù)也可應(yīng)用于 GaN、AlN、金剛石等硬脆半導(dǎo)體材料的高效加工， 從而將寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)推向新的高度。

轉(zhuǎn)自：半導(dǎo)體在線

來源：電子工藝技術(shù)

作者：胡北辰，張志耀，張紅梅，牛奔（中國電子科技集團公司第二研究所）

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