1、砂轮划片
砂轮切割机通过空气静压电主轴使刀片高速旋转,实现材料强力磨削。所用刀片镀有金刚砂颗粒,金刚砂的莫氏硬度为10级,只比硬度9.5级的SiC稍高,反复低速磨削不仅费时,而且费力,同时也会导致刀具的频繁磨损。例如,100mm(4英寸)的SiC晶片,一片一片地切割需要6~8小时,容易成为碎片的原因。因此,这种传统的低效加工方式逐渐被激光切割所取代。
2、激光全划
激光划线是指用高能激光束照射工件表面,使被照射区域局部熔融气化,除去材料,实现切割的过程。激光划线非接触加工,无机械应力损伤,加工方式灵活,无刀具损耗和水污染,设备使用维护成本低。为了防止激光穿透晶片时对支撑膜造成损伤,采用高温烧蚀的UV膜。
目前激光划线设备采用工业激光,波长主要有1064nm、532nm、355nm三种,脉冲宽度为纳秒、皮秒、飞秒级。理论上,激光波长越短、脉冲宽度越短,加工热效应越小,有利于精细精密加工,但成本相对较高。355nm紫外纳秒激光由于技术成熟、成本低、加工热效应小,应用十分广泛。近年来,1064nm皮秒激光技术发展迅速,应用于许多新领域,取得了很好的效果。图1、图2分别比较了两种激光对SiC晶片的切割效果。
3、激光半切
激光划线适用于理性优良的材料加工,用激光划线到一定深度后,采用裂片方式,产生沿切割道纵向延伸的应力使芯片分离。该加工方式效率高,不需要贴膜去除膜工序,加工成本低。但是,如图3所示,碳化硅晶片的解理性差,不易产生裂片,裂纹面易缺损,横切部分仍存在熔渣粘连现象。
4、激光隐形切割
激光划线将激光聚焦在材料内部,形成改性层后,通过裂片或扩膜分离芯片。表面无粉尘污染,材料几乎无损耗,加工效率高。实现隐形切割的两个条件是材料对激光透明,足够的脉冲能量产生多光子吸收。
碳化硅在室温下的带隙能量Eg约为3.2eV,为5.1310-19J。1064nm激光光子能量E=hc/=1.8710-19J。可见,1064nm激光光子能小于碳化硅材料的吸收带隙,表现出光学透明的特性,满足不可见的划线条件。实际透射率与材料的表面特性、厚度、掺杂剂种类等因素有关,以厚度300m的碳化硅抛光晶片为例,实测1,064nm的激光透射率约为67%。使用脉冲宽度极短的皮秒激光,多光子吸收的能量不会转化为热能,只会在材料内部引起一定深度的改性层,改性层是材料内部的裂纹区域、熔融区域或折射率变化区域。通过后续的裂片工艺,晶粒沿改性层分离。
碳化硅材料降解性差,改性层间距不宜过大。试验采用JHQ-611全自动划片机和350m厚的SiC晶片,切入22层,切入速度500mm/s,撕裂截面比较光滑,缺口边小,边缘整齐。如图4所示。
5、水导激光切割
导水激光器是将激光聚焦后导入微型水柱中,水柱直径随喷嘴孔径而异,有100~30m多种规格。利用水柱与空气界面全反射的原理,激光导入水柱后,沿水柱的前进方向传播。
水柱可以在稳定的范围内加工,长有效工作距离特别适用于厚材料的切割。传统激光切割过程中,能量的积累和传导是切割道两侧热损伤的主要原因,而水导激光在水柱的作用下,不会迅速吸收每个脉冲剩下的热量并积聚在工件上,因此切割道很干净。
基于这些优点,理论上采用水导激光切割碳化硅是一个很好的选择,但该技术难度大,相关设备成熟度不高,易损喷管制作难度大,不能精确稳定地控制微细水柱,飞溅的水滴就会烧蚀掉芯片因此,该工艺目前不适用于碳化硅晶片的制造过程。