[發明專利]一種碳化硅晶片單向三層雙向六級臺階切割工藝

有效

• 申請號: 202011509207.3
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112620973B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 郭輝;蔣樹慶;胡彥飛
• 申請（專利權）人: 西安晟光硅研半導體科技有限公司
• 主分類號: B23K26/38
• 分類號: B23K26/38;B23K26/402;B23K26/70
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

本發明公開了一種階梯式激光切割碳化硅晶片的方法，通過上面在碳化硅晶錠厚度方向的對稱位置第1次切割至最深位置；隨后在左邊和右邊同樣地進行3次切割到與第1次相同深度，從而建立起一個相對平緩的多次水射流寬度的面，這個面作為避免水柱干擾的第二深度切割的起始面；在中心對稱線的左側采用相同的噴口進行第2層首次切割到其最深深度；隨后在厚度對稱軸線的右側進行2次切割，并達到與第2層首次切割的相同深度；進行第3層首次切割，以達到碳化硅晶錠半徑以上深度。本發明通過臺階法切割實現單晶碳化硅晶錠的高深度切割，實現了高效率、高質量、低成本、低損傷、高出品率制備SiC單晶襯底，具有推廣應用的價值。

技術領域

本發明涉及碳化硅晶片切割工藝領域，尤其涉及一種碳化硅晶片單向三層雙向六級臺階切割工藝。

背景技術

SiC單晶作為一種典型的硬脆材料，其莫氏硬度為9.2～9.5，僅次于金剛石，這使得SiC單晶襯底的加工制造過程更加困難。目前SiC單晶襯底的制造過程可分成切割→粗研→細研→拋光幾個階段。切割作為制造SiC單晶襯底首要關鍵的工序，其加工質量直接影響到后續工序的材料去除量，最終加工質量(表面粗糙度和平整度)，產品出品率及加工成本等。隨著晶體生長技術的發展和市場的需求，大直徑SiC單晶襯底的需求量也越來越大，目前SiC單晶襯底正由6英寸向8英寸過渡，這對傳統的晶片切割技術帶來了嚴峻的挑戰，如何高效率、高質量、低成本、低損傷、高出品率制備SiC單晶襯底，已成為當前碳化硅單晶襯底加工領域重要的研究方向。

目前單晶碳化硅切割多采用固結金剛石磨粒線鋸切割法。用電鍍、釬焊、樹脂硬化或燒結等方法把金剛石磨粒均勻固結在高強度不銹鋼鋼絲表面上來作為切割工具。采用復合電鍍方法固結金剛石磨粒制成的線鋸具備較高的耐熱性與耐磨性，具有切縫窄、鋸切晶面微裂紋少和環境污染小等優點。但由于碳化硅單晶的莫氏硬度很高，其斷裂韌性極低且其臨界切削深度極小(納米級)，要使鋸切的晶片具有較高的表面質量，應在小于SiC單晶臨界切削深度下實現SiC的塑性域切割。傳統金剛石線鋸切割SiC單晶的研究表明，即使在極小的進給速度下，SiC的材料去除模式也是脆性斷裂和塑性去除的混合模式。而脆性斷裂模式則是通過硬脆材料內部微裂紋的萌生、蔓延、傳播擴展和交叉來實現的，因此傳統線鋸加工方法很容易使SiC單晶襯底的表面產生微觀裂紋和使亞表面出現損傷層,這將極大影響SiC單晶襯底的表面和亞表面質量。另一方面，用普通固結金剛石線鋸切割大尺寸、超薄SiC晶片時，因切割的鋸縫較長，冷卻液難以進入切割區，使切割區域溫度升高，這不但造成晶片表面由于高溫而出現相變層，同時較長的鋸縫使切屑排出困難，剝落的切屑和磨粒對SiC晶片造成二次劃傷，又直接影響SiC單晶襯底的切割質量。因此，采用單一加工模式切割硬脆材料在很多方面已難以滿足需要，如何提高SiC等硬脆材料的加工效率和精度，探索有效的加工新方法已經成為迫切需要解決的問題。

激光微水射流(laser?MicroJet，LMJ)是細水射流引導激光實現加工的先進技術，也叫激光微水射流加工技術。該技術將激光束聚焦后耦合進高速的水射流，由于水和空氣的折射率不同，激光在水束內表面發生全反射，集中的激光能量被限制在水束中。加工時，聚焦到噴嘴位置的激光束在微細的水柱內壁形成全反射后生成截面能量均勻分布的能量束而被引導至工件表面實現工件加工。現已在航空發動機熱端部件制造、航空器CFRP結構件加工、天然金剛石切割、大規模集成電路晶片切割等行業明確為行業領先的解決方案。

激光微水射流相比傳統激光加工技術具有的優勢包括：(1)無需對焦。非片面加工無問題，可進行3D切削，加工深度可深達幾厘米；(2)微水射流保持平行水射流中的激光束完全平行，柱形激光束實現平行切邊，確保高質量加工壁和切邊；(3)大長寬比，可實現30μm以下切邊寬度，可以最小的材料損失鉆更深的孔；(4)水射流的冷卻作用避免熱損傷和材料變化從而維持設計的疲勞強度；(5)水膜消除了加工廢料粒子的堆積和污染，無需加工表面的保護層；(6)水射流的高動能驅散融化廢料粒子，避免毛刺，清潔高質量的的形成加工面，如圖1和2所示。