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Introduction
Le découpage de tranches est une partie importante de la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs. La méthode et la qualité du découpage affectent directement l'épaisseur, la rugosité, les dimensions et les coûts de production de la tranche, et ont un impact significatif sur la fabrication du dispositif. Le carbure de silicium, en tant que matériau semi-conducteur de troisième-génération, est un matériau important à l'origine de la révolution électrique. Le coût de production du carbure de silicium cristallin de haute-qualité est extrêmement élevé, et les gens espèrent généralement découper un gros lingot de carbure de silicium en autant de substrats minces de tranches de carbure de silicium que possible. Dans le même temps, la croissance de l’industrie a conduit à des tailles de tranches de plus en plus grandes, ce qui a accru les exigences en matière de processus de découpage en dés. Cependant, le carbure de silicium est extrêmement dur, avec une dureté Mohs de 9,5, juste derrière le diamant (10), et il est également cassant, ce qui le rend difficile à couper. Actuellement, les méthodes industrielles utilisent généralement le sciage au fil de barbotine ou le sciage au fil diamanté. Pendant la coupe, des scies à fil fixe équidistantes sont placées autour du lingot de carbure de silicium, et le lingot est coupé à l'aide de scies à fil étiré. En utilisant la méthode de la scie à fil, la séparation des tranches d'un lingot de 6 pouces de diamètre prend environ 100 heures. Les tranches obtenues présentent des saignées relativement larges, des surfaces plus rugueuses et des pertes de matière pouvant atteindre 46 %. Cela augmente le coût d'utilisation des matériaux en carbure de silicium et limite leur développement dans l'industrie des semi-conducteurs, soulignant le besoin urgent de recherche sur de nouvelles technologies de découpe de tranches de carbure de silicium.
Ces dernières années, l’utilisation de la technologie de découpe laser est devenue de plus en plus populaire dans la fabrication de matériaux semi-conducteurs. Cette méthode fonctionne en utilisant un faisceau laser focalisé pour modifier la surface ou l'intérieur du matériau, le séparant ainsi. En tant que processus sans contact-, il évite l'usure des outils et les contraintes mécaniques. Par conséquent, il améliore considérablement la rugosité et la précision de la surface de la plaquette, élimine le besoin de processus de polissage ultérieurs, réduit la perte de matériau, réduit les coûts et minimise la pollution environnementale causée par le meulage et le polissage traditionnels. La technologie de découpe au laser est appliquée depuis longtemps au découpage en dés des lingots de silicium, mais son application dans le domaine du carbure de silicium est encore immature. Actuellement, il existe plusieurs techniques principales.
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-Découpe laser guidée à l'eau
La technologie laser guidée par l'eau (Laser MicroJet, LMJ), également connue sous le nom de technologie de micro-jet laser, fonctionne sur le principe de la focalisation d'un faisceau laser sur une buse lorsqu'elle traverse une chambre à eau modulée en pression-. Un jet d'eau à basse -pression est éjecté de la buse et, en raison de la différence d'indice de réfraction à l'interface eau-air, un guide d'ondes lumineuses est formé, permettant au laser de se propager dans la direction de l'écoulement de l'eau. Celui-ci guide un jet d'eau à haute-pression pour traiter et couper la surface du matériau. Le principal avantage de la découpe laser guidée par l'eau réside dans sa qualité de découpe. Le débit d'eau refroidit non seulement la zone de coupe, réduisant ainsi la déformation thermique et les dommages thermiques du matériau, mais élimine également les débris de traitement. Par rapport à la coupe à la scie à fil, elle est nettement plus rapide. Cependant, comme l’eau absorbe différentes longueurs d’onde laser à des degrés divers, la longueur d’onde laser est limitée, principalement à 1 064 nm, 532 nm et 355 nm.
En 1993, le scientifique suisse Beruold Richerzhagen a proposé pour la première fois cette technologie. Il a fondé Synova, une société dédiée à la recherche, au développement et à la commercialisation de la technologie laser guidée par l'eau, qui est à l'avant-garde au niveau international. La technologie nationale est relativement en retard, mais des sociétés telles qu'Innolight et Shengguang Silicon Research la développent activement.
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Dé furtif
Le Stealth Dicing (SD) est une technique dans laquelle un laser est focalisé à l'intérieur d'une tranche de carbure de silicium à travers sa surface pour former une couche modifiée à la profondeur souhaitée, permettant ainsi la séparation des tranches. Puisqu’il n’y a pas de coupures sur la surface de la tranche, une plus grande précision de traitement peut être obtenue. Le procédé SD utilisant des lasers à impulsions nanosecondes a déjà été utilisé industriellement pour séparer des tranches de silicium. Cependant, lors du traitement SD du carbure de silicium induit par des lasers à impulsions nanosecondes, la durée de l'impulsion est beaucoup plus longue que le temps de couplage entre les électrons et les phonons dans le carbure de silicium (à l'échelle de la picoseconde), ce qui entraîne des effets thermiques. L'apport thermique élevé sur la tranche rend non seulement la séparation susceptible de s'écarter de la direction souhaitée, mais génère également une contrainte résiduelle importante, conduisant à des fractures et à un mauvais clivage. Par conséquent, lors du traitement du carbure de silicium, le procédé SD utilise généralement des lasers à impulsions ultracourtes, ce qui réduit considérablement les effets thermiques.
La société japonaise DISCO a développé une technologie de découpe laser appelée Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA). Par exemple, lors du traitement de lingots de carbure de silicium de 6- pouces de diamètre et de 20 mm d'épaisseur, la productivité des tranches de carbure de silicium a été multipliée par quatre. Le procédé KABRA concentre essentiellement le laser à l'intérieur du matériau en carbure de silicium. Grâce à « l'absorption répétitive amorphe-noire », le carbure de silicium est décomposé en silicium amorphe et en carbone amorphe, formant une couche qui sert de point de séparation des tranches, connue sous le nom de couche amorphe noire, qui absorbe plus de lumière, ce qui facilite grandement la séparation des tranches.
La technologie de tranche Cold Split développée par Siltectra, qui a été acquise par Infineon, peut non seulement diviser différents types de lingots en tranches, mais également réduire les pertes de matière jusqu'à 90 %, chaque tranche perdant seulement 80 µm, ce qui réduit finalement les coûts totaux de production du dispositif jusqu'à 30 %. La technologie Cold Split comporte deux étapes : premièrement, un laser irradie le lingot pour créer une couche de délaminage, provoquant une expansion du volume interne dans le matériau en carbure de silicium, qui génère une contrainte de traction et forme une microfissure très étroite ; Ensuite, une étape de refroidissement du polymère transforme la micro-fissure en une fissure principale, séparant finalement la tranche du lingot restant. En 2019, un tiers a évalué cette technologie et mesuré la rugosité de surface Ra des tranches divisées comme étant inférieure à 3 µm, les meilleurs résultats étant inférieurs à 2 µm.
Le découpage laser modifié développé par la société chinoise Han's Laser est une technologie laser utilisée pour séparer les tranches semi-conductrices en puces ou matrices individuelles. Ce processus utilise également un faisceau laser précis pour scanner et former une couche modifiée à l'intérieur de la tranche, permettant à la tranche de se fissurer le long du trajet de balayage laser sous une contrainte appliquée, obtenant ainsi une séparation précise.
Figure 5. Flux de processus de découpe laser modifié
Actuellement, les fabricants nationaux maîtrisent la technologie de découpe en dés au carbure de silicium à base de boue. Cependant, le découpage en dés en suspension entraîne des pertes de matière élevées, une faible efficacité et une pollution grave, et est progressivement remplacé par la technologie de découpage en dés au fil diamanté. Dans le même temps, la découpe laser se distingue par ses avantages en termes de performances et d’efficacité. Par rapport aux technologies traditionnelles de traitement par contact mécanique, il offre de nombreux avantages, notamment une efficacité de traitement élevée, des lignes de traçage étroites et une densité de saignée élevée, ce qui en fait un concurrent sérieux pour remplacer le découpage en dés au fil diamanté. Cela ouvre une nouvelle voie pour l'application de matériaux semi-conducteurs de nouvelle-génération tels que le carbure de silicium. Avec les progrès de la technologie industrielle et l'augmentation continue de la taille des substrats en carbure de silicium, la technologie de découpe au carbure de silicium se développera rapidement, et le découpage laser efficace et de haute qualité - sera une tendance importante pour la future découpe au carbure de silicium.
