01Introduction
Le découpage des tranches est une étape importante dans la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs. La méthode de découpe et la qualité 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 crucial pour promouvoir la révolution électrique. Le coût de production du carbure de silicium cristallin de haute qualité-est extrêmement élevé, et on souhaite souvent découper un gros lingot de carbure de silicium en autant de substrats de tranches minces en carbure de silicium que possible. Dans le même temps, le développement industriel a conduit à une augmentation de la taille des plaquettes, ce qui augmente les exigences en matière de processus de découpe. Cependant, le carbure de silicium a une dureté extrêmement élevée, avec une dureté Mohs de 9,5, juste derrière le diamant le plus dur au monde (10), et il a également la fragilité des cristaux, ce qui le rend difficile à couper. Actuellement, l'industrie utilise généralement le découpage au fil de pâte ou le découpage à la scie à fil diamanté. Lors de la découpe, une scie à fil fixe est positionnée à intervalles égaux autour du lingot de carbure de silicium, et en tendant la scie à fil, des tranches de carbure de silicium sont découpées. L'utilisation de la méthode de la scie à fil pour séparer les plaquettes d'un lingot de 6- pouces de diamètre prend environ 100 heures. Les tranches obtenues présentent non seulement une coupe relativement importante, mais également une plus grande rugosité de surface, entraînant des pertes de matière pouvant atteindre 46 %. Cela augmente le coût d'utilisation des matériaux en carbure de silicium et limite son développement dans l'industrie des semi-conducteurs, ce qui rend urgente la recherche de nouvelles technologies de découpe pour les 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 production et le traitement de matériaux semi-conducteurs. Le principe de cette méthode est d'utiliser un faisceau laser focalisé pour modifier le substrat depuis la surface ou l'intérieur du matériau, le séparant ainsi. Comme il s’agit d’un processus sans contact, il évite les effets de l’usure des outils et des contraintes mécaniques. Par conséquent, il améliore considérablement la rugosité de surface et la précision de la tranche, élimine le besoin de processus de polissage ultérieurs, réduit la perte de matériau, réduit les coûts et minimise la pollution environnementale causée par les processus de meulage et de polissage traditionnels. La technologie de découpe laser est appliquée depuis longtemps à la découpe de lingots de silicium, mais son application dans le domaine du carbure de silicium n'est pas encore mature, avec quelques technologies principales actuellement disponibles.
2 Découpe laser-guidée par l'eau
La technologie laser à guidage d'eau (Laser MicroJet, LMJ), également connue sous le nom de technologie de microjet laser, fonctionne sur le principe de la focalisation d'un faisceau laser sur une buse lorsque le laser traverse une chambre à eau modulée en pression {{1} ; un jet d'eau à basse-pression est éjecté de la buse. À l'interface de l'eau et de l'air, en raison de la différence des indices de réfraction, un guide d'ondes lumineuses se forme, permettant au laser de se propager dans la direction de l'écoulement de l'eau, réalisant ainsi la découpe de la surface du matériau grâce au guidage par jet d'eau à haute pression. Le principal avantage des lasers à guidage d'eau- réside dans la qualité de découpe ; le débit d'eau refroidit non seulement la zone de coupe, réduisant ainsi la déformation thermique et les dommages du matériau, mais emporte également les débris de traitement. Par rapport à la coupe à la scie à fil, sa vitesse est considérablement augmentée. Cependant, l'absorption des différentes longueurs d'onde par l'eau varie, limitant les longueurs d'onde laser utilisées principalement à 1064 nm, 532 nm et 355 nm. En 1993, le scientifique suisse Beruold Richerzhagen a proposé pour la première fois cette technologie, et sa société, Synova, se spécialise dans la recherche et l'industrialisation de lasers guidés par l'eau, leader technologique sur la scène internationale, tandis que la technologie nationale est relativement en retard, avec des sociétés comme Inno Laser et Shengguang Silicon Research. se développe activement.
03Dés furtifs
Le Stealth Dicing (SD) consiste à focaliser un laser à travers la surface du carbure de silicium vers l'intérieur de la puce, créant ainsi une couche modifiée à la profondeur souhaitée pour obtenir une séparation des tranches. Comme il n’y a aucune coupure sur la surface de la plaquette, une plus grande précision de traitement peut être obtenue. Le procédé SD utilisant des lasers à impulsions nanosecondes a été utilisé dans l'industrie pour séparer des tranches de silicium. Cependant, lors du traitement SD du carbure de silicium induit par des lasers pulsés nanosecondes, des effets thermiques se produisent car 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 (de l'ordre de la picoseconde). L'apport thermique élevé appliqué à la tranche fait non seulement tendance à la séparation 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, les processus SD laser à impulsions ultra-courtes sont généralement utilisés lors du traitement du carbure de silicium, réduisant considérablement les effets thermiques.
La société japonaise DISCO a développé une technologie de découpe laser appelée Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA), en utilisant l'exemple du traitement d'un lingot de cristal de carbure de silicium d'un diamètre de 6 pouces et d'une épaisseur de 20 mm, ce qui a permis de multiplier par quatre le taux de production de tranches de carbure de silicium. L'essence du processus KABRA concentre le laser à l'intérieur du matériau en carbure de silicium, décomposant le carbure de silicium en silicium amorphe et carbone amorphe par « absorption répétitive noire amorphe » et formant une couche comme point de séparation pour la tranche, à savoir la couche amorphe noire, qui absorbe plus de lumière, facilitant ainsi la séparation facile de la tranche.
La technologie de tranche à froid développée par Siltectra, acquise par Infineon, permet non seulement de diviser différents types de lingots en tranches, mais entraîne également une perte d'aussi peu que 80 μm par tranche, réduisant ainsi la perte de matière de 90 %, réduisant finalement le coût de production total des dispositifs jusqu'à 30 %. La technologie de découpe à froid comporte deux étapes : premièrement, l'exposition au laser crée une couche de délaminage sur le lingot, provoquant une expansion du volume du matériau en carbure de silicium, ce qui crée une contrainte de traction et forme une couche de microfissure très étroite ; puis, grâce à une étape de refroidissement du polymère, ces micro-fissures sont transformées en une fissure principale, séparant finalement la tranche du lingot restant. En 2019, une évaluation tierce-de cette technologie a mesuré que la rugosité de surface Ra des tranches divisées était inférieure à 3 µm, les meilleurs résultats étant inférieurs à 2 µm.
La découpe laser modifiée développée par une grande entreprise familiale nationale de laser est une technologie laser qui sépare les tranches semi-conductrices en puces ou grains individuels. Ce processus implique également de scanner l'intérieur de la tranche avec un faisceau laser de précision pour former une couche modifiée, permettant à la tranche de se dilater le long du trajet de balayage laser sous une contrainte appliquée, obtenant ainsi une séparation précise.
Actuellement, les fabricants nationaux maîtrisent la technologie de coupe du carbure de silicium avec du mortier, mais la perte de coupe est importante, l'efficacité est faible et la pollution est grave, qui est progressivement remplacée par la technologie de coupe au fil diamanté. Dans le même temps, les avantages en termes de performances et d'efficacité de la découpe laser sont importants, offrant de nombreux avantages par rapport aux technologies traditionnelles de traitement par contact mécanique, notamment une efficacité de traitement élevée, des chemins de coupe étroits et une densité de copeaux élevée, ce qui en fait un concurrent sérieux pour remplacer la technologie de découpe au fil diamanté et ouvrant une nouvelle voie pour l'application de matériaux semi-conducteurs de nouvelle génération comme le carbure de silicium. Avec le développement de la technologie industrielle, la taille des substrats en carbure de silicium continue d'augmenter et la technologie de découpe au carbure de silicium se développera rapidement ; La découpe laser efficace et de haute-qualité sera une tendance importante dans le domaine de la découpe au carbure de silicium à l'avenir.
