宋燕國(guó)，郭 旭，王嫣鸞，郝 強(qiáng)

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

近年來(lái)，碳化硅（SiC）襯底芯片憑借耐高壓、耐高溫、飽和電子漂移速度快等諸多特點(diǎn)在電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)展迅速。在半導(dǎo)體器件封測(cè)環(huán)節(jié)中，晶圓襯底切割的效率和良率是影響芯片質(zhì)量和性價(jià)比的重要因素。目前，晶圓襯底的切割技術(shù)主要分為機(jī)械切割和激光切割兩大類。SiC的莫氏硬度為9.2～9.8，僅次于金剛石。當(dāng)使用機(jī)械切割SiC晶圓時(shí)，切割速度慢（2～10 mm/s）、切縫較寬（50～100 μm），且刀具損耗大。激光劃片憑借切割速度快、切縫窄、無(wú)接觸切割等優(yōu)勢(shì)，在半導(dǎo)體封測(cè)領(lǐng)域?qū)?huì)逐步取代機(jī)械切割[1-6]。

在SiC晶圓切割方面，研究人員已使用多種激光切割技術(shù)對(duì)4H-SiC晶圓進(jìn)行了劃片實(shí)驗(yàn)。2015年，Savriama等[7]使用中心波長(zhǎng)355 nm、重復(fù)頻率40 kHz、單脈沖能量125 μJ、脈沖寬度90 ns的激光半燒蝕切割了厚度為360 μm的4H-SiC晶圓，激光掃描速度26 mm/s，掃描次數(shù)2次，相應(yīng)的切割速度為13 mm/s，切縫寬度小于20 μm。同年，Nakajima等[8]使用中心波長(zhǎng)1 045 nm、重復(fù)頻率100 kHz、單脈沖能量3.6 μJ、脈沖寬度800 fs的激光半燒蝕切割了360 μm厚度的4H-SiC晶圓，激光掃描速度100 mm/s，掃描次數(shù)3次，相應(yīng)的切割速度為33.33 mm/s，切縫損失基本可以忽略。與燒蝕切割相比，隱形切割不會(huì)在晶圓表面產(chǎn)生切割碎屑和燒熔殘?jiān)?，且切縫寬度在1 μm以內(nèi)，切縫損失可以忽略。隱形切割的原理是將激光聚焦到晶圓表面以下，在晶圓內(nèi)部的不同深度處進(jìn)行逐層掃描生成單道或者多道改質(zhì)層，之后，在外張力作用下，改質(zhì)層裂紋沿垂直于晶圓表面方向擴(kuò)展，使晶圓由內(nèi)向外劈裂[9]。2017年，Kim等[10]使用中心波長(zhǎng)780 nm、重復(fù)頻率1 kHz、單脈沖能量10 μJ、脈沖寬度從220 fs到6 ps可選的激光隱形切割420 μm厚度的4H-SiC晶圓，探究了脈沖寬度對(duì)改質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光掃描速度為2 mm/s，脈沖寬度超過(guò)750 fs時(shí)，晶圓內(nèi)部開始出現(xiàn)改質(zhì)結(jié)構(gòu)，隨著脈寬從750 fs增加至6 ps，改質(zhì)結(jié)構(gòu)逐漸變長(zhǎng)且出現(xiàn)分段現(xiàn)象。2021年，Zhang等[11]使用雙光束激光異步切割了200 μm厚度的4HSiC晶圓：首先使用一束中心波長(zhǎng)532 nm、重復(fù)頻率20～200 kHz、最大輸出功率5 W、脈沖寬度750 fs的激光在晶圓內(nèi)部生成一道改質(zhì)層，掃描速度為3 mm/s；再使用一束中心波長(zhǎng)1 040 nm、輸出功率8 W的連續(xù)激光加熱改質(zhì)層。該束激光產(chǎn)生的熱應(yīng)力促使改質(zhì)層裂紋沿垂直于晶圓表面方向擴(kuò)展，掃描速度為1 000 mm/s。

在上述飛秒脈沖隱形切割SiC晶圓實(shí)驗(yàn)中[10-12]，飛秒激光掃描速度較慢（<5 mm/s），這是因?yàn)轱w秒脈沖誘導(dǎo)的改質(zhì)結(jié)構(gòu)小，需要降低掃描速度使相鄰的改質(zhì)結(jié)構(gòu)變得更加緊密，以保證晶圓的裂片效果。飛秒脈沖改質(zhì)在超短時(shí)間內(nèi)誘導(dǎo)晶圓內(nèi)部發(fā)生多光子電離和納米爆炸[12-13]，將SiC分解為非晶態(tài)Si和C，屬于冷加工。與飛秒脈沖不同，皮秒至納秒等長(zhǎng)脈沖（>20 ps）會(huì)誘導(dǎo)晶圓發(fā)生雪崩電離[14]。在長(zhǎng)脈沖的持續(xù)作用下，電子有足夠的時(shí)間將吸收的能量轉(zhuǎn)移到晶格中，導(dǎo)致晶格熔化甚至破裂，加大了脈沖的改質(zhì)范圍。Ohmura等[15]認(rèn)為納秒脈沖的改質(zhì)層形成機(jī)制與脈沖的熱擴(kuò)散有顯著關(guān)系。納秒脈沖適用于隱形切割熱導(dǎo)率較低的硅晶圓，而當(dāng)它隱形切割熱導(dǎo)率比銅高的SiC晶圓時(shí)，納秒脈沖改質(zhì)晶圓的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)對(duì)晶圓有較強(qiáng)的熱影響，容易損傷晶圓。如果使用脈寬介于飛秒與納秒之間的皮秒脈沖隱形切割SiC晶圓，平衡脈沖的改質(zhì)范圍和熱影響，可能會(huì)獲得高質(zhì)量、高速度的隱形切割效果。為此，本文采用自行研制的高能量皮秒脈沖光纖激光器進(jìn)行隱形切割SiC晶圓實(shí)驗(yàn)，探究皮秒脈沖的隱形切割質(zhì)量和速度。

1 實(shí)驗(yàn)的皮秒光源制備

激光器光路圖如圖1所示。其中：Seed為全光纖皮秒選頻種子源，中心波長(zhǎng)為1 030 nm，當(dāng)重復(fù)頻率為100 kHz時(shí)，輸出平均功率為600 μW；ISO1和ISO2為1 030 nm光纖隔離器，隔離后續(xù)放大器的回返光，插入損耗為3 dB；YDF為單模摻鐿光纖放大器，所用的增益光纖為單模保偏摻鐿光纖；HP-LD1與HP-LD2為高功率激光二極管，中心波長(zhǎng)為976 nm，最大輸出功率為9 W；Combiner為泵浦合束器；Yb-PCF（NKT Photonics，DC-135/14-PM-Yb）為摻鐿雙包層光子晶體光纖；Lens為焦距為10 mm的透鏡； M1，M2，M3和M4為980/1 030 nm二向色鏡；HWP1為1 030 nm半波片；ISO3為1 030 nm空間隔離器，透過(guò)率為88%。

自行研制的激光器采用主振蕩功率放大技術(shù)，其光纖放大器由YDF預(yù)放大級(jí)和以Yb-PCF為增益介質(zhì)的主放大級(jí)組成。通過(guò)優(yōu)化放大器的光纖鏈路長(zhǎng)度和使用大模場(chǎng)面積的雙包層光子晶體光纖，降低高能量脈沖放大過(guò)程中的受激拉曼散射等非線性效應(yīng)。重復(fù)頻率為100 kHz、輸出功率為600 μW的皮秒種子源經(jīng)YDF放大至30 mW，經(jīng)ISO2衰減至15 mW進(jìn)入由HPLD1、HP-LD2、Combiner和Yb-PCF構(gòu)成的主放大級(jí)，皮秒脈沖在雙包層光子晶體光纖中被HP-LD1和HP-LD2高功率泵浦，實(shí)現(xiàn)單脈沖能量在15 μJ以上的高能量放大。

分別對(duì)脈寬為50 ps （Seed1）和74 ps （Seed2）的兩個(gè)種子脈沖進(jìn)行功率放大，得到了兩個(gè)相應(yīng)的高能量皮秒光源。圖2（a）為這兩個(gè)種子源的光譜及自相關(guān)曲線。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主放大級(jí)的脈沖峰值功率達(dá)到170 kW以上時(shí)，激光器的功率長(zhǎng)期穩(wěn)定性下降，這是由主放大級(jí)的光子晶體光纖損傷閾值限制所導(dǎo)致的。因此，為了保證激光器的輸出功率長(zhǎng)期穩(wěn)定，將Seed1和Seed2在ISO3后的輸出功率最大值分別定為1.6 W@100 kHz和2.0W@100 kHz。圖2（b）為這兩個(gè)功率值對(duì)應(yīng)的光譜及自相關(guān)曲線。由光譜可知，Seed1放大過(guò)程中的自相位調(diào)制和受激拉曼效應(yīng)明顯比Seed2強(qiáng)，這是由Seed1脈寬比Seed2窄所致；由脈沖自相關(guān)曲線可知，Seed1脈寬從50 ps展寬至108 ps，Seed2從74 ps展寬至120 ps，這是由色散所致。圖2（c）為Seed1和Seed2輸出功率隨泵浦功率變化的曲線，相應(yīng)的斜率效率分別為27.8%和35.9%，其中，兩個(gè)插圖分別為Seed2放大至平均功率為2.17 W時(shí)功率穩(wěn)定性曲線，以及輸出光斑，100 h的功率峰-峰值波動(dòng)為2.68%，RMS穩(wěn)定性為99.998%，光斑圓度為96%。圖2（d）為Seed1和Seed2在放大過(guò)程中脈沖寬度隨脈沖能量的變化關(guān)系，脈沖寬度隨脈沖能量單調(diào)增加，這是由自相位調(diào)制、受激拉曼散射和色散效應(yīng)共同導(dǎo)致的。我們分別將以Seed1和Seed2為種子源的高能量皮秒光源整機(jī)化（Laser1和Laser2），利用它們進(jìn)行隱形切割實(shí)驗(yàn)。

2 隱形切割實(shí)驗(yàn)研究

2.1 隱形切割實(shí)驗(yàn)方案

隱形切割是將對(duì)晶圓材料透明的激光沿垂直于晶圓表面方向聚焦到晶圓內(nèi)部，在晶圓內(nèi)部的不同深度處進(jìn)行掃描生成單道或者多道改質(zhì)層，之后在外張力作用下，改質(zhì)層裂紋沿垂直于晶圓表面方向擴(kuò)展，使晶圓由內(nèi)向外劈裂[9]。當(dāng)隱形切割360 μm及以上厚度的晶圓時(shí)，單道改質(zhì)層厚度相對(duì)較窄，其裂紋不足以支持晶圓的劈裂，這就需要多道不同深度的改質(zhì)層裂紋共同擴(kuò)展致使晶圓分離。激光改質(zhì)具有閾值性，當(dāng)脈沖能量達(dá)到一定閾值時(shí)，材料才會(huì)發(fā)生改質(zhì)[13-14]。此外，由于晶圓存在吸收、反射、散射等光功率損耗因素，以及晶圓與空氣折射率不匹配造成焦點(diǎn)有球差，因此隨著焦點(diǎn)深度增加，晶圓內(nèi)部改質(zhì)所需要的單脈沖能量也會(huì)逐漸增大，這就要求在切割過(guò)程中要根據(jù)激光的焦點(diǎn)深度調(diào)整單脈沖能量。

為探究Laser1和Laser2的隱形切割質(zhì)量和速度，將激光掃描速度固定為400 mm/s。切割實(shí)驗(yàn)采用單焦點(diǎn)隱形切割方案，分別使用Laser1和Laser2隱形切割樣片。Laser1和Laser2的最大單脈沖能量分別為16 μJ和20 μJ。隱形切割光路如圖1（b）所示：Optical gate為光閘；Objective Lens為物鏡，數(shù)值孔徑為0.65，入瞳直徑為3.5 mm。外光路的光功率總插損為35%。由于360 μm厚度的SiC晶圓常作為大功率器件的襯底，本實(shí)驗(yàn)選取直徑4″、厚度（360±10） μm 的4H-SiC晶圓作為樣片。隱形切割工藝的調(diào)試參數(shù)主要有脈沖能量、焦點(diǎn)深度、掃描速度和掃描次數(shù)。良好的切片外觀需要多次優(yōu)化上述參數(shù)。切割速度的計(jì)算方法為激光掃描速度除以掃描次數(shù)。

2.2 切割結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光掃描速度為400 mm/s、掃描次數(shù)為10次時(shí)，Laser1雖然能夠得到較好的切片截面質(zhì)量，但是切片表面有損傷，如圖3（a）和圖3（b）所示。圖3（a）為切片截面圖，改質(zhì)層已按形成的順序被編為1～9道，其中第9道改質(zhì)層被激光掃描2次。當(dāng)皮秒脈沖的單脈沖能量為16 μJ時(shí)，脈沖的改質(zhì)深度只有250 μm，對(duì)應(yīng)圖3（a）中的第1道改質(zhì)層。圖3（b）為相應(yīng)的晶圓表面圖，切縫的寬度為1 μm，符合切割要求。切縫附近的發(fā)白區(qū)域是熱損傷區(qū)，這是由于晶圓內(nèi)部的近上表面區(qū)域所用的脈沖能量較大。因?yàn)榈?道改質(zhì)層距離下表面相對(duì)較遠(yuǎn)，所以需要增大靠近上表面區(qū)域的脈沖能量，加深這些區(qū)域的改質(zhì)程度，彌補(bǔ)近下表面區(qū)域的改質(zhì)不足，降低晶圓的劈裂難度。若降低近上表面區(qū)域所用的脈沖能量，裂片難度就會(huì)增大，切片的邊緣會(huì)出現(xiàn)崩邊問(wèn)題。圖3（c）和圖3（d）分別為存在崩邊問(wèn)題的切片上邊緣截面圖和相應(yīng)的邊緣表面圖。可以看出，當(dāng)出現(xiàn)崩邊問(wèn)題時(shí)，切片的上邊緣截面粗糙不平，邊緣有較多毛刺，直線度≥5 μm。所以，當(dāng)激光掃描速度為400 mm/s，掃描次數(shù)為10次時(shí)，Laser1無(wú)法兼顧切片的表面質(zhì)量和邊緣質(zhì)量，相應(yīng)的切割速度為40 mm/s。

圖3 Laser1的 切割結(jié)果Fig.3 Cutting results of Laser1

當(dāng)激光掃描速度為400 mm/s、掃描次數(shù)為9次時(shí)， Laser2的切片截面圖及相應(yīng)的晶圓表面（已擴(kuò)片）圖分別為圖4（a）和圖4（b）。在圖4（a）中總共有8道改質(zhì)層，其中第8道改質(zhì)層被激光掃描兩次，截面的上下邊緣非常干凈，無(wú)毛刺、無(wú)崩邊。當(dāng)Laser2輸出20 μJ能量的皮秒脈沖時(shí)，皮秒脈沖可以在晶圓內(nèi)部300 μm深度處誘導(dǎo)出改質(zhì)層，這就降低了晶圓內(nèi)部近上表面區(qū)域的改質(zhì)程度要求。在這種情況下，可以減少近上表面區(qū)域所用的脈沖能量，避免皮秒脈沖對(duì)晶圓表面造成熱損傷。如圖4（b）所示，切片的表面無(wú)熱損傷。圖4（c）為單道改質(zhì)層的局部放大圖，展示了改質(zhì)層的細(xì)節(jié)。從圖4（c）中可以看出，在同一道改質(zhì)層中，相鄰改質(zhì)點(diǎn)的間距為4 μm，對(duì)應(yīng)100 kHz的脈沖重復(fù)頻率和400 mm/s的掃描速度。圖4（d）為與圖4（a）相應(yīng)的切片邊緣表面圖，切片的邊緣平整光滑，沒有毛刺，直線度≤5 μm。所以，當(dāng)激光掃描速度為400 mm/s、掃描次數(shù)為9次時(shí)，Laser2可以滿足切片的截面質(zhì)量、表面質(zhì)量和邊緣直線度的實(shí)用要求，相應(yīng)的切割速度為44.44 mm/s。

圖4 Laser2的切割結(jié)果Fig.4 Cutting results of Laser2

以上結(jié)果表明，Laser2的切割質(zhì)量和速度均優(yōu)于Laser1，這主要是因?yàn)?6 μJ單脈沖能量小于晶圓內(nèi)部300 μm深度處的改質(zhì)閾值，限制了Laser1的隱形切割效果。

2.3 單脈沖能量的影響

為避免晶圓表面出現(xiàn)熱損傷，我們以Laser2為光源，將激光掃描速度固定為400 mm/s，分別進(jìn)行了不同單脈沖能量的激光在相同的焦點(diǎn)深度下掃描晶圓實(shí)驗(yàn)和相同單脈沖能量的激光在不同的焦點(diǎn)深度下掃描晶圓實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀察經(jīng)激光掃描后的晶圓表面熱損傷區(qū)，探究了單脈沖能量對(duì)晶圓表面質(zhì)量的影響。由于Laser2的脈寬隨單脈沖能量增加而略有展寬且激光為線偏振光，因此為排除脈寬變化帶來(lái)的干擾，在激光器的外光路中加入半波片和偏振分光棱鏡，通過(guò)旋轉(zhuǎn)半波片調(diào)節(jié)激光的單脈沖能量。

我們將激光的焦點(diǎn)深度設(shè)為25 μm，分別使用單脈沖能量為3 μJ、6 μJ和9 μJ的皮秒脈沖掃描晶圓，觀察晶圓表面損傷情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著皮秒脈沖能量的增加，晶圓表面損傷逐漸加重，如圖5所示。圖5（a）沒有表面損傷，這是因?yàn)? μJ能量的皮秒脈沖在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生的熱沖擊波較弱，沒有影響到晶圓表面。圖5（b）在激光掃描軌跡兩側(cè)附近有發(fā)白的熱損傷區(qū)，這是因?yàn)槠っ朊}沖的能量過(guò)大，產(chǎn)生了較強(qiáng)的熱沖擊波影響到晶圓表面。圖5（c）的表面損傷最嚴(yán)重。表面發(fā)生崩裂，這是因?yàn)楦吣芰科っ朊}沖產(chǎn)生的熱沖擊波太強(qiáng)，導(dǎo)致晶圓內(nèi)部釋放出大量熱應(yīng)力，這些熱應(yīng)力崩裂了晶圓表面。

圖5 焦點(diǎn)深度設(shè)為25 μm的晶圓表面圖Fig.5 Wafer surface results of 25 μm focal depth laser

我們將20 μJ單脈沖能量的激光分別聚焦在晶圓內(nèi)部25 μm、50 μm、100 μm、150 μm、200 μm和250 μm深度處來(lái)掃描晶圓。由圖6（a）可知，焦點(diǎn)深度為25 μm的晶圓表面損傷最嚴(yán)重，甚至發(fā)生了崩裂。由圖6（b）、圖6（c）和圖6（d）可知，隨著激光焦點(diǎn)深度的加深，晶圓表面熱損傷區(qū)逐漸減少，這是因?yàn)殡S著焦點(diǎn)深度的增加，在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生的熱沖擊波擴(kuò)散到上表面的路程增大，而熱沖擊波在擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)逐漸減弱，對(duì)晶圓表面的熱影響隨之減小。由圖6（e）和圖6（f）可知，當(dāng)焦點(diǎn)深度超過(guò)200 μm時(shí)，晶圓表面沒有損傷。因此，調(diào)控焦點(diǎn)深度在200 μm以內(nèi)的激光單脈沖能量是避免晶圓表面損傷的關(guān)鍵。

圖6 20 μJ單脈沖能量的激光分別聚焦在不同深度的晶圓表面圖Fig.6 Wafer surface results of 20 μJ single-pulse-laser was focused at different depths

2.4 掃描速度的影響

為探究掃描速度對(duì)切割質(zhì)量的影響，我們分別將掃描速度設(shè)為200 mm/s、400 mm/s和800 mm/s去隱形切割晶圓。當(dāng)掃描速度為200 mm/s時(shí)，晶圓內(nèi)部的改質(zhì)點(diǎn)數(shù)量是掃描速度為400 mm/s的2倍。從圖7（a）可以看出，切片截面平整度明顯變差。在該掃描速度下，皮秒脈沖生成的改質(zhì)點(diǎn)緊密排列，相鄰脈沖的改質(zhì)范圍發(fā)生重疊，導(dǎo)致晶圓內(nèi)部出現(xiàn)過(guò)度改質(zhì)的區(qū)域。當(dāng)使用外力分裂晶圓時(shí)，過(guò)度改質(zhì)的區(qū)域更加脆弱，導(dǎo)致晶圓無(wú)法沿同一平面分離。當(dāng)掃描速度為400 mm/s時(shí)，從圖7（b）可以看出，切片截面干凈平整，無(wú)崩邊。當(dāng)掃描速度為800 mm/s時(shí)，晶圓內(nèi)部的改質(zhì)點(diǎn)數(shù)量是掃描速度為400 mm/s的0.5倍。從圖7（c）可以看出，切片截面的上邊緣有崩邊問(wèn)題。在該掃描速度下，同一道改質(zhì)層中的相鄰改質(zhì)點(diǎn)的間距較大，導(dǎo)致晶圓內(nèi)部改質(zhì)不充分，增大了晶圓的分裂難度，所以容易出現(xiàn)崩邊問(wèn)題。以上結(jié)果表明，掃描速度直接影響到晶圓內(nèi)部的改質(zhì)程度，過(guò)慢或過(guò)快的掃描速度都會(huì)降低晶圓的切片質(zhì)量。

圖7 切片截面圖Fig.7 Cross-section of the slice

3 結(jié) 論

利用自行研制的高能量皮秒脈沖激光器實(shí)現(xiàn)了高速度切割360 μm厚度的SiC晶圓。當(dāng)使用皮秒脈沖隱形切割晶圓時(shí)，需要根據(jù)焦點(diǎn)的深度調(diào)節(jié)脈沖能量，既要保證皮秒脈沖能夠在晶圓內(nèi)部誘導(dǎo)出改質(zhì)層，又要避免皮秒脈沖對(duì)晶圓表面造成熱損傷。掃描速度會(huì)影響皮秒脈沖對(duì)晶圓內(nèi)部的改質(zhì)程度，通過(guò)調(diào)整掃描速度，可以優(yōu)化晶圓內(nèi)部的改質(zhì)程度，得到高質(zhì)量的晶圓切片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，中心波長(zhǎng)為1 030 nm、重復(fù)頻率為100 kHz、單脈沖能量為20 μJ、脈沖寬度約為100 ps的皮秒脈沖能夠高質(zhì)量、高速度地切割360 μm厚度的SiC晶圓，激光掃描速度可達(dá)400 mm/s，相應(yīng)的切割速度為44.44 mm/s，高于其他SiC晶圓切割實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。