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【原創(chuàng)】大尺寸半導(dǎo)體單晶激光切片設(shè)備與技術(shù)研究


來源:中國粉體網(wǎng)   留白

[導(dǎo)讀]  大尺寸碳化硅激光切片設(shè)備是未來8英寸碳化硅晶錠切片的核心設(shè)備,。

中國粉體網(wǎng)訊  在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中,,大尺寸半導(dǎo)體單晶材料的高質(zhì)量切片是芯片制造的關(guān)鍵前置工序,。傳統(tǒng)的切片技術(shù)如多線切割技術(shù)在加工大尺寸半導(dǎo)體單晶,,尤其是像碳化硅這類高硬度的脆性材料時,面臨著材料損耗率高,、加工周期長,、表界面粗糙度高以及污染嚴(yán)重等問題。切片性能決定后續(xù)薄化,、拋光加工水平,,且切片加工易在晶片表面和亞表面產(chǎn)生裂紋,,導(dǎo)致晶片破片率和制造成本增加,所以控制晶片表層裂紋損傷對推動碳化硅器件制造技術(shù)發(fā)展意義重大,,正因如此,激光切片技術(shù)成為研究熱點,。

 

1.痛點問題

 

1)傳統(tǒng)多線切割技術(shù)材料損耗率高,。由于碳化硅是高硬度的脆性材料,切磨拋的加工難度增加,,加工過程中其曲翹開裂等問題嚴(yán)重,,損耗巨大。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù),,在傳統(tǒng)的往復(fù)式金剛石固結(jié)磨料多線切割方法下,,在切割環(huán)節(jié)對整體材料利用率僅有50%,經(jīng)過拋光研磨環(huán)節(jié)后,,切損耗比例則高達(dá)75%(單片總損耗~250um),,可用部分比例較低。

 

2)傳統(tǒng)多線切割技術(shù)加工周期長,,產(chǎn)率低,。國外生產(chǎn)統(tǒng)計顯示,24小時連續(xù)并行生產(chǎn),,10000片生產(chǎn)時間約273天,。要想滿足市場需求,需要大量的線切割設(shè)備和耗材,,而且線切割技術(shù)表界面粗糙度高,、污染嚴(yán)重(粉塵、污水等),。

 

2.解決方案

 

激光切片技術(shù)主要利用激光的高能量密度特性,,在半導(dǎo)體單晶材料上產(chǎn)生瞬間的高溫,使材料迅速熔化,、蒸發(fā)或分解,,從而實現(xiàn)切割。根據(jù)不同的材料特性和切割要求,,可以采用不同的激光切割方式,,如激光熱裂法、激光燒蝕法等,。

 

碳化硅襯底除了“如何增產(chǎn)”,,更應(yīng)該思考的是“如何節(jié)約”。采用激光切片設(shè)備可以大大的降低損耗,,提升產(chǎn)率,。以單個20毫米SiC晶錠為例,,采用線鋸可生產(chǎn)30片350um的晶圓,而用激光切片技術(shù)可生產(chǎn)50多片晶圓,。同時,,由于激光切片生產(chǎn)的晶圓的幾何特性更好,因此單片晶圓厚度可以減少到200 um,,這就進一步增加了晶圓數(shù)量,,單個20毫米SiC晶錠可以生產(chǎn)80多片晶圓。

 

3. 競爭優(yōu)勢分析

 

目前修教授團隊已完成大尺寸原型激光切片設(shè)備的研發(fā),,實現(xiàn)了4-6英寸半絕緣碳化硅晶圓的切割減薄,、6英寸導(dǎo)電型碳化硅晶錠的切片,正在進行8英寸晶錠切片驗證,。激光切片技術(shù)對比傳統(tǒng)多線切割技術(shù)主要優(yōu)點如下: 



1)高效率:激光切片的速度快,,能夠在短時間內(nèi)完成對大尺寸半導(dǎo)體單晶材料的切割,大大提高了生產(chǎn)效率,。例如,,對于半絕緣/導(dǎo)電型6英寸的碳化硅晶錠,單片的激光切割時間不超過15分鐘,,而傳統(tǒng)的多線切割技術(shù)則需要數(shù)小時,,單臺年產(chǎn)晶片>30000片

 

2)高材料利用率:相比傳統(tǒng)的多線切割技術(shù),,激光切片技術(shù)能夠更精確地控制切割的深度和寬度,,減少材料的損耗。例如,,在加工碳化硅晶錠時,,激光切片技術(shù)可以將材料的利用率提高到80%以上,而傳統(tǒng)的多線切割技術(shù)的材料利用率僅為50%左右,。半絕緣碳化硅晶錠單片損耗≤30um,;導(dǎo)電型單片損耗≤60um,產(chǎn)片率提升>50%,。

 

3高質(zhì)量:激光切片技術(shù)可以有效控制晶片表層的裂紋損傷,,提高切割后的晶片的質(zhì)量和表面平整度,有利于后續(xù)的薄化,、拋光等加工工序,。

 

4靈活性高:激光切片技術(shù)可以實現(xiàn)對各種形狀和尺寸的半導(dǎo)體單晶材料的切割,包括異形片的加工,,具有很高的靈活性和適應(yīng)性,。

 

4. 市場應(yīng)用前景

 

激光切片技術(shù)能夠有效解決傳統(tǒng)切割技術(shù)的痛點,提高材料的利用率和生產(chǎn)效率,,對于推動半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的發(fā)展,、降低芯片生產(chǎn)成本以及滿足日益增長的半導(dǎo)體市場需求具有重大意義,。大尺寸碳化硅激光切片設(shè)備是未來8英寸碳化硅晶錠切片的核心設(shè)備。目前大尺寸碳化硅晶錠激光切片設(shè)備僅日本能提供,,價格昂貴且對中國禁運,。據(jù)調(diào)研,激光切片/減薄設(shè)備國內(nèi)需求超過1000臺以上,,目前大族激光,、德龍激光等公司已經(jīng)投入巨資開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品,但尚未有商品化國產(chǎn)成熟設(shè)備銷售,。本項目研發(fā)的設(shè)備不僅用于碳化硅晶錠切割和晶片減薄,也可以用于氮化鎵,、氧化鎵,、金剛石等激光加工。

 

2024年12月24日,,中國粉體網(wǎng)將在河南·鄭州舉辦2024半導(dǎo)體行業(yè)用金剛石材料技術(shù)大會”,。屆時,我們邀請到南京大學(xué)修向前教授出席本次大會并作題為《大尺寸半導(dǎo)體單晶激光切片設(shè)備與技術(shù)研究》的報告,,修教授將為您具體介紹大尺寸半導(dǎo)體單晶激光切片設(shè)備研究進展及規(guī)�,;瘧�(yīng)用展望



個人簡歷:

 

修向前,,南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授,、博士生導(dǎo)師,國家重點研發(fā)計劃項目首席科學(xué)家,,長期從事寬禁帶/超寬禁帶半導(dǎo)體單晶襯底設(shè)備研制與材料外延研究和應(yīng)用,。2017年,主持的國家重點研發(fā)計劃“第三代半導(dǎo)體核心關(guān)鍵裝備”獲得立項,。近5年,,主持/參與863計劃、973,、國家自然科學(xué)基金,、國家自然科學(xué)基金重大項目、江蘇省自然科學(xué)基金等項目共10余項,。共發(fā)表SCI/EI等學(xué)術(shù)論文80余篇,,其中SCI論文60余篇。已獲得授權(quán)國家發(fā)明專利31項(第一發(fā)明人20余項),,申請國家發(fā)明專利30余項,。編寫論著9章。

 

參考來源:

南大雙創(chuàng)公眾號:大尺寸碳化硅激光切片設(shè)備與技術(shù)成果推介

中國電子科技集團有限公司官網(wǎng)


(中國粉體網(wǎng)編輯整理/留白)

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