半導(dǎo)體襯底材料碳化硅(SiC)已經(jīng)引起電動汽車(EV)和電力電子制造商的濃厚興趣，因為與傳統(tǒng)的硅電子器件相比，碳化硅在這些應(yīng)用中展現(xiàn)出許多優(yōu)勢。但SiC的材料特性與硅有很大不同，這意味著目前的許多IC制備工藝在一定程度上并不適用SiC，甚至根本不適用。
切割(芯片劃切)就是一個典型例子。作為硅芯片切割的主要方法，機械鋸切并不能完全應(yīng)用到SiC上。其中一個問題在于，SiC是已知最硬的材料之一，其硬度幾乎與金剛石相當。因此，鋸切 SiC 會產(chǎn)生切屑，迅速磨損昂貴的金剛石鋸片，鋸切速度相對較慢，而且會產(chǎn)生熱量(這會影響材料特性)。
在本應(yīng)用聚焦中，我們將回顧運用最新雷射技術(shù)克服這些挑戰(zhàn)的技術(shù)，并介紹加工 SiC 材料的解決方案。
非接觸式雷射切割為加工SiC材料提供了一種極具吸引力的選擇。理想的雷射加工可以減少或消除邊緣崩裂，并將材料的機械變化(裂紋、應(yīng)力或其他缺陷)減至最少。此外，它還能最大限度地減小切口寬度，以保持較小的“自由區(qū)域"尺寸(相鄰電路之間的空區(qū)域)，從而大幅增加每片晶圓的芯片數(shù)量。眾所周知，超短脈沖(USP)雷射，尤其是紫外(UV) 波長的超短脈沖(USP)雷射，在對堅硬、透明或脆性材料進行高精度切割和燒蝕時完全能展現(xiàn)上述優(yōu)點。但與此同時，結(jié)合利用短脈寬和短波長實現(xiàn)高產(chǎn)量也是一項挑戰(zhàn)。
考慮到這些因素，我們使用MKS Spectra-Physics? IceFyre?紫外皮秒雷射進行了優(yōu)化SiC 切割工藝的實驗。我們特別TimeShiftTM可程序設(shè)計脈沖功能對脈沖串定制的影響。
測試樣品為 340μm 厚的4H-SiC材料。利用這款雷射的可程序設(shè)計脈沖串功能，我們使用從單脈沖到12個脈沖串的各種脈沖配置制作了各種劃片。
圖 1. 單脈沖和各種脈沖串配置（4-12 個脈沖串子脈沖）在 25 mm/s 凈速度下的劃線深度與功率的函數(shù)關(guān)系。顯然，脈沖串提高了燒蝕率。
總體結(jié)果如圖1所示，圖中顯示了各種脈沖串配置底線深度與平均雷射功率的函數(shù)關(guān)系。在每次測試中，我們在材料的同一位置上總共進行了八十次高速劃線。利用 IceFyre雷射的 TimeShift功能，可以精密控制每個脈沖串在工作面上的位置(例如總脈沖重疊)。在這種情況下，脈沖的有效空間重疊率約為 84%，這是通過交錯配置多個重疊次數(shù)較少的脈沖來實現(xiàn)的。
這一資料清楚地表明，使用脈沖串可顯著提高燒蝕率,這與在其他材料中使用脈沖串處理以及其他脈沖寬度的結(jié)果一致。
圖 2. 顯微鏡圖像顯示 25 μm 深溝槽的頂部和底部。這些圖像顯示，隨著脈沖串中脈沖數(shù)量的增加，劃線質(zhì)量也在穩(wěn)步提高。
為了對劃線進行定性評估，我們拍攝了一系列照片。這些照片如圖2所示。具體來說，這些照片是利用1、4、8和12 個脈沖串制作的一系列25 μm 深溝槽的圖像,在每種情況下，雷射平均功率和凈速度都經(jīng)過調(diào)整，以達到最佳質(zhì)量(25μm深度)。
在上排照片中，顯微鏡聚焦的是晶圓上表面，而在下排照片中，聚焦的是劃線底面(底部)。隨著脈沖串子脈沖數(shù)的增加,整體特征質(zhì)量明顯提高。
特別值得注意的是，隨著脈沖數(shù)的增加，劃線周圍的變色逐漸縮小，然后完全消失。這種變色通常表明表面或基體材料發(fā)生了某種變化可能由于材料過熱而導(dǎo)致表面氧化。
圖3中的照片顯示的只是一系列劃線的底部(底面),這次的放大倍數(shù)更高。在這種情況下，每次劃線都是在相同的雷射工作條件下進行的，即平均功率為16 W,凈掃描速度為 25 mm/s。圖中示出了每種條件下的劃線深度。
圖 3. 從這些圖像中可以看出，使用皮秒紫外雷射加工可以獲得極佳的加工表面質(zhì)量。高脈沖數(shù)脈沖串的優(yōu)勢在此顯而易見。
這種分辨率更高的視圖使得隨著脈沖數(shù)的增加，表面光滑度的改善更加明顯。值得注意的是，在平均功率和整體加工速度不變的情況下，使用TimeShift功能定制脈沖輸出可以使劃線深度增加三倍。
這項測試表明，紫外皮秒雷射可以在SiC芯片上制作超高質(zhì)量的劃線。此外，測試還明顯證明了TimeShift脈沖串程序設(shè)計的優(yōu)勢。尤其是，測試表明脈沖數(shù)越高，劃線質(zhì)量越好，進料速率也越高。這一結(jié)果令人振奮，因為測試表明使用具有TimeShift 功能的IceFyre 皮秒雷射進行SiC劃線，既能達到生產(chǎn)所需的產(chǎn)量，又能保證質(zhì)量，從而實現(xiàn)高成本效益。
產(chǎn)品：lceFyre 工業(yè)皮秒雷射
IceFyre UV50是市面上表現(xiàn)優(yōu)異的紫外皮秒雷射，在1.25 MHz(>40)時提供>50W的紫外輸出功率，脈沖串模式下的脈沖能量為100μJ，脈沖寬度為 10 ps。IceFyre UV50設(shè)定了從單次激發(fā)到10MHz的功率和重復(fù)率的新標準。
IceFyre UV30 提供>30W的典型紫外輸出功率,脈沖能量>60μJ(脈沖串模式下脈沖能量更大)，具有從單次激發(fā)到3MHz的優(yōu)異性能。
IceFyre IR50在400kHz單脈沖時提供>50W的紅外輸出功率，具有從單脈沖到10 MHz的優(yōu)異性能。lceFyre 雷射的獨特設(shè)計利用了光纖雷射的靈活性和Spectra-Physics獨有的功率放大器能力，實現(xiàn)了 TimeShift ps可程序設(shè)計脈沖模式技術(shù)，具有業(yè)內(nèi)較高的多功能性。
每臺雷射均配備一組標準波形;可選的TimeShiftps GUI 可用于創(chuàng)建自訂波形。該雷射的設(shè)計可為高掃描速度的優(yōu)質(zhì)加工(例如使用多面掃描鏡)實現(xiàn)同類雷射中時間抖動極其低的按需脈沖(POD)和位置同步輸出(PSO)觸發(fā)功能。
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