CN104625425A - 一种大功率电力电子器件晶圆隐形激光切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用隐形激光切割的方法切割大功率电力电子器件的方法，包括带有半导体材料衬底和生长在衬底表面的外延层。大功率电力电子器件芯片的切割方法，该方法对大功率电力电子器件的衬底背面进行隐形激光划片后，再根据内部划痕使用裂片机进行正面裂片。内部划痕的深度约为芯片厚度的1/10至1/2。本发明是使用激光束聚焦切割待切割芯片内部的方法，采取激光束切割大功率电力电子器件内部，使激光能量作用于器件内部，并在器件内部爆裂，从而达到划片的目的，激光作用区域位于芯片下半部，即靠近衬底区域。采用激光隐形切割最大限度地保证芯片正面的有源区，不破坏正面区域，得到边缘整齐的器件，对大面积芯片的可靠性和产能都有一个很大提升。

Description

一种大功率电力电子器件晶圆隐形激光切割方法

【技术领域】

本发明涉及一种半导体功率器件制备工艺，具体讲涉及一种大功率电力电子器件制备过程中将大功率器件晶圆分割成单颗芯片的工艺。

【背景技术】

电力电子器件的使用环境、条件越来越恶劣，要适应高频、大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需求，必须采用新的材料，以便最大限度地提高电子元器件的内在性能。近年来，新发展起来的第三代半导体材料-宽禁带半导体材料，例如碳化硅、氮化镓等具有热导率高、电子饱和速度高、击穿电压高、介电常数低等特点，这就从理论上保证了其较宽的适用范围。宽禁带半导体技术已成为当今电子产业发展的新型动力。从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术，其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快。近年来，以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体材料的发展开启了半导体产业的新局面，电力电子器件技术和产业迎来了一个不约而同地遵循以政府投入为先导，大型跨国巨头公司积极跟进的发展路线。这些大型公司以美国通用电气、仙童公司、德国西门子、英飞凌，瑞士ABB，日本三菱、富士、东芝等为代表。美国Rutgers大学报道了迄今为止最高反向击穿电压为10.8kV的Ni/4H-SiC SBD，该器件n型漂移区浓度为5.6×10¹⁵cm^-3，厚度为115μm，并采用了多台阶的结终端技术来提高击穿电压，在电流密度48A/cm²下，该器件的正向压降为6V，比导通电阻为97mΩcm²，品质因子为1202MW/cm²。Cree研制的1200V 4H-SiC场效应管导通电阻为10mΩcm²，正向电流为100A，而该器件的尺寸仅为7mm×7mm，只有Si器件的5％。该公司还制成了阻断电压为2kV的场效应晶体管，正向电流为50A，而器件的尺寸仅为5.5mm×5.5mm。据报道，4H-SiC场效应管最高阻断电压已经达到10kV，正向电流达20A。随着阻断电压和导通电阻等器件性能不断提高，此种器件的可靠性尤其在300℃下的长期可靠性研究也获得了可喜进展。

现有的半导体晶圆尺寸大、质地脆、切割迹道窄，广泛采用激光切割。激光切割具有：加工速度快；切槽窄(10μm～30μm)，晶圆利用率较高；非接触加工，适合薄基圆；自化动程度高，任意图形切割等优点，同时也存在重凝、熔屑和裂纹以及晶粒强度等一系列问题。

【发明内容】

为克服现有激光切割中存在的不可避免的芯片表面损伤，产生击穿点破坏芯片可靠性等问题，本发明提供了一种隐形激光切割技术，通过利用短波长的激光束聚焦于晶圆内部，在内部造成局部爆裂，形成内部改质层，同时形成分别朝向外部两侧的裂痕，在该裂痕上加力会导致样品的裂开。本发明提供的隐形激光切割方式不同于传统激光划片机的激光束聚焦于样品表面，使得芯片外部不产生或者很少产生激光划痕，由于表面区域不被破坏，所以芯片的可靠性有了更好的保证。

本发明的目的是采用以下技术方案实现的：

本发明提供了一种大功率电力电子器件晶圆隐形激光切割方法，利用激光束聚焦于所述晶圆内部划痕，裂片；激光束光源的波长为190-355nm，激光束的功率为3-10W，激光束距离晶圆N面的聚焦距离为10-300μm，激光束的移动速率为10-300mm/s。

本发明提供的隐形激光切割方法中，激光束光源波长优选190-330nm，可以优选紫外和深紫波长段，相较于近红外、红外波长，本发明选用波长能量高，缩短了切割作用时间，从而进一步的缩短激光束作用于晶圆的时间，相应减少激光对晶圆的损伤，缩短整个切割时间及减少芯片损伤。

本发明提供的隐形激光切割方法中，激光束划痕的沟槽深度为晶圆厚度的1/10-1/2。

本发明提供的隐形激光切割方法中沟槽深度为1um-80μm，优选20-40μm。

本发明提供的隐形激光切割方法中，优选的激光束的功率为5-7W，激光束距离晶圆N面的聚焦距离为40-100μm，激光束的移动速率为2-50mm/s。本发明通过在晶圆内部进行划痕形成爆裂点，不损伤晶圆表面。

本发明提供的隐形激光切割方法中，裂片为可以根据最终形成划痕的深度及位置采用正面或背面裂片实现。

本发明涉及的晶圆为第三代宽紧带半导体材料，包括碳化硅、氮化镓等。本发明还提供了一种大功率电力电子器件晶圆隐形激光切割方法制得的芯片。

本发明是利用激光束聚焦待切割晶圆内部的方法，采取激光束切割其内部，使激光能量作用于器件内部，并在器件内部爆裂，从而达到划片的目的，激光作用区域位于芯片下半部，即靠近衬底区域。采用隐形激光切割不破坏芯片表面，最大限度地保证芯片正面的有源区，通过配合使用能量较高的紫外或深紫外波段，综合优化槽深及激光束光源波长、功率、聚焦距离及移动速率，得到边缘整齐的器件，对芯片的可靠性和产能都有一个很大提升，3)4)

最终获得的碳化硅肖特基二极管反向耐压＞3500V，漏电流＜10uA。

也可以依据本发明提供的隐形激光切割方法参照具体实际工艺进行正面裂片时，操作步骤：

1、将待划片的晶圆贴于蓝膜上

将已经制备完成待切割晶圆固定于蓝膜。将卡环也放置在贴膜机固定位置，待切割晶圆背面向下放置于贴膜机中心的小台面上，抽真空固定晶圆片，将贴膜机上的蓝膜拉到覆盖晶圆片和卡环的位置并贴紧晶圆片和卡环，用滚轮再次将蓝膜和晶圆片压紧，切开蓝膜，取下卡环，这时已经将晶圆片固定在蓝膜上，而蓝膜也被固定在钢制卡环上。

2、放入隐形切割机进行划片

将晶圆片及蓝膜卡环放置在激光划片机的载片台上，抽真空固定蓝膜的同时也将晶圆片固定片。调整好激光束焦距、激光束能量、切割速度和路径等参数后开始切割晶圆。

3、划片完毕，放入裂片机进行裂片

将切割后的样品进行裂片。将隐形切割后的晶圆片放入裂片机，调整裂片机参数进行裂片，裂片后晶圆上的芯片就成为独立的芯片了。

4、扩片

将裂片完成后的晶圆片放在扩片机上进行扩片，独立的芯片被彻底分开。

激光划片时产生的高温会熔融外延层，熔融的外延层可能产生漏电等电学缺陷，而本发明是利用激光束聚焦于芯片内部，芯片外部不产生或者很少产生激光划痕；

本发明采用能量高的短波长激光，实现了切割时间短，减少损伤的目的；

本发明通过对晶圆的衬底采用激光束聚焦对准，再进行激光束划片的方法，不损伤表面有源区。

【附图说明】

图1为将衬底片贴在蓝膜上的示意图；

图2a为划片时衬底示意图；

图2b为划片后带有内部划痕的衬底片示意图；

图3为翻膜后的衬底片和蓝膜位置示意图；

图4为裂片时示意图；

图5为扩片后芯片被分离开的示意图；

图示中标注为1-晶圆，2-卡环，3-蓝膜，4-激光束，5-裂片刀。

【具体实施方式】

下面通过具体实施实例来描述本发明，如图例。

本发明中仅以正面裂片为例进行描述：

1、贴膜

将晶圆片放在贴膜机上，并将贴片时的温度设定为70℃，将蓝膜3贴在晶圆片1和卡环2上。

2、激光划片

将晶圆片1等放入隐形切割机中，抽真空吸住蓝膜3从而使晶圆片固定。调整隐形切割机的参数。

3、裂片

将翻膜后的芯片放入裂片机，沿激光划痕对准裂片载台后，将裂片机的裂片刀5落到划痕上，施压裂片刀使芯片裂开。

4、扩片

将完成裂片后的晶圆片放在扩片机上进行扩片，完全分离出独立的芯片。

也可按照上述步骤，根据最终内部划痕的位置进行背面裂片。

本发明对槽深、选用激光束光源波长、功率、聚焦距离、移动速率等参数进行了优化。本发明提供的切割方法中影响最终切割芯片可靠性的各项参数包括：激光束划痕的沟槽深度为晶圆厚度的1/10～1/2，激光束波长为190‐355nm，激光束功率为5‐10W，激光束距离晶圆N面的聚焦距离为10‐300μm，激光束的移动速率为10‐300mm/s。本发明在实际实施过程中可以根据需要选择上述范围内的具体点值进行操作来实现本发明能够达到的最终效果。以下仅列举出几个具体实施方式以供参考。

实施例1

在本发明提供的切割原理指导下，选择的具体实施参数：激光束波长为190nm，切割槽深20μm，激光束功率5W，聚焦距离50μm，激光切割速度10mm/s，

实施例2

在本发明提供的切割原理指导下，具体实施参数选择：激光束波长为300nm，切割槽深40μm，激光束功率10W，聚焦距离80μm，激光切割速度10mm/s。

实施例3

在本发明提供的切割原理指导下，具体实施参数选择：激光束波长为220nm，切割槽深20μm，激光束功率8W，聚焦距离100μm，激光切割速度150mm/s。

实施例4

在本发明提供的切割原理指导下，具体实施参数选择：激光束波长为355nm，切割槽深25μm，激光束功率3W，聚焦距离300μm，激光切割速度300mm/s。

实施例5

在本发明提供的切割原理指导下，具体实施参数选择：激光束波长为190nm，切割槽深15μm，激光束功率7W，聚焦距离50μm，激光切割速度20mm/s。

实施例6

在本发明提供的切割原理指导下，具体实施参数选择：激光束波长为265nm，切割槽深40μm，激光束功率5W，聚焦距离10μm，激光切割速度10mm/s。

实施例7

在本发明提供的切割原理指导下，具体实施参数选择：激光束波长为190nm，切割槽深20μm，激光束功率3W，聚焦距离40μm，激光切割速度2mm/s。

实施例8

在本发明提供的切割原理指导下，具体实施参数选择：激光束波长为220nm，切割槽深20μm，激光束功率7W，聚焦距离50μm，激光切割速度50mm/s。

实施例9

在本发明提供的切割原理指导下，具体实施参数选择：激光束波长为190nm，切割槽深20μm，激光束功率8W，聚焦距离80μm，激光切割速度20mm/s。

实施例10

在本发明提供的切割原理指导下，具体实施参数选择：激光束波长为300nm，切割槽深20μm，激光束功率10W，聚焦距离50μm，激光切割速度10mm/s。

利用实施例1～10任一所切割制得的芯片获得的碳化硅肖特基二极管测试反向耐压＞3500V，漏电流＜10μA。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大功率电力电子器件晶圆隐形激光切割方法，其特征在于用激光束聚焦于所述晶圆内部划痕，裂片；

所述激光束光源的波长为190-355nm，所述激光束的功率为3-10W，激光束距离晶圆N面的聚焦距离为10-300μm，激光束的移动速率为10-300mm/s。

2.根据权利要求1所述的隐形激光切割方法，其特征在于所述激光束光源波长为190-300nm。

3.根据权利要求2所述的隐形激光切割方法，其特征在于所述激光束的功率为5-7W，激光束距离晶圆N面的聚焦距离为40-100μm，激光束的移动速率为2-50mm/s。

4.根据权利要求3所述的隐形激光切割方法，其特征在于所述激光束的功率为5W，激光束距离晶圆N面的聚焦距离为50μm，激光束的移动速率为10mm/s。

5.根据权利要求1所述的隐形激光切割方法，其特征在于所述激光束划痕的沟槽深度为晶圆厚度的1/10-1/2。

6.根据权利要求5所述的隐形激光切割方法，其特征在于所述沟槽深度为1-80μm。

7.根据权利要求6所述的隐形激光切割方法，其特征在于所述沟槽深度为20-40μm。

8.根据权利要求1所述的隐形激光切割方法，其特征在于所述裂片为正面或背面裂片。

9.根据权利要求1所述的隐形激光切割方法，其特征在于所述的晶圆材料包括碳化硅、氮化镓。

10.一种大功率电力电子器件晶圆隐形激光切割方法制得的芯片，其特征在于芯片利用权利要求1所述切割方法制得。