CN106124548A - 一种复合结构SiC衬底的隐切实验测试方法 - Google Patents

一种复合结构SiC衬底的隐切实验测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合结构SiC衬底的隐切实验测试方法，包括步骤：1)提供一片复合结构SiC衬底，该衬底的表面已长完GaN层，并能够后续做电极形成微波器件；2)将衬底通过完整工艺制做成芯片，形成表面器件图形，背面有划切道；3)将芯片移至激光划切机台内部，采用激光隐切的方式对划切道进行激光扫描切割，扫描方式分为：不同区域扫描，分别扫描1/2/3/4/5/6次，即对同一片子的不同区域进行激光扫描；4)将激光扫描后的芯片进行裂片扩膜，分别取出6个区域的芯粒，应用检测设备对芯片的侧壁形貌进行检测，以分析激光切割侧壁区域的形貌特征。本发明采用接近激光破坏阈值的小功率对晶圆进行多次扫描，从而获得切割剖面平整垂直的SiC衬底芯片。

Description

一种复合结构SiC衬底的隐切实验测试方法
技术领域
本发明涉及半导体材料实验测试的技术领域，尤其是指一种复合结构SiC衬底的隐切实验测试方法。
背景技术
SiC材料具有良好的物理和化学性能，如化学性能稳定、热膨胀系数小、耐腐蚀、抗磨损、高强度、高硬度等一系列优点，因而在机械电子、复合材料、航空航天等领域具有广阔的应用前景。特别是随着武器装备现代化的迅速发展，各种先进技术的不断发展，对耐高温、抗辐照等恶劣环境工作的高性能电子器件的需求日益迫切，而传统半导体器件在高功率、高温领域已显现出诸多局限性。因此，以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体为代表的第三代半导体材料应运而生。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿场强高、饱和电子迁移速率高、热导率高、介电常数小、抗辐照能力强，以及良好的化学稳定性等优点，器件功率密度是Si、GaAs功率密度的10倍以上，非常适合制备大功率微波器件。采用此类半导体材料制造的器件具有以下独特的优点：工作温度高、工作温度范围宽；工作电压高、功率密度高、单元功率大；附加效率高；具有极具竞争力的噪声系数指标；阻抗高，便于宽带匹配；抗辐照能力强。
但由于SiC晶体结构的特殊性而使其成为公认的典型难加工材料。SiC作为C和Si唯一稳定的化合物，其晶格结构由致密排列的两个亚晶格组成，每个si(或c)原子与周边包围的C(si)原子通过定向的强四面体SP3键结合，虽然SiC的四面体键很强，但层错形成能量却很低，这一特点决定了SiC的多型体现象，每种多型体的C/Si双原子层的堆垛次序不同。故对其进行激光切割时，如果之间用大功率破坏阈值聚焦在材料内部，会导致切割轨迹偏离划切道。切割剖面倾斜，导致会损伤到器件。近年来，皮秒激光凭借其脉冲持续时间极短、峰值能 量极高的特点，已在材料加工过程中表现出了一系列独特的优点，不仅为硬脆难加工材料的无损伤高精度加工开辟一条崭新的途径，而且也扩大了该类材料在精密及超精密领域的应用范围。超短脉冲激光微加工技术以其独特的优势，尤其是对硬脆难加工类宽带隙材料的精密处理，而使其成为微结构加工中的研究热点。利用皮秒激光微加工系统对宽带隙材料Si C的烧蚀特性进行理论和试验研究。应用扫描电子显微镜、原子力显微镜和光学显微镜等检测技术对样品的烧蚀形貌进行检测，以分析烧蚀区域的形貌特征及微结构质量。整个制作过程中的主要技术难点在于，克服SiC晶体结构带来的切割影响，摸索破坏阈值附件功率值大小，摸索激光扫描的次数，使切割剖面平整并垂直于晶片表面。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种复合结构SiC衬底的隐切实验测试方法，采用接近激光破坏阈值的小功率对晶圆进行多次扫描，从而获得切割剖面平整垂直的SiC衬底芯片。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种复合结构SiC衬底的隐切实验测试方法，包括以下步骤：
1)提供一片复合结构SiC衬底，该衬底的表面已长完GaN层，并能够后续做电极形成微波器件；
2)将所述SiC衬底通过完整工艺制做成芯片，形成表面器件图形，背面有划切道；
3)将处理后的芯片移至激光划切机台内部，采用激光隐切的方式对划切道进行激光扫描切割，扫描方式分为：不同区域扫描，分别扫描1/2/3/4/5/6次，即对同一片子的不同区域进行激光扫描，而切割时具体是采用接近激光破坏阈值的小功率，将激光聚光于工件内部，设置不同聚焦点，在工件内部形成改质层， 改质层作为一个裂缝起点，裂缝垂直变长，在芯片前后表面上下延伸；
4)将激光扫描后的芯片进行裂片扩膜，分别取出6个区域的芯粒，应用扫描电子显微镜、原子力显微镜和光学显微镜这些检测设备对芯片的侧壁形貌进行检测，以分析激光切割侧壁区域的形貌特征。
在步骤2)中，将所述SiC衬底制作完整工艺，包括以下步骤：
2.1)将SiC衬底正面进行光刻，制作器件基本图形，利用电子束蒸发和PECVD在其正面沉积电极金属；再通过剥离去胶，制得正面图形完整的SiC衬底芯片，清洗过后移至键合机台，该键合机台包括上蜡区、键合区、上下真空区，将所述SiC衬底芯片正面朝上，背面吸附在上蜡区；
2.2)将SiC衬底芯片正面涂蜡，所使用的蜡为日化精工的TR2-50482，在温度110℃时，加热120s，使蜡层半固态化，将表面已半固态化的SiC衬底芯片移至键合区，打开加热机制，蜡层通过加热融化，加上键合机台的抽真空作用，使得SiC衬底芯片正面与蓝宝石衬底紧紧粘附在一起，避免减薄时由于硬脆材质导致破片；将键合后的SiC衬底芯片放置减薄机台内部，先用SD800磨轮进行粗磨，至晶圆厚度为120μm，再换至SD3000号磨轮进行精磨，使其表面粗糙度<2nm，减少其砂轮研磨引起的损伤层；
2.3)将减薄后的SiC衬底芯片移至解键合机台，通过机台加热，使蜡层熔化，利用机台的机械平台吸附住蓝宝石衬底，再利用机械手臂左右滑动，分离SiC衬底芯片和蓝宝石衬底；
2.4)将分离后的SiC衬底芯片放置清洗机台，去蜡和清洗表面，甩干后，对芯片背面进行光刻，制作背面划切道图形和背面电极图形，利用磁控溅射在其背面沉积电极金属和通孔，保证器件正背面电极的完整性，器件性能正常；最终制得的芯片整体厚度为100μm，器件表面敏感，背面划切道有30μm宽。
在步骤3)中，在芯片移至激光划切机台之前，需将芯片放置清洗机台，依次进行去胶、剥离、甩干处理后，再将芯片贴到蓝膜上，移至激光划切机台内部进行激光扫描切割，该激光划切机台所用的激光光源为红外激光光源，使用声光调制锁模的二极管泵浦激光器产生皮秒脉冲，脉冲宽度极窄，瞬间功率大，而且机台配备除尘装置，保证晶圆表面器件不受影响。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、由于制得的芯片整体厚度只有100μm，器件表面敏感，背面划切道只有30μm宽，再加上SiC晶体结构的特殊性，使其切割难度加大；对此，本发明方法采用了激光隐切的方式，将激光聚光于工件内部，设置不同聚焦点，在工件内部形成改质层，改质层作为一个裂缝起点，裂缝垂直变长，在芯片前后表面上下延伸，从而可以有效抑制加工屑的产生，适用于抗污垢性能差的工件，这样切割速度提升很多，可以减小划切道宽度，适合生产型应用。
2、根据不同激光扫描次数的结果得出，不同激光扫描次数得出的剖面不同，激光扫描次数越多，剖面越平整，材料损伤越小。但激光扫面次数的增多也导致了时间的加长。在实际应用中，可根据生产需求调整激光扫描次数，激光扫描3次以上的基本可以实现对芯粒表面器件的损伤较小，剖面较垂直，不偏离，扫描6次为最佳。
附图说明
图1为芯片表面的激光切割痕迹示意图。
图2为激光扫描3次的切割剖面图。
图3为激光扫描6次的切割剖面图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本实施例所述的复合结构SiC衬底的隐切实验测试方法，其具体情况如下：
第一步、选用一片已生长完外延结构的SiC衬底，表面外延层为GaN结构，表征等级良好，即在强光下目检，全片无明显不良瑕疵，白点，黑点；光学表面分析仪进行全mapping扫描，均匀性良好；PL全检判定正常。
第二步、将上述SiC衬底正面进行光刻，制作器件基本图形，利用电子束蒸发和PECVD在其正面沉积电极金属。通过剥离去胶，制得正面图形完整的SiC衬底芯片，清洗过后移至键合机台。键合机台包括上蜡区，键合区，上下真空区，我们将上述SiC衬底芯片正面朝上，背面吸附在上蜡区。
第三步、将上述SiC衬底芯片正面涂蜡，所使用的蜡为日化精工的TR2-50482，具有良好的粘附性，在温度110℃时，加热120s，可使蜡层半固态化，将表面已半固态化的衬底移至键合区，打开加热机制，蜡层通过加热融化，加上键合机台的抽真空作用，使得SiC衬底晶圆正面与蓝宝石衬底紧紧粘附在一起，避免减薄时由于硬脆材质导致破片。将键合后的SiC衬底芯片放置减薄机台内部，先用SD800磨轮进行粗磨，至晶圆厚度为120μm，再换至SD3000号磨轮进行精磨，使其表面粗糙度<2nm，减少其砂轮研磨引起的损伤层。
第四步、将减薄完的SiC衬底芯片移至解键合机台。通过机台加热，使蜡层熔化，利用机台的机械平台吸附住蓝宝石衬底，再利用机械手臂左右滑动，分离SiC衬底芯片和蓝宝石衬底。
第五步、将分离后的芯片放置清洗机台，去蜡和清洗表面。甩干后，将芯片背面进行光刻，制作背面划切道图形和背面电极图形，利用磁控溅射在其背面沉积电极金属和通孔，保证器件正背面电极的完整性，器件性能正常。最终制得的芯片整体厚度为100μm，器件表面敏感，背面划切道有30μm宽。
第六步、将制作完背面电极和划切道的芯片放置清洗机台，依次经去胶、 剥离、甩干后，再将芯片薄片贴到蓝膜上，移至激光划切机台内部。本实验所用激光是基于啁啾脉冲放大(Chirped-pulse-amplification,CPA)技术的红外皮秒激光系统，其输出光束的主要技术参数为：脉冲宽度τ＝50fs，激光线宽＝1um，波长λ＝800nm，最大单脉冲能量Emax＝2.5m J，光束能量符合高斯分布。应用衰减片调节入射激光能量，光束经聚焦透镜(焦距65mm)聚焦后垂直照射到放置于三维移动平台上的芯片样品表面。调整光源和划切速度，制作好划切程序，正片晶圆材料分6个区域，每个区域用激光扫描不同次数，分别每道划切道进行1/2/3/4/5/6次激光扫描。激光扫描后的表面如图1所示。
第七步、将激光扫描后的芯片进行裂片扩膜，分别取出6个区域的芯粒，再应用扫描电子显微镜、原子力显微镜和光学显微镜等检测设备对芯片的侧壁形貌进行检测，观察切割剖面情况。观察结果：激光扫描1次的剖面质量最差，并且偏离划切道，损伤到芯粒表面的器件；激光扫面2次的剖面质量较差，有明显损伤层，但未偏离划切道；激光扫描3次以上的基本可以实现对芯粒表面器件的损伤较小，剖面较垂直，不偏离，扫描6次为最佳。如图2和图3所示，图2、图3分别是在划切道上用激光扫描3次和6次的结果，发现图2切割剖面图更不平滑，有三层明显的切割痕迹，图3剖面和平滑齐整。对于材料而言，我们需要达到图3的效果，材料损伤较小，切割剖面平整，有利于器件性能不受影响。但是在实际生产应用中，效率很重要，在多次重复实验，确定影响器件性能不大的情况下，每个划切道用激光扫描3次可以大大的提升效率。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种复合结构SiC衬底的隐切实验测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)提供一片复合结构SiC衬底，该衬底的表面已长完GaN层，并能够后续做电极形成微波器件；
2)将所述SiC衬底通过完整工艺制做成芯片，形成表面器件图形，背面有划切道；
3)将处理后的芯片移至激光划切机台内部，采用激光隐切的方式对划切道进行激光扫描切割，扫描方式分为：不同区域扫描，分别扫描1/2/3/4/5/6次，即对同一片子的不同区域进行激光扫描，而切割时具体是采用接近激光破坏阈值的小功率，将激光聚光于工件内部，设置不同聚焦点，在工件内部形成改质层，改质层作为一个裂缝起点，裂缝垂直变长，在芯片前后表面上下延伸；
4)将激光扫描后的芯片进行裂片扩膜，分别取出6个区域的芯粒，应用扫描电子显微镜、原子力显微镜和光学显微镜这些检测设备对芯片的侧壁形貌进行检测，以分析激光切割侧壁区域的形貌特征。
2.根据权利要求1所述的一种复合结构SiC衬底的隐切实验测试方法，其特征在于，在步骤2)中，将所述SiC衬底制作完整工艺，包括以下步骤：
2.1)将SiC衬底正面进行光刻，制作器件基本图形，利用电子束蒸发和PECVD在其正面沉积电极金属；再通过剥离去胶，制得正面图形完整的SiC衬底芯片，清洗过后移至键合机台，该键合机台包括上蜡区、键合区、上下真空区，将所述SiC衬底芯片正面朝上，背面吸附在上蜡区；
2.2)将SiC衬底芯片正面涂蜡，所使用的蜡为日化精工的TR2-50482，在温度110℃时，加热120s，使蜡层半固态化，将表面已半固态化的SiC衬底芯片移至键合区，打开加热机制，蜡层通过加热融化，加上键合机台的抽真空作用，使得SiC衬底芯片正面与蓝宝石衬底紧紧粘附在一起，避免减薄时由于硬脆材质导致破片；将键合后的SiC衬底芯片放置减薄机台内部，先用SD800磨轮进行粗磨，至晶圆厚度为120μm，再换至SD3000号磨轮进行精磨，使其表面粗糙度<2nm，减少其砂轮研磨引起的损伤层；
2.3)将减薄后的SiC衬底芯片移至解键合机台，通过机台加热，使蜡层熔化，利用机台的机械平台吸附住蓝宝石衬底，再利用机械手臂左右滑动，分离SiC衬底芯片和蓝宝石衬底；
2.4)将分离后的SiC衬底芯片放置清洗机台，去蜡和清洗表面，甩干后，对芯片背面进行光刻，制作背面划切道图形和背面电极图形，利用磁控溅射在其背面沉积电极金属和通孔，保证器件正背面电极的完整性，器件性能正常；最终制得的芯片整体厚度为100μm，器件表面敏感，背面划切道有30μm宽。
3.根据权利要求1所述的一种复合结构SiC衬底的隐切实验测试方法，其特征在于：在步骤3)中，在芯片移至激光划切机台之前，需将芯片放置清洗机台，依次进行去胶、剥离、甩干处理后，再将芯片贴到蓝膜上，移至激光划切机台内部进行激光扫描切割，该激光划切机台所用的激光光源为红外激光光源，使用声光调制锁模的二极管泵浦激光器产生皮秒脉冲，脉冲宽度极窄，瞬间功率大，而且机台配备除尘装置，保证晶圆表面器件不受影响。
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