一种大功率电力电子器件晶圆激光切割方法.pdf

本发明公开了一种大功率电力电子器件芯片的切割方法，该方法对宽禁带半导体材料做成器件的衬底背面进行激光划片后，再根据背面划痕使用裂片机进行正面裂片。背面划痕的深度约为芯片厚度的1/10至1/4。本发明是使用激光束聚焦切割的方法，采取背划进行激光束切割大功率器件，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。

权利要求书1.  一种大功率电力电子器件晶圆激光切割方法，其特征在于对所述晶圆的N面采用激 光束聚焦对准后进行激光束划片，再根据N面划痕进行正面裂片； 所述激光束光源的波长190-400nm，所述激光束功率：3-10W，激光束距离晶圆N面的 聚焦距离：330-500μm，激光束移动速率：5-50mm/s。 2.  根据权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于所述方法包括以下步骤： 1)调平晶圆，激光划片机对准晶圆的N面芯片与芯片之间的划片连接处； 2)利用激光束对调平的晶圆划片后旋转晶圆90°； 3)调平、对准切割道，正面裂片。 3.  根据权利要求1或2任一所述的激光切割方法，其特征在于所述的激光束光源波长为 190-300nm。 4.  根据权利要求1或2任一所述的激光切割方法，其特征在于所述激光束功率：5-7W， 激光束距离晶圆N面的聚焦距离：330-450μm，激光束移动速率：5-30mm/s。 5.  根据权利要求4所述的激光切割方法，其特征在于所述激光束波长为248nm，切割槽 深20μm，槽宽12μm，激光束功率5W，聚焦距离400μm，激光切割速度10mm/s。 6.  根据权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于所述激光束划痕的沟槽深度为晶圆 厚度的1/10-1/4。 7.  根据权利要求6所述的激光切割方法，其特征在于所述沟槽深度为5-80μm。 8.  根据权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于激光束划痕的沟槽宽度为8-40μm。 9.  根据权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于所述晶圆材料包括碳化硅、氮化镓。

说明书一种大功率电力电子器件晶圆激光切割方法
【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】
随着光电产业的迅猛发展，对高集成和高性能的半导体晶圆需求也越来越大，为适应高 频、大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境而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，从而开启了半导体产业的新局面，使得电力电子器件技术和产业迎来了一个新的发展机 遇。为了大幅度节约成本和提高制作效率，在大批量生产中往往在晶圆上沉积集成电路芯片 或电路元件结构，然后再分割成各个单元，最后再进行封装和焊接。因此，晶圆的切割技术 对提高成品率和封装效率有着重要影响。
传统晶圆切割技术主要有金刚石切割法和化学蚀刻法；金刚石切割存在切槽宽(50μm～ 100μm)、晶圆利用率低；加工脆性和高强度材料难度大，易产生裂纹、碎片和分层；刀具易 磨损，需要消耗大量去离子水，生产成本大等问题；化学蚀刻法亦存在如刻蚀速度慢、污染 环境和不适用于化学稳定的材料等不足。
从此而产生的激光切割技术集和了光学、精密机械、电子技术和计算机技术。与传统加 工方法相比具有加工速度快；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，较广泛的用于切割硅、低k材料、发光二极 管衬底、微机电系统和薄膜太阳能电池等光电及半导体材料。与此同时，加工过程中产生的 重凝、熔屑和裂纹以及晶粒强度等问题阻碍其进一步发展和应用。
【发明内容】
为解决现有激光切割存在的问题，主要针对大功率电力电子器件晶圆的激光切割进行改 良，考虑SiC、GaN等材料晶圆的特性，例如碳化硅材料莫氏硬度达到9.2-9.3，减薄困难。 一般用作制备器件的晶圆直径达到4-6英寸，而每个器件约为几毫米的矩形。在现有技术激 光切割中易造成正面有源区损伤的缺陷，本发明利用激光进行背面划片正面裂片的方式进行 切割，从而最大限度低保证了芯片正面有源区，边缘整齐，得到的芯片在可靠性和产能方面 具有大幅提升。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种大功率电力电子器件晶圆的激光切割方法，对晶圆的N面采用激光束 聚焦对准后进行激光束划片，再根据N面划痕进行正面裂片；激光束光源的波长190-400nm， 所述激光束功率：3-10W，激光束距离晶圆N面的聚焦距离：330-500μm，激光束移动速率： 5-50mm/s。
本发明还提供了一种激光切割方法操作方法，包括以下步骤：
1)调平晶圆，激光划片机对准晶圆的N面芯片与芯片之间的划片连接处；
2)利用激光束对调平的晶圆划片后旋转晶圆90°；
3)调平、对准切割道，正面裂片。
本发明切割的晶圆为第三代宽紧带半导体材料，包括碳化硅、氮化镓等。
本发明提供的切割方法中，激光束波长优选范围为190-300nm的紫外波长段，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。
本发明提供的切割方法中，激光束所划的沟槽深度为晶圆厚度的1/10-1/4。现有技术中主 要公开的划痕较深，通常为晶圆厚度的1/4～1/3，本发明划痕深度较现有技术浅，及本发明对 晶圆的切割少，加之配合使用能量高的波长段激光束，进一步缩短了激光作用于芯片上的时 间，减少芯片损伤。
本发明提供的切割方法中的槽深为5-80μm。
本发明提供的切割方法中的沟槽宽度进行了优选，槽宽为8-40μm，本发明的槽宽窄，可 以在晶圆上制备获得更多的器件。
本发明提供的激光切割方法中对激光束功率、聚焦距离及激光束的移动速率进行了优选， 激光束的功率范围为5-7W，激光束聚焦距离为330-450μm，激光束移动速率为5-30mm/s。 本发明通过选用能量较高的紫外段波长激光束，通过对槽深、槽宽及激光束的功率、聚焦距 离及移动速率进行综合优化，以实现最少切割、最少损伤的激光切割方法。
与传统激光切片相比，本发明是通过对宽禁带半导体材料做成器件晶圆的衬底背面进行 激光划片后，再根据背面划痕进行正面裂片。背面划痕的深度约为芯片厚度的1/10至1/4， 相较于现有技术中主要采用的切割槽深为晶圆厚度的1/4～1/3相比，本发明槽深更浅；本发明 采取背划进行激光束切割大功率器件晶圆，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、槽宽及激光束功率、聚焦距离及移动速率， 最大限度地缩短激光作用于晶圆的时间及较少对晶圆的损伤，从而保证了正面有源区的完整 性，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。
在实际的具体操作中，依照本发明提供的激光切割方法原理可以参考如下步骤实现：
1、将需要激光划片的晶圆片贴到蓝膜上
本步骤主要是将已经制备完成待切割的晶圆片固定在蓝膜上。将卡环也放置在贴膜机固 定位置，待切割的晶圆片背面向下放置在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、放入激光划片机进行划片
本在划片机载物台上。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 切割晶圆步骤主要是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。
3、划片完毕，翻膜后放入裂片机进行裂片
将激光划片后的晶圆片从蓝膜上取下并翻膜到另一张蓝膜上，此时晶圆片正面朝上，刚 刚带有激光划痕的背面紧贴在了蓝膜上。将此时的蓝膜放入裂片机，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。
激光划片是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，本发明 从背面划片且优化了划痕的深度和宽度，进行正面裂片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。 本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)本发明主要是一种在大功率电力电子器件制备过程使用激光束划片的工艺，由于不破 坏正面区域，所以芯片的可靠性有了更好的保证；
2)使大功率半导体器件分割开；
3)提高生产效率和可靠性；
4)最终获得的碳化硅肖特基二极管测试时反向耐压＞3500V，漏电流＜10uA。
【附图说明】
图1为将衬底片贴在蓝膜上的贴片过程示意图；
图2a为划片时衬底片示意图
图2b为划片后带有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4a为裂片前示意图；
图4b为裂片后示意图；
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。
经前期加工过的碳化硅基器件，在实际操作中可以按照以下工艺进行激光划片：
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等放入激光划片机中，抽真空吸住蓝膜3从而固定住晶圆片。调整激光划片 机的参数。
3、翻膜
将激光划片后的晶圆片1从蓝膜3上取下并翻膜到另一张蓝膜上，此时晶圆片1正面朝 上，刚刚带有激光划痕的背面紧贴在了蓝膜3上。
4、裂片
将翻膜后的芯片放入裂片机，沿着激光划痕对准裂片载台，裂片机上的裂片刀5落到划 痕上，裂片刀加压力将芯片裂开。
5、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。
在实际操作中可以按照上述方法进行，以实现本发明提供的原理方法。
进一步说明，本发明在槽深、槽宽、选用激光束的波长、功率、聚焦距离、移动速率上 进行了优化了对本发明切割方法中影响最终切割芯片可靠性的各项参数包括：在激光切割切 槽深度为晶圆厚度的1/10～1/4，切槽宽度为8-40μm，选用的激光束波长为190‐400nm，激光 束功率为5‐10W，激光束距离晶圆N面的聚焦距离为330‐500μm，激光束的移动速率为 5‐50mm/s。本发明在实际实施过程中可以根据需要选择优选范围内的具体点值进行操作来实 现本发明能够实现的最终效果。以下仅列举出几个具体实施方式以供参考，但不仅限于此。 实施例1
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248nm，切割槽深 20μm，槽宽12μm，激光束功率5W，聚焦距离400μm，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190nm，切割槽深 15μm，槽宽10μm，激光束功率10W，聚焦距离330μm，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400nm，切割槽深 35μm，槽宽8μm，激光束功率8W，聚焦距离400μm，激光切割速度20mm/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248nm，切割槽深 10μm，槽宽40μm，激光束功率5W，聚焦距离450μm，激光切割速度25mm/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 40μm，槽宽12μm，激光束功率5W，聚焦距离420μm，激光切割速度30mm/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350nm，切割槽深 20μm，槽宽15μm，激光束功率10W，聚焦距离350μm，激光切割速度35mm/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300nm，切割槽深 5μm，槽宽20μm，激光束功率3W，聚焦距离380μm，激光切割速度40mm/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248nm，切割槽深 80μm，槽宽35μm，激光束功率7W，聚焦距离420μm，激光切割速度45mm/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248nm，切割槽深 35μm，槽宽12μm，激光束功率10W，聚焦距离400μm，激光切割速度50mm/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248nm，切割槽深 50μm，槽宽12μm，激光束功率5W，聚焦距离500μm，激光切割速度5mm/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。
1、贴膜
可以选择上述具体实施例中的任一参数值，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等放入激光划片机中，抽真空吸住蓝膜3从而固定住晶圆片。调整激光划片 机的参数：根据具体实施例进行选择。
3、翻膜
将激光划片后的晶圆片1从蓝膜3上取下并翻膜到另一张蓝膜上，此时晶圆片1正面朝 上，刚刚带有激光划痕的背面紧贴在了蓝膜3上。
4、裂片
将翻膜后的芯片放入裂片机，沿着激光划痕对准裂片载台，裂片机上的裂片刀5落到划 痕上，裂片刀加压力将芯片裂开。
5、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实现。
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。