科普 | 功率半导体晶圆切割的几种工艺类型

晶圆切割是功率半导体生产中的重要环节之一，该步骤旨在将单个集成电路或芯片从半导体晶圆中精确分离出来。

晶圆切割的关键在于能够在确保嵌入晶圆中的精密结构和电路不受损的情况下，完成单个芯片的分离。切割工艺的成败不仅影响到芯片的分离质量和良率，还直接关系到整个生产工艺的效率。

三种常见的晶圆切割类型 | 图源: KLA CHINA

目前常见的晶圆切割工艺分为：

刀片切割：成本低，通常用于较厚的晶圆；

激光切割：成本高，通常用于厚度在30μm以上的晶圆；

等离子切割：成本高，限制较多，通常用于厚度不到30μm的晶圆。

机械刀片切割

刀片切割是一种通过高速旋转的研磨盘（刀片）沿划片道进行切割的工艺。刀片通常由磨料或超薄的金刚石材料制成，适用于切片或在硅晶圆上开槽。然而，作为一种机械切割方法，刀片切割依赖于物理去除材料，容易导致芯片边缘崩角或裂纹，进而影响产品质量并降低成品率。

机械锯切工艺所生产的最终产品质量受到多个参数的影响，包括切割速度、刀片厚度、刀片直径以及刀片的旋转速度等。

全切是最基本的刀片切割方法，通过切到固定材料（如切片带）来完全切割工件。

机械刀片切割——全切 | 图源网络

半切是一种通过切割到工件中间来产生切槽的加工方法。通过连续进行切槽工艺，可以生产梳状和针状点形。

机械刀片切割——半切 | 图源网络 

双切是一种使用双切片锯同时对两条生产线进行全切或半切的加工方法，双切片锯具有两个主轴轴。通过该工艺可以实现高通量。

机械刀片切割——双切 | 图源网络

阶梯切割使用具有两个主轴的双切割锯分两个阶段进行全切割和半切割。使用针对切割晶圆表面布线层进行优化的刀片和针对剩余硅单晶优化的刀片，从而实现高质量的加工。

机械刀片切割——阶梯切割 | 图源网络

斜切是一种在阶梯切割过程中使用半切边具有V形边缘的刀片将晶圆分两阶段切割的加工方法。倒角过程是在切割过程中进行的。因此，可以实现高模具强度和高质量加工。

机械刀片切割——斜切 | 图源网络

激光切割

激光切割是一种非接触式的晶圆切割技术，其利用聚焦的激光束将单个芯片从半导体晶圆中分离。高能激光束聚焦在晶圆表面，通过烧蚀或热分解过程沿预定切割线蒸发或去除材料。

激光切割示意 | 图源: KLA CHINA

目前广泛使用的激光器类型包括紫外激光、红外激光和飞秒激光。其中，紫外激光因其高光子能量常用于精确的冷烧蚀，热影响区极小，能够有效降低晶圆及其周围芯片的热损伤风险。红外激光则更适合较厚的晶圆，因为其能够深入渗透材料。飞秒激光则通过超短光脉冲实现高精度和高效的材料去除，且热传递几乎可以忽略不计。

与传统的刀片切割相比，激光切割具有显著优势。首先，作为一种非接触式工艺，激光切割无需对晶圆施加物理压力，减少了机械切割中常见的碎裂和开裂问题。这一特性使得激光切割特别适合处理易碎或超薄的晶圆，尤其是那些具有复杂结构或精细特征的晶圆。

激光切割示意 | 图源网络

此外，激光切割的高精度和准确性使其能够将激光束聚焦到极小的光斑尺寸，支持复杂切割图案，并实现芯片间最小间距的分离。对于尺寸不断缩小的先进半导体器件，这一特点尤为重要。

然而，激光切割也存在一些局限性。与刀片切割相比，其速度较慢，成本更高，尤其是在大规模生产中。此外，选择合适的激光类型和参数进行优化，以确保高效的材料去除和最小的热影响区，可能对某些材料和厚度带来挑战。

激光烧蚀切割 

在激光烧蚀切割过程中，激光束被精确聚焦于晶圆表面的指定位置，并按照预定的切割图案引导激光能量，逐步切割穿透晶圆直至底部。根据切割需求，使用脉冲激光或连续波激光器来执行此操作。为了防止因激光局部加热过度导致晶圆受损，冷却水被用于降温，保护晶圆免受热损伤。同时，冷却水还能够有效去除切割过程中产生的颗粒，防止污染并确保切割质量。

激光隐形切割 

激光也可以进行聚焦，将热量传递到晶圆的主体内部中，这种方法被称为“隐形激光切割”。对于这种方法，来自激光的热量会在划片道内产生空隙。这些弱化区域随后在晶圆拉伸时，通过断裂的方式达到类似穿透的效果。

激光隐形切割的主要工艺过程

隐形切割工艺是一种内部吸收激光工艺，而不是表面吸收激光的激光烧蚀。通过隐形切割，使用波长对晶圆基板材料半透明的激光束能量。该过程分为两个主要步骤，一是基于激光的过程，二是机械分离的过程。

激光束在晶圆表面下方产生穿孔，正面和背面不受影响 | 图源网络

在第一步中，当激光束扫描晶圆时，激光束聚焦在晶圆内部的特定点上，从而在内部形成裂解点。光束能量导致内部形成一系列裂纹，这些裂纹尚未通过晶圆的整个厚度延伸到顶部和底部表面。

100μm厚硅片采用刀片法和激光隐形切割法切割的对比 | 图源网络

在第二步中，晶圆底部的贴片胶带被物理膨胀，这导致晶圆内部裂纹产生拉伸应力，这些裂纹是在第一步的激光工艺中引发的。这种应力导致裂纹垂直向晶圆的上表面和下表面扩展，然后沿着这些切割点将晶圆分离成芯片。在隐形切割中，通常使用半切或底侧半切来促进晶圆分离成芯片或芯片。

隐形激光切割相比激光烧蚀的主要优势：

不需要冷却液

不会产生碎屑

不会产生可能损坏敏感电路的热效应区

等离子切割

等离子切割（也称为等离子刻蚀或干法刻蚀）是一种先进的晶圆切割技术，采用反应离子刻蚀（RIE）或深度反应离子刻蚀（DRIE）将单个芯片从半导体晶圆中分离。该技术通过利用等离子体沿着预定的切割线化学去除材料来实现切割。

在等离子切割过程中，半导体晶圆被置于真空室中，受控的反应性气体混合物被引入室内，同时施加电场以生成等离子体，等离子体中含有高浓度的反应离子和自由基。这些活性物质与晶圆材料发生相互作用，通过化学反应和物理溅射的结合，沿着划片道选择性地去除晶圆材料。

等离子切割的主要优势在于，它减少了晶圆和芯片上的机械应力并降低了因物理接触引发的潜在损伤。然而，这种工艺相较于其它方法更为复杂且耗时，特别是在处理较厚的晶圆或具有高抗刻蚀性的材料时，因此在大批量生产中的应用受到一定限制。

图源网络

在半导体制造中，晶圆切割方法都选定需要综合考虑晶圆材料特性、芯片尺寸和几何形状、所需的精度和准确度，以及整体生产成本和效率等诸多因素。SMC桑德斯目前采用全自动激光隐形切割作为主要的晶圆切割方法。

桑德斯微电子（SMC）成立于1997年，是一家中美合资集研发、设计、制造、销售为一体的高新技术企业。桑德斯的半导体芯片、大功率半导体器件等产品广泛应用于航空航天、通讯、工业、光伏、风能、汽车、家电、医疗等尖端领域。