一种含背金层半导体材料的复合切割工艺

1.本发明涉及一种含背金层半导体材料的复合切割工艺，属于半导体材料切割技术领域。

背景技术：

2.半导体切割是半导体制造工艺中的关键技术之一。目前，通常采用刀轮对半导体材料进行切割。然而，由于第三代半导体材料硬度高、脆性强，采用传统刀轮切割效率极低、且刀轮磨损严重，难以满足加工需求。相对于传统刀轮切割，激光切割因具有环保，效率高，崩边小等优势，已迅速占领了传统机械切割市场。激光切割的主流切割技术分为：消融切割和改质切割两种。相对于消融切割，改质切割因无变质层，更适用于半导体材料的切割。然而，对于背金工艺后的半导体材料，仅采用激光改质切割，合金背金层会挡住激光的穿透和汇聚，出现合金背金层粘连现象，严重制约半导体切割的切割质量与切割效率。目前，针对合金背金粘连问题存在以下两种解决方案：1、通过化学刻蚀的方法在合金背金层加工出切割道，该方法存在工序复杂、耗时长等问题；2、通过激光烧蚀的方法在合金背金层加工出切割道，该方法激光烧蚀热损伤控制难度大，易造成切缝边缘形成喷溅区，且易引起背金层与sic基体之间的剥离等问题，影响后续封装。

技术实现要素：

3.为了高效低损伤的对含背金层半导体材料进行切割，获得良好地切割质量，本发明提供一种含背金层半导体材料的复合切割工艺，具体技术方案如下。
4.一种含背金层半导体材料的复合切割工艺，其特征在于，包括以下步骤：
5.1)、采用砂轮对半导体材料的背金层进行切割形成切割槽；
6.2)、采用激光内部改质切割工艺对半导体材料进行激光内切；激光的入射表面背离所述背金层，且激光的切割路径对应于所述切割槽；
7.3)、对半导体材料进行裂片处理，将半导体材料分离为若干片。
8.进一步地，所述切割槽的深度为4-30μm，砂轮的切割线速度为20-50m/s，砂轮的切割速度为10-300mm/s。优选地，切割槽的深度为10-30μm，砂轮的切割线速度为30m/s，砂轮的切割速度为10mm/s。
9.在采用砂轮对半导体材料的背金层进行切割形成切割槽时，若加工深度小于背金层厚度，背金层切不透，会出现合金背金层分层情况。因而，为保证合金背金层被完全去除，首先，加工深度需大于合金背金层。由于加工对象为由塑性合金背金层与脆性碳化硅构成的叠层复合材料，在对该叠层复合材料进行加工时，若选择的加工深度过大，会造成脆性碳化硅层出现大尺寸脆性凹坑、亚表层裂纹等缺陷，出现合金背金层剥离、后续无法复合激光内部改质，甚至造成芯片断裂。因而，为避免合金背金层的剥离且亚表层裂纹不影响后续激光内部改质切割，其次，要精确的控制加工深度某一范围内。为精确的控制加工深度，本发明针对由合金背近层与碳化硅构成的叠层复合材料，推导了该叠层复合材料的磨削加工
脆-塑转变临界深度，过程如下：
10.第一步：分别计算合金背金层、碳化硅层的单颗磨粒最大未变形切屑厚度(参考图1)；
11.背金层的单颗磨粒最大未变形切屑厚度h
m1
：
[0012][0013]
碳化硅层的单颗磨粒最大未变形切屑厚度h
m2
：
[0014][0015]
式中：nd为单位砂轮面积上的有效切刃数；r为未变形切屑截面的长宽比，通常r＝4tanθ，θ为磨粒锥顶半角；vw为工件的进给速度；vs为砂轮速度；ds砂轮直径；a
p
为总的磨削切深；a
p1
为合金背金层的厚度。
[0016]
第二步：计算脆性材料，碳化硅层的延性域磨削深度a
drg
；
[0017][0018]
式中，k
id
为材料的动态断裂韧性，e为材料的弹性模量，h为材料的显微硬度，θ为金刚石压头顶半角。
[0019]
第三步：令碳化硅层的单颗磨粒最大未变形切屑厚度h
m2
小于碳化硅层的延性域磨削深度a
drg
，代入磨削加工参数，获得可实现碳化硅层的延性域磨削加工参数：
[0020]hm2
≤a
drg
[0021]
在本发明中，当磨削加工参数控制在砂轮表面磨粒平均尺寸3-15μm，砂轮的切割线速度为20-50m/s，砂轮的切割速度为10-300mm/s的条件下，可实现该材料准延性域磨削加工的切割深度为4-30μm。最后，确定加工深度为4-30μm，在该加工范围内可保证合金背金层无分层、无剥离，且不影响后续激光改质切割工艺的复合。
[0022]
进一步地，激光内部改质切割工艺采用的工艺参数为：单脉冲能量为1-5w、脉冲宽度为10-200ps、扫描速度为300-1000mm/s和扫描次数2-20次。
[0023]
激光入射到材料表面后，激光的能量一部分在表面反射；另一部分进入到材料内部。另外，进入材料内部的激光能量有一部分被材料吸收，因此，激光能量在材料内部聚焦之前的传播过程中，存在能量损耗。而且，激光内部改质切割过程中，激光将通过具有不同折射率的空气和sic之间的界面而聚焦在sic材料内部，由于空气与sic材料的折射率不匹配，球差必然会产生，球差形成的原理如图2所示。同心光束经过球面折射后不再是同心光束，而是汇交于光轴的不同位置上，光线的交点相对于理想汇交点有不同的偏离程度，球差被用来描述光线汇交点于理想汇交点的偏离程度。球差的存在将导致聚焦光斑尺寸变大，从而使得激光功率密度降低，达不到材料改质所需要的阈值激光能量，阻碍激光改质过程，使得激光内部改质切割无法完成。
[0024]
激光内部改质切割时，对激光功率的控制是获得较好激光加工质量的关键。当激
光功率较高时，如图3(a)(b)所示，激光改质切割表面及内部存在大量热损伤，切缝质量较差。当激光功率较低时，如图3(c)(d)所示，激光改质切割表面质量得到改善，但靠近背金层的内部存在局部未改质区域，这将影响激光热裂纹与微磨削产生的机械裂纹的耦合。
[0025]
为控制激光热输入，对激光传播过程中的能量损耗和球差效应对激光改质的影响进行数学描述和定量的理论计算，以研究调控热损伤的切割工艺方案。为了简化计算激光传播过程中的激光能量损耗大小，通过激光传输过程中的激光功率变化来描述激光能量损耗大小。假设激光的初始功率为p0，激光垂直照射到透明材料的表面后，激光会发生反射，反射损失的那部分激光功率为pr，材料对激光能量的反射率rf可以表示为pr/p0。入射到透明材料内部的激光功率则为(1-rf)p0。
[0026]
激光束在材料内部传输时，由于材料对激光能量的吸收，激光功率将随着激光传输距离的增大而减小。对于沿垂直于物体表面的方向传输的激光束来说，当激光束的内部聚焦深度为z时，假设激光束传输dz距离，功率下降为dp，则激光功率的衰减率dp/p应与dz成正比，即：
[0027]
dp/p＝-adz
ꢀꢀꢀ
(1.1)
[0028]
其中α表示材料对光的吸收系数，解式(1.1)的微分方程得到激光功率在材料内部的衰减规律为：
[0029]
p＝p0(1-rf)exp(-αz)
ꢀꢀꢀ
(1.2)
[0030]
所采用的激光波长为1030nm，在1030nm的波长下，单晶4h-sic的折射率n为2.58，对激光的反射率rf为0.19，单晶4h-sic对激光的吸收系数α为2.5*105m-1
。试验采用的sic晶圆厚度为350μm，激光能量衰减随聚焦深度的增大而增大，由式1-2，计算出最大聚焦深度350μm下的激光功率为：p＝0.74p0。激光在sic晶圆内部传输350μm后聚焦在晶圆背面时，激光功率衰减了74％。
[0031]
理论计算球差对于激光功率密度的影响。通过物镜汇聚的激光通过具有不同折射率的空气和sic之间的界面而聚焦在sic材料内部时，由于球差效应，实际焦距比物镜本身的几何焦距存在差异，如图2所示，实际焦点的位置比几何光学焦点的位置有所下移。假设物镜的焦距为f，通过该物镜的激光光束直径为d，材料的折射率为n2，激光束通过空气和透明材料界面时的半径为r，物镜和透明材料表面间的距离为l，激光的实际聚焦深度为z’，几何聚焦下激光光束与z轴的最大夹角为a，实际聚焦下激光光束传输与z轴的最大夹角为b，根据数学几何关系有：
[0032][0033]
求解可得到：
[0034][0035]
而z和a有如下关系：
[0036][0037]
根据折射率的定义和三角函数关系有：
[0038][0039]
由式(1.6)可求出tan b的表达式，再将tan b带入式(1.5)中求出激光束从入射到材料表面到实际聚焦焦点，所传输的距离为：
[0040][0041]
球差包括了轴向球差和垂轴球差，轴向球差导致激光聚焦焦点发生偏移和聚焦光斑尺寸的变大，为了简化计算球差对激光功率密度的影响，本节仅考虑轴向球差。轴向球差的计算公式为：
[0042][0043]
几何聚焦下，聚焦光斑的直径为d，轴向球差的存在将使得实际聚焦光斑不再是直径为d圆形，而是在以l和d为通径的椭圆的范围内均有激光能量的分布，聚焦光斑的面积变大。而且，由式(1.8)可得知，轴向球差随聚焦深度的增大而增大。
[0044]
根据功率密度的定义，若入射到焦平面上的激光功率为p，聚焦光斑面积为s，则激光功率密度为：
[0045][0046]
当聚焦深度z为0时，聚焦光斑的面积为πd2/4，激光功率为p0，激光功率密度为f0；当聚焦深度为z时，聚焦光斑的面积为πld/4，激光功率为p，激光功率密度为f。综合考虑激光传输的能量损耗和球差效应对于激光功率密度的影响，则有：
[0047][0048]
激光传输的能量损耗和球差都将使得激光功率密度随着聚焦深度的增加而减小，两者的叠加将使得激光功率密度减小程度更大。通过式(1.10)计算聚焦深度z为350μm的激光功率密度f＝0.23f0，理论计算得到激光传输能量损耗和球差效应使得激光功率密度衰减至23％。
[0049]
基于切割侧壁热损伤的机理分析结果，激光扫描形成改质层表面经受的高压将抑制sic的热分解。当改质层完全形成在晶圆的内部时，改质层表面承受高压。因此，通过调节激光光束在晶圆的内部聚焦深度使得改质层完全形成在晶圆内部，可以实现sic热分解的抑制，调控切割侧壁热损伤。激光内部改质切割利用改质层间的裂纹扩展实现晶圆分割的，然而，裂纹在sic材料内部扩展的极限长度为50μm，所以对于350μm厚的晶圆，至少需要在晶圆内部形成7道以上改质层。综合考虑改质层间裂纹扩展和sic热分解的抑制，低损伤激光内部改质切割需要形成7道以上的改质层，并且改质层完全位于sic晶圆内部，形成物理改质层，改质层表面经受高压。晶圆内部形成的物理改质层分布的调整示意，如图4所示。
[0050]
基于以上关于激光传输能量损耗和球差对激光功率密度影响的理论计算结果，在进行激光内部改质切割时，激光内部聚焦深度较大时，激光功率密度衰减较大，为了确保sic材料的激光改质过程，需要提高激光功率以补偿能量损耗和球差带来的激光功率密度
下降。工艺调控热损伤时，因为第一道激光扫描的聚焦深度最大，选择较大的激光功率，随着扫描道数的增加，每一道激光扫描的聚焦深度减小，激光功率密度将随之增大，热积累增大，则逐道减小每道激光扫描的功率，最后一道激光扫描的功率减小至第一道扫描的23％。采取逐道扫描，激光功率递减的变功率多道扫描工艺方案既保证了改质层的形成，也能减小每道激光扫描的热积累，抑制热损伤的形成。逐道递减激光功率的同时，每一道扫描均选取较大的扫描速度，以进一步减小激光扫描过程的热积累，抑制热损伤的生成。
[0051]
总结来说，低损伤激光内部改质切割工艺通过综合调整改质层位置、激光功率和扫描速度对热损伤进行调控。优选的工艺方案为，激光扫描形成7道以上改质层，全部改质层位于晶圆内部，每道激光扫描固定较大的扫描速度，逐道激光扫描，激光功率逐道递减。基于上述理论分析，确定激光内部改质切割工艺参数为：激光内部扫描形成7道改质层，每道激光扫描固定较大的扫描速度，激光功率逐道递减，从上至下分别设置为5.0，4.3，3.8，3.1，2.5，1.7，1.1。低损伤激光内部改质切割工艺参数如表1所示。
[0052]
表1低损伤激光内部改质切割工艺参数
[0053][0054]
基于上述理论进行激光内部改质切割实验，获得了较好的切割质量。如图5、6所示。
[0055]
采用本发明的复合切割工艺获得了良好的切割表面，直线度≤10μm、崩边/崩角≤10μm，而且没有出现背金层与4h-sic无明显分层。
附图说明
[0056]
图1是背金层与碳化硅平面磨削中单颗磨粒最大未变形切屑厚度示意图；
[0057]
图2是球差形成原理示意图；
[0058]
图3(a)是激光功率较高时表面热烧蚀缺陷；图3(b)激光功率较高时内部热烧蚀缺陷；激光功率较低时，图3(c)是激光功率较低时表面质量改善；图3(d)是激光功率较低时内部靠近外延层存在局部未改质区域；
[0059]
图4是sic晶圆物理改质层(1#-7#)分布示意图；
[0060]
图5是采用表1所示的激光内部改质切割工艺参数的切缝表面质量；
[0061]
图6是采用表1所示的激光内部改质切割工艺参数的切缝内部质量，其中(a)是(b)中下方方框区域的放大图；(c)是(b)中上方方框区域的放大图；
[0062]
图7是本发明的含背金层半导体材料的复合切割工艺的流程图；
[0063]
图8是本发明的含背金层半导体材料的复合切割工艺的示意图；
[0064]
图9是实施例1的切割侧壁背金层与4h-sic交界处微观形貌；
[0065]
图10是实施例2的切割侧壁背金层与4h-sic交界处微观形貌；
[0066]
图11是实施例2激光内部改质切割后切缝侧壁微观形貌；
[0067]
图12是实施例2背金层切割槽微观形貌；
[0068]
图13是实施例2外延层微观形貌；
[0069]
图14是实施例7不同切削深度对应的切缝边缘的纳米压痕应力应变曲线图。
[0070]
图中：背金层1、砂轮2、亚表层损伤区3、激光束4、改质层5。
具体实施方式
[0071]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0072]
实施例1
[0073]
含背金层半导体材料为第三代半导体材料碳化硅(sic)，该sic外延片总厚度为370μm，其中包含有平均约1.7μm厚的背金层(厚度范围1～4μm)。
[0074]
含背金层半导体材料复合切割的流程图如图7所示，复合切割的示意图如图8所示，首先采用砂轮2对半导体材料的背金层进行切割形成切割槽，砂轮型号为d1000c75rg67的超薄树脂结合剂金刚石砂轮，砂轮转速为30m/s(线速度)、切割速度为10mm/s、切削深度为40μm；然后利用采用激光内部改质切割工艺对半导体材料进行激光内切；激光束4的入射表面背离所述背金层1，且激光的切割路径对应于所述切割槽，激光改质切割的参数为：单脉冲能量为5w、脉冲宽度为100ps、扫描速度为300mm/s和扫描次数2次，激光内部改质切割后在4h-sic区域内形成改质层5。激光改质切割后对半导体材料进行裂片处理。
[0075]
砂轮切割后的切割侧壁背金层与4h-sic交界处微观形貌如图9所示，背金层与4h-sic均无明显分层，在4h-sic区域出现了(厚度)尺寸大于10μm的4h-sic亚表层损伤区3，亚表层损伤区3会存在微裂纹、多晶结构等变质层，变质层过厚会影响下道工序激光束在材料内部的传输并聚焦，阻碍了后续激光内部改质切割的不充分，裂片后亚表层损伤区容易出现崩边/崩角缺陷。
[0076]
实施例2
[0077]
相比于实施例1，实施例2采用了不同的砂轮切割参数和激光改质切割参数。实施例2中的砂轮转速为40m/s(线速度)、切割速度为100mm/s、切削深度为30μm；激光改质切割的参数为：单脉冲能量为5w、脉冲宽度为100ps、扫描速度为1000mm/s和扫描次数2次。
[0078]
砂轮切割后的切割侧壁背金层与4h-sic交界处微观形貌如图10所示，背金层与4h-sic均无明显分层，在4h-sic区域仅在局部地区存在尺寸小于10μm的亚表层损伤，对后续的激光内部改质切割影响非常小。激光内部改质复合切割后的切割侧壁微观形貌如图11所示，从该图中可以看出切割改质点分布均匀、无热损伤现象。图12为背金层微磨削微观形貌，切割槽的边缘残留着微米尺度颗粒状sic磨屑和卷曲状的合金磨屑；同时，在切割槽的底部存在明显的塑性磨痕与少量的微小尺度脆性凹坑，说明：背金层已全部去除，为塑性去除；sic部分去除，为粉末去除。图13为外延层微观形貌，切缝边沿垂直，无外延层崩边、脱层等缺陷。
[0079]
实施例3
[0080]
相比于实施例2，实施例3采用了不同的砂轮切割参数和激光改质切割参数。实施例3中的砂轮转速为50m/s(线速度)、切割速度为300mm/s、切削深度为10μm；激光改质切割的参数为：单脉冲能量为1w、脉冲宽度为200ps、扫描速度为300mm/s和扫描次数20次。实施例3获得切割质量与实施例2相当。
[0081]
实施例4
[0082]
相比于实施例2，实施例4采用了不同的砂轮切割参数和激光改质切割参数。实施例4中的砂轮转速为20m/s(线速度)、切割速度为10mm/s、切削深度为4μm；激光改质切割的参数为：单脉冲能量为3w、脉冲宽度为10ps、扫描速度为300mm/s和扫描次数20次。
[0083]
实施例4获得切割质量与实施例2相当。
[0084]
实施例5
[0085]
相比于实施例2，实施例5采用了不同的砂轮切割参数。实施例5中的砂轮转速为40m/s(线速度)、切割速度为100mm/s、切削深度为3μm；激光改质切割的参数为：单脉冲能量为5w、脉冲宽度为100ps、扫描速度为1000mm/s和扫描次数2次。
[0086]
实施例5的方案通过裂片处理后发现4h-sic和背金层出现了局部的分层现象。由于砂轮的切割槽较浅，局部合金背金层未切透，人为撕裂后，合金背金层出现分层情况。
[0087]
实施例6
[0088]
相比于实施例2，实施例6与实施例2的不同之处在于：激光的入射表面为背金层1，激光沿着切割槽进行改质切割，发现改质切割失败。一方面切割槽会阻挡部分激光，降低了激光的能量；另一方面砂轮切割产生的亚表层损伤区会阻碍激光的穿过以及聚焦，导致无法在4h-sic区域形成有效的激光变质层。
[0089]
实施例7
[0090]
相比于实施例1，实施例7与实施例1的不同之处在于：砂轮的切削深度分别设置30μm、20μm、10μm和50μm，并对裂片处理后的样品的切缝边缘进行压缩应力应变测试，测试结果如图14所示，切削深度为10-30μm的切缝边缘背金层与sic基体之间无间隙，但存在残余拉应力，且随着切削深度的增大，残余拉应力值越大，图14显示当砂轮的切削深度增大到50μm时，通过裂片处理后4h-sic和背金层之间出现大约1μm的剥离间隙。
[0091]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种含背金层半导体材料的复合切割工艺，其特征在于，包括以下步骤：1)、采用砂轮对半导体材料的背金层进行切割形成切割槽；2)、采用激光内部改质切割工艺对半导体材料进行激光内切；激光的入射表面背离所述背金层，且激光的切割路径对应于所述切割槽；3)、对半导体材料进行裂片处理，将半导体材料分离为若干片。2.根据权利要求1所述的一种含背金层半导体材料的复合切割工艺，其特征在于，所述切割槽的深度为4-30μm，砂轮的切割线速度为20-50m/s，砂轮的切割速度为10-300mm/s。3.根据权利要求2所述的一种含背金层半导体材料的复合切割工艺，其特征在于，所述切割槽的深度为10-30μm，砂轮的切割线速度为30m/s，砂轮的切割速度为10mm/s。4.根据权利要求1或2所述的一种含背金层半导体材料的复合切割工艺，其特征在于，激光内部改质切割工艺采用的工艺参数为：单脉冲能量为1-5w，脉冲宽度为10-200ps，扫描速度为300-1000mm/s，扫描次数2-20次。5.根据权利要求4所述的一种含背金层半导体材料的复合切割工艺，其特征在于，激光扫描形成7道以上改质层，全部改质层位于半导体材料内部，逐道激光扫描，激光功率逐道递减。

技术总结

本发明公开了一种含背金层半导体材料的复合切割工艺，其包括以下步骤：1)、采用砂轮对半导体材料的背金层进行切割形成切割槽；2)、采用激光内部改质切割工艺对半导体材料进行激光内切；激光的入射表面背离所述背金层，且激光的切割路径对应于所述切割槽；3)、对半导体材料进行裂片处理，将半导体材料分离为若干片。采用本发明的复合切割工艺获得了良好的切割表面，直线度≤10μm、崩边/崩角≤10μm，而且没有出现背金层与4H-SiC无明显分层。SiC无明显分层。SiC无明显分层。