01
導入
ウェーハのダイシングは、半導体デバイス製造の重要な部分です。ダイシングの方法と品質は、ウェーハの厚さ、粗さ、寸法、生産コストに直接影響し、デバイスの製造に大きな影響を与えます。炭化ケイ素は、第 3 世代の半導体材料として、電気革命を推進する重要な材料です。-高品質の結晶炭化ケイ素の製造コストは非常に高く、一般に人々は大きな炭化ケイ素インゴットをできるだけ多くの薄い炭化ケイ素ウェハ基板に切断することを望んでいます。同時に、業界の成長によりウェーハサイズがますます大きくなり、ダイシングプロセスの要件も増加しています。しかし、炭化ケイ素はモース硬度が9.5とダイヤモンド（10）に次ぐ非常に硬く、脆いため切断が困難です。現在、工業的な方法では、スラリーワイヤーソーイングまたはダイヤモンドワイヤーソーイングが一般的に使用されています。切断中、等間隔の固定ワイヤーソーが炭化ケイ素インゴットの周囲に配置され、伸ばされたワイヤーソーを使用してインゴットが切断されます。ワイヤーソー法を使用すると、直径 6 インチのインゴットからウェーハを切り離すのに約 100 時間かかります。得られたウェーハは、比較的広い切り溝、より粗い表面、および 46% もの材料損失を持ちます。これにより、炭化ケイ素材料の使用コストが上昇し、半導体産業におけるその開発が制限され、新しい炭化ケイ素ウェーハダイシング技術の研究が緊急に必要であることが浮き彫りになっています。
近年、半導体材料の製造においてレーザー切断技術の使用がますます普及しています。この方法は、集束レーザー ビームを使用して材料の表面または内部を変更し、それによって材料を分離します。非接触プロセスであるため、工具の摩耗や機械的ストレスが回避されます。したがって、ウェーハ表面の粗さと精度が大幅に向上し、後続の研磨プロセスの必要性がなくなり、材料の損失が減少し、コストが削減され、従来の研削と研磨によって引き起こされる環境汚染が最小限に抑えられます。レーザー切断技術はシリコンインゴットのダイシングに長年応用されてきましたが、炭化ケイ素分野への応用はまだ未熟です。現在、いくつかの主要な手法があります。
02
水-ガイド付きレーザー切断
水誘導レーザー技術（Laser MicroJet、LMJ）は、レーザー マイクロジェット技術としても知られており、圧力変調された水室を通過するときにレーザー ビームをノズルに集束させるという原理に基づいて動作します。-低圧水ジェットがノズルから噴射され、水と空気の界面での屈折率の違いにより光導波路が形成され、レーザーが水流の方向に沿って伝播します。これにより、高圧ウォーター ジェットが誘導され、材料の表面を加工して切断します。-水誘導レーザー切断の主な利点は、その切断品質にあります。{9}}水流は切断領域を冷却し、材料の熱変形や熱損傷を軽減するだけでなく、加工屑を除去します。ワイヤーソー切断に比べて大幅に早くなります。ただし、水はさまざまなレーザー波長をさまざまな程度で吸収するため、レーザー波長は主に 1064 nm、532 nm、および 355 nm に制限されます。
1993 年、スイスの科学者ベルオルド リチェルツハーゲンがこの技術を初めて提案しました。彼は、国際的に最前線にある水誘導レーザー技術の研究、開発、商業化に特化した会社、Synova を設立しました。-国内技術は相対的に遅れているが、InnolightやShengguang Silicon Researchなどの企業が積極的に開発を進めている。
03
ステルスダイシング
ステルス ダイシング (SD) は、レーザーを炭化ケイ素ウェーハの表面を通して内部に集束させ、所望の深さに改質層を形成し、ウェーハの分離を可能にする技術です。ウェーハ表面に切れ込みがないため、より高い加工精度が得られます。ナノ秒パルスレーザーを用いたSDプロセスは、すでにシリコンウェーハの分割に工業的に使用されています。しかし、ナノ秒パルスレーザーによる炭化ケイ素のSD処理中、パルス持続時間は炭化ケイ素内の電子とフォノン間の結合時間(ピコ秒スケール)よりもはるかに長く、その結果、熱影響が生じます。ウェーハへの高い熱入力により、分離が望ましい方向から逸脱しやすくなるだけでなく、重大な残留応力が発生し、破壊や不十分な劈開につながります。したがって、炭化ケイ素を処理する場合、SD プロセスでは通常、熱の影響を大幅に低減する超短パルス レーザーが使用されます。
日本の企業ディスコは、Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA) と呼ばれるレーザー切断技術を開発しました。たとえば、直径6-インチ、厚さ20 mmの炭化ケイ素インゴットを処理する場合、炭化ケイ素ウェーハの生産性が4倍に向上しました。 KABRA プロセスは基本的に、炭化ケイ素材料の内部にレーザーの焦点を合わせます。 「アモルファスと黒色の繰り返し吸収」により、炭化ケイ素はアモルファスシリコンとアモルファスカーボンに分解され、黒色アモルファス層として知られるウェーハ分離点として機能する層が形成されます。この層はより多くの光を吸収するため、ウェーハの分離がはるかに容易になります。
Infineonが買収したSiltectraが開発したCold Splitウェーハ技術は、さまざまな種類のインゴットをウェーハに分割できるだけでなく、材料損失を最大90%削減し、各ウェーハの損失はわずか80μmであり、最終的にデバイスの総生産コストを最大30%削減します。コールド スプリット技術には 2 つのステップが含まれます。まず、インゴットにレーザーを照射して剥離層を作成し、炭化ケイ素材料の内部体積膨張を引き起こします。これにより、引張応力が発生し、非常に狭い微小亀裂が形成されます。-次に、ポリマーの冷却ステップによって微小亀裂が主亀裂に変わり、最終的に残りのインゴットからウェーハが分離されます。 2019年に第三者機関がこの技術を評価し、分割ウェーハの表面粗さRaが3μm未満であることが測定され、最良の結果は2μm未満でした。
中国企業Han's Laserが開発した改良型レーザーダイシングは、半導体ウェーハを個々のチップまたはダイに分離するために使用されるレーザー技術です。このプロセスでは、精密なレーザービームを使用してウェハー内部に改質層を走査して形成します。これにより、応力が加わった状態でレーザー走査経路に沿ってウェハーに亀裂が入り、正確な分離が実現します。
図 5. 修正されたレーザー ダイシング プロセス フロー
現在、国内メーカーはスラリー-ベースの炭化ケイ素ダイシング技術を習得しています。しかし、スラリーダイシングは材料損失が多く、効率が低く、汚染が深刻なため、徐々にダイヤモンドワイヤダイシング技術に取って代わられつつあります。同時に、レーザーダイシングは、そのパフォーマンスと効率の利点により際立っています。従来のメカニカルコンタクト加工技術と比較して、高い加工効率、狭いスクライブライン、高いカーフ密度など多くの利点があり、ダイヤモンドワイヤダイシングに代わる強力な競争相手となっています。これにより、炭化ケイ素などの次世代半導体材料の応用に新たな道が開かれます。-産業技術の進歩と炭化ケイ素基板サイズの継続的な増加に伴い、炭化ケイ素ダイシング技術は急速に発展し、効率的で高品質のレーザー ダイシングが将来の炭化ケイ素切断の重要なトレンドとなるでしょう。{7}}
