01はじめに
ウェハのダイシングは、半導体デバイス製造における重要なステップです。切断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、電気革命を促進するための重要な材料です。-高品質の結晶炭化ケイ素の製造コストは非常に高く、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が望まれることがよくあります。同時に、産業の発展によりウェーハサイズが増大し、切断プロセスの需要も高まっています。しかし、炭化ケイ素という素材は、モース硬度が9.5と世界で最も硬いダイヤモンド（10）に次ぐ非常に高い硬度を持ち、結晶のもろさも併せ持つため、切断が困難です。現在、業界では通常、スラリー ワイヤー切断またはダイヤモンド ワイヤーソー切断が採用されています。切断時には、固定されたワイヤーソーを炭化ケイ素インゴットの周囲に等間隔に配置し、ワイヤーソーに張力を加えることで炭化ケイ素ウエハーを切り出します。ワイヤーソー法を使用して直径 6- インチのインゴットからウェーハを分離するには、約 100 時間かかります。結果として得られるウェーハは、比較的大きなカットを有するだけでなく、表面粗さもより大きくなり、材料の損失が 46% にも達します。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炭化ケイ素材料の開発が制限されるため、炭化ケイ素ウェーハの新しい切断技術の研究が急務になっています。近年、半導体材料の製造および加工においてレーザー切断技術の使用がますます一般的になってきています。この方法の原理は、集束レーザー ビームを使用して材料の表面または内部から基板を改質し、基板を分離することです。これは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の影響を回避できます。したがって、ウェーハの表面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、従来の研削および研磨プロセス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長い間シリコンインゴットの切断に適用されてきましたが、炭化ケイ素分野での応用はまだ成熟しておらず、現在利用可能な主要な技術はいくつかあります。
2水-誘導レーザー切断
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、レーザーが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。-低圧の水流がノズルから噴射されます。-水と空気の界面では、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、高圧ウォータージェット誘導によって材料表面の切断が実現されます。-水誘導レーザーの主な利点は切断品質にあります。{6}}水流は切断領域を冷却して材料の熱変形や損傷を軽減するだけでなく、加工の破片を運び去ります。ワイヤーソー切断に比べて大幅にスピードが上がります。ただし、水による波長の吸収は異なり、主に使用されるレーザー波長は 1064nm、532nm、355nm に限定されます。1993 年にスイスの科学者 Beruold Richerzhagen が最初にこの技術を提案しました。彼の会社である Synova は水誘導レーザーの研究と工業化を専門とし、技術的に国際舞台でリードしています。一方、国内技術は Inno Laser や Inno Laser などの企業によって比較的遅れています。{14}盛光シリコン研究は積極的に発展しています。
03ステルスダイシング
ステルス ダイシング (SD) では、炭化ケイ素の表面を通してレーザーをチップ内部に集中させ、ウェーハの分離を達成するために必要な深さに改質層を作成します。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使用する SD プロセスは、シリコンウェーハを分離するために産業界で採用されています。しかし、ナノ秒パルスレーザーによる炭化ケイ素のSD処理中に、パルス持続時間が炭化ケイ素内の電子とフォノン間の結合時間（ピコ秒オーダー）よりもはるかに長いため、熱影響が発生します。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する傾向があるだけでなく、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は、熱の影響を大幅に軽減する超短パルスレーザー SD プロセスが一般に使用されます。
日本の企業ディスコは、直径 6 インチ、厚さ 20 mm の炭化ケイ素結晶インゴットを加工する例を使用して、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。これにより、炭化ケイ素ウェーハの生産速度が 4 倍に向上しました。 KABRA プロセスの本質は、レーザーを炭化ケイ素材料の内部に集束させ、「アモルファス-黒色反復吸収」によって炭化ケイ素をアモルファス シリコンとアモルファス カーボンに分解し、ウェーハの分離点となる層、つまりより多くの光を吸収する黒色アモルファス層を形成することで、ウェーハの分離を容易にします。
インフィニオンが買収したシルテクトラが開発したコールド・スプリット・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、ウェーハあたりの損失がわずか80μmで、材料損失が90%削減され、最終的にデバイスの総生産コストが最大30%削減されます。冷間切断技術には 2 つの段階が含まれます。まず、レーザー照射によりインゴット上に剥離層が形成され、炭化ケイ素材料の体積が膨張します。これにより引張応力が発生し、非常に狭い微小亀裂層が形成されます。-次に、ポリマーの冷却ステップを通じて、これらの微小亀裂が主亀裂に加工され、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 年に行われたこの技術の第三者による評価では、分割ウェーハの表面粗さ Ra は 3µm 未満であり、最良の結果は 2µm 未満であることが測定されました。{8}}
国内の大手レーザー会社が開発した改良型レーザー切断は、半導体ウェーハを個々のチップまたはグレインに分離するレーザー技術です。このプロセスには、精密レーザービームでウェハーの内部を走査して改質層を形成することも含まれており、応力が加わった状態でウェハーがレーザー走査経路に沿って膨張し、正確な分離が達成されます。
現在、国内メーカーはモルタルで炭化ケイ素を切断する技術を習得していますが、切断ロスが大きく、効率が低く、汚染もひどいため、徐々にダイヤモンドワイヤ切断技術に取って代わられつつあります。同時に、レーザー切断の性能と効率の利点は際立っており、従来の機械的接触加工技術と比較して、高い加工効率、狭いスライス パス、高いチップ密度など多くの利点をもたらし、ダイヤモンド ワイヤ切断技術に代わる強力な競争相手となり、炭化ケイ素などの次世代半導体材料の応用に新たな道を切り開きます。-産業技術の発展に伴い、炭化ケイ素基板のサイズは増加し続けており、炭化ケイ素の切断技術は急速に発展するでしょう。効率的で高品質のレーザー切断は、将来の炭化ケイ素切断における重要なトレンドとなるでしょう。-
