碳化矽晶錠超音波輔助雷射低應力分片技術

前言

碳化矽（SiC）作為寬能隙、高導熱與高硬脆性的代表性材料，憑藉其高崩潰電場、優異之熱穩定性，已成為車用功率與高頻通訊器件的關鍵材料［1］～［4］。然而，碳化矽之高楊氏模數與低斷裂韌性，使其在機械加工與分片製程中，易誘發微裂紋擴展，進而導致殘留應力累積、晶圓翹曲與邊緣崩裂等風險；不同類型之碳化矽（如：4H、6H、N-type、P-type 等），晶格之排列方向和改質裂紋生長狀況也具有一定相關性［1］～［4］，大大增加製程挑戰。在晶錠／晶圓分離製程中，如何在維持高分片良率、高產速、低材料耗損，也將成為未來突破之關鍵核心。

現行分切晶錠的技術包含：線鋸切割、機械滑撬、雷射表面切鑽與隱形切割。機械方法雖成熟，但其材料損失與表面損傷無可避免；雷射製程雖可減少與材料直接接觸之機械力，但於高硬脆之碳化矽上，常面臨熱能驟變所致之熱裂與損傷，掃描方向熱累積之不對稱更造成裂紋高度與連結程度之差異。為突破上述之困難點，本研究提出導入「超音波輔助與雷射改質」之綜合方法，先以脈衝雷射於碳化矽內特定深度形成改質裂紋，透過雷射能量密度、重疊率、移動速度等參數優化裂紋之連結；再施加高頻振動使應力疊加，有效增加應變能釋放，促進裂紋沿預設切割路徑穩定連結。本研究目標在於透過理論基礎之框架下，探討雷射／超音波與材料之關係及機制，從而提升碳化矽分離之品質與良率，最終建立一套低材料損失之碳化矽切割設備，為後碳化矽基板的取得奠定更穩健之方法。

碳化矽材料特性與製程

碳化矽為典型寬能隙化合物半導體，以 4H-SiC 為例，其能隙約 3.2 eV、崩潰電場可達 2–3 MV cm⁻¹，熱導率約 4 × 10² W m⁻¹ K⁻¹，並兼具莫氏硬度 9 與優異之耐腐蝕性，使其在高溫、高壓與高頻環境下仍能維持低導通電阻與開關損耗。根據上述特性，碳化矽功率元件已廣泛導入車載逆變器、直流快充、儲能高壓轉換器及資料中心電源，成為驅動電動化與高效能源基礎設施的關鍵材料。與矽（Si）相比，碳化矽之高崩潰電場，可於高電壓及頻率下縮減晶片面積和元件體積，增加散熱效率並提升效能；再加上製程逐步成熟，國內外業者已針對六、八吋晶圓擴建生產線，碳化矽量產可行性與經濟價值於近幾年已顯著提升。

目前商用碳化矽基板，主要透過物理氣相傳輸法（PVT）長晶，再經鑽石線鋸切片、研磨與化學機械研磨（CMP）製成碳化矽基板。然而，物理氣相傳輸法對熱場與缺陷控制（例如：基底面位錯、穿通位錯與螺旋位錯）要求相當嚴苛，良率受限；晶圓直徑擴大至八吋以上後，翹曲、厚度與電阻均勻度規格愈發嚴格，長晶製程將具嚴峻挑戰。傳統線鋸切片面臨高材料損耗與低產速之瓶頸：以 350 μm 目標厚度計算，材料損失超過晶片厚度七成，切割單片六吋晶圓需花費數小時，伴隨表面損傷及缺陷，導致後段平坦化總成本攀升，使基板成本長期占據碳化矽功率模組成本結構之冠。

鑒於上述長晶與線鋸之瓶頸，發展超音波輔助雷射切裂技術，具明確之進步與成本優勢：雷射於晶體內部累積能量並定義切割面，消除線鋸之寬度而造成的不必要的材料損失，可大幅提升晶體利用率與單錠出片數；另一方面，雷射為非接觸加工，分離所需之外加載荷遠低於線鋸，邊緣崩裂與次表面損傷顯著降低，後段研磨及 CMP 之去除量與總工時得以縮減，累積缺陷密度與翹曲亦較易受控；此外，此技術具可模組（如：多焦點、光束整形、偏振控制）或程式化（如：動態補償雷射條件、自動監控），依晶向與摻雜吸收差異動態調整，實現均勻且可預測之裂紋連結及結果；最後，製程之潔淨度、耗材依賴度低（無砂漿、低用水），成本結構穩定且具擴產彈性，提升良率與製程再現性。綜上，雷射切割在材料利用率、表面與體缺陷控制、產速與可製造性上均優於傳統線鋸，為碳化矽基板成本下探與尺寸擴張的關鍵候選途徑。

碳化矽超音波輔助雷射分片技術及作用機制

本研究之超音波輔助雷射分片（Ultrasonic-assisted laser slicing）配置與流程如圖 1。首先以光學模組之設計與優化，確保雷射能量在碳化矽內穩定聚焦與傳播，形成改質裂紋與改質層；再施加高頻超音波，藉震動促使裂紋沿預定方向連結，於低負載下完成分片；隨後銜接研磨與拋光並循環前述步驟，實現碳化矽晶錠之連續化、高品質分片流程。本文採用脈衝雷射於碳化矽內之固定深度完成內聚焦加工，因雷射瞬間之高能量誘發碳化矽晶格膨脹，進而使裂紋延其晶格方向生長。材料分析結果顯示如圖 2：改質區之硬度由 44 GPa 下降至 13 GPa，EDS 與拉曼分析則說明：改質區之成分及相組成有所變化及差異，和文獻得到相似之結果［1］～［4］，證實脈衝雷射有效降低鍵解強度並可順利建立可預期之起裂路徑，使碳化矽之分離面平整，符合後續 CMP 拋光製程。藉由雷射能量、掃描重疊率與掃描間距之調控，更可精確控制裂紋生長狀況（連結性與連續性），將待分離界面轉化為低韌性之弱化層以利分片。

DOI:10.30256/JIM.202602_(515).0007