CN112002637A

CN112002637A - 一种大功率电力电子器件晶圆的裂片方法

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Publication number: CN112002637A
Application number: CN202010686412.0A
Authority: CN
Inventors: 田亮; 杨霏; 夏经华; 查祎英; 田丽欣
Original assignee: Global Energy Interconnection Research Institute Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC
Current assignee: Global Energy Interconnection Research Institute Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-07-16
Publication date: 2020-11-27

Abstract

本发明涉及一种大功率电力电子器件晶圆的裂片方法，包括：将所述晶圆正面的刻蚀区域采用等离子刻蚀的方式形成裂片凹槽，采用裂片机从所述晶圆背面对准所述裂片凹槽进行裂片，形成裂片道，基于所述裂片道对所述晶圆进行扩膜，本方法有效解决传统砂轮划片的划片道较宽、耗材损耗高、崩边不容易控制和激光划片导致的钝化层损伤、可靠性降低的技术问题。

Description

一种大功率电力电子器件晶圆的裂片方法

技术领域

本发明属于半导体功率器件制备工艺技术领域，具体涉及一种大功率电力电子器件晶圆的裂片方法。

背景技术

近年来，新发展起来的第三代半导体材料，宽禁带半导体材料，包括碳化硅、氧化镓、氮化镓和金刚石，该类材料具有热导率高、电子饱和速度高、击穿电压高、介电常数低等特点，这就从理论上保证了其较宽的适用范围；大功率器件制备技术已成为当今电子产业发展的新型动力，从目前材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术，其中，SiC技术最为成熟，研究进展也较快。

现阶段，以SiC为代表的大功率材料的发展开启了半导体产业的新局面，电力电子器件技术和产业迎来了一个新的发展机遇，从上世纪九十年代开始，以美国、欧洲和日本为代表的西方国家对基于SiC和GaN材料的功率器件进行了大量长期的研发，在发达国家，SiC电力电子器件产业的发展都不约而同地遵循以政府投入为先导，大型跨国巨头公司积极跟进的发展路线；这些大型公司以美国通用电气、仙童公司、德国西门子、英飞凌、瑞士ABB、日本三菱、富士、东芝等为代表；美国Rutgers大学报道了迄今为止最高反向击穿电压为10.8kV的Ni/4H-SiC SBD，该器件n型漂移区浓度为5.6×10¹⁵cm^-3，厚度为115μm，并采用了多台阶的结终端技术来提高击穿电压，器件在电流密度48A/cm²下正向压降为6V，比导通电阻为97mΩcm²，品质因子为1202MW/cm²(Vb2/Ron)；Cree研制的1200V 4H-SiC场效应管导通电阻为10mΩcm²，正向电流100A，而器件的尺寸为7mm×7mm，只有Si器件的5％，该公司还制成了阻断电压为2kV的场效应晶体管，正向电流为50A，而器件的尺寸仅为5.5mm×5.5mm。

据报道，4H-SiC场效应管最高阻断电压已经达到10kV，正向电流达20A；随着阻断电压和导通电阻等器件性能不断提高，器件可靠性尤其是300℃工作时的长期可靠性研究也获得了一定进展，SiC电力电子器件是发达国家和国际半导体知名企业大力发展的前沿热点，也是我国能源发展迫切需要的关键技术核心。

现有晶圆划片方式为传统的砂轮划片和较为先进的激光划片加裂片的方式；砂轮划片效率较低、耗材昂贵、且划片道宽度较宽、崩边不容易控制；激光划片效率较高，几乎无耗材损失，但需要单独匹配裂片机，芯片边缘会形成熔融状态的碳化硅颗粒，且芯片表面的熔融态颗粒会四散到芯片钝化边缘，导致钝化层边缘被损伤，导致可靠性降低等一系列问题。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的传统砂轮划片的划片道较宽、耗材损耗高、崩边不容易控制和激光划片导致钝化层损伤、可靠性降低的技术问题。

本发明提供一种大功率电力电子器件晶圆的裂片方法，包括：

将所述晶圆正面的刻蚀区域采用等离子刻蚀的方式形成裂片凹槽；

采用裂片机从所述晶圆背面对准所述裂片凹槽进行裂片，形成裂片道；

基于所述裂片道对所述晶圆进行扩膜。

优选的，在将所述晶圆正面的刻蚀区域采用等离子刻蚀的方式形成裂片凹槽之前，包括：

为所述晶圆设计光刻版；

基于所述光刻版，设计刻蚀区域。

优选的，将所述晶圆正面的刻蚀区域采用等离子刻蚀的方式形成裂片凹槽，包括：

将所述晶圆放在刻蚀机腔体内；

基于刻蚀机腔体内调整好的刻蚀气体配比、刻蚀腔体压强、刻蚀功率和背面冷却温度，利用刻蚀机进行刻蚀，形成具有一定刻蚀深度和刻蚀侧壁角度的裂片凹槽。

优选的，所述刻蚀深度10-20um，刻蚀侧壁角度80-85度。

优选的，采用裂片机从所述晶圆背面对准所述裂片凹槽进行裂片，形成裂片道，包括：

将所述晶圆正面贴上蓝膜放入裂片机载台上；

利用裂片机上方的劈刀，从所述晶圆背面对准所述裂片凹槽处，采用敲击锤对所述晶圆进行敲击，使之受力裂开形成裂片道。

优选的，基于所述裂片道对所述晶圆进行扩膜，包括：

利用扩膜机沿所述裂片道进行扩膜操作。

优选的，所述裂片凹槽包括单个凹槽、多个组合凹槽或多台阶凹槽。

优选的，所述裂片凹槽深度为0.3-200um。

优选的，所述裂片凹槽宽度为0.5-80um。

优选的，所述晶圆材料包括碳化硅、氮化镓或金刚石。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种大功率电力电子器件晶圆的裂片方法，包括：将所述晶圆正面的刻蚀区域采用等离子刻蚀的方式形成裂片凹槽，采用裂片机从所述晶圆背面对准所述裂片凹槽进行裂片，形成裂片道，基于所述裂片道对所述晶圆进行扩膜，本方法有效解决传统砂轮划片的划片道较宽、耗材损耗高、崩边不容易控制和激光划片导致的钝化层损伤、器件侧壁烧蚀损伤以及可靠性降低的技术问题。

2、本发明提供的一种大功率电力电子器件晶圆的裂片方法，本方法最大限度保证材料使用率和完整性，不破坏器件结构，保证裂片准确性。

3、本发明提供的一种大功率电力电子器件晶圆的裂片方法，本方法可以避免熔融态颗粒沾污，且可以减小划片道宽度，起到增大器件密度，减小加工成本，提高利润率，增加盈利的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明光刻图形布置区域示意图；

图2为本发明形成刻蚀区域示意图；

图3为本发明样品反转示意图；

图4为本发明背面劈裂示意图；

图5为本发明芯片裂开示意图；

图6为本发明芯片扩开示意图；

图中：1-光刻板；2-晶圆；3-劈刀；4-刻蚀凹槽；5-凹槽处裂开。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将所述晶圆2正面的刻蚀区域采用等离子刻蚀的方式形成裂片凹槽；

采用裂片机从所述晶圆2背面对准所述裂片凹槽进行裂片，形成裂片道；

基于所述裂片道对所述晶圆2进行扩膜。

本方法有效解决传统砂轮划片的划片道较宽、耗材损耗高、崩边不容易控制和激光划片导致的钝化层损伤、可靠性降低的技术问题，可以最大限度保证材料使用率和完整性，不破坏器件结构，保证裂片准确性；

另外，本方法可以避免熔融态颗粒沾污，且可以减小划片道宽度，起到增大器件密度，减小加工成本，增加盈利的效果。

晶圆2经过以下步骤进行裂片和扩膜：

1)在将所述晶圆2正面的刻蚀区域采用等离子刻蚀的方式形成裂片凹槽之前，包括；

如图1所示，晶圆2经过预清洗、涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、镜检、扩膜后进行后道刻蚀工艺制备；

并且，为所述晶圆2设计光刻版1，光刻版1为原刻蚀区域布局刻蚀图形，为宽度固定的直线，

基于所述光刻版1，设计刻蚀区域，所述刻蚀区域宽度20um，在涂胶显影机上进行AZ703涂胶工艺胶厚1.5um，在曝光机上进行曝光，时间200ms，在涂胶显影机上进行显影工艺1分钟；

设计刻蚀区域；裂片区域和标记区域可以同时进行光刻，刻蚀凹槽深度与标记深度保持一致；

也可以首先对标记区域进行光刻显影标记刻蚀，然后再次进行光刻，对准第一层的标记区域，再进行刻蚀，刻蚀深度与标记区域深度不一致；

使用干法刻蚀机对晶圆2的正面进行刻蚀，使刻蚀区域形成一条或者多条刻蚀凹槽或凹槽台阶，从而为裂片设计好区域，并且不破坏器件部分材料的正常结构、不损伤材料使用区域；

其中，光刻板1上的裂片区域和标记区域可以同时进行光刻，刻蚀凹槽深度与标记深度保持一致；

使用干法刻蚀机对材料的正面进行刻蚀，使刻蚀区域形成一条或者多条刻蚀凹槽或凹槽台阶，从而为裂片设计好区域，并且不破坏器件部分材料的正常结构、不损伤材料使用区域。

2)将所述晶圆2正面的刻蚀区域采用等离子刻蚀的方式形成裂片凹槽，包括；

如图2所示，将晶圆2放在刻蚀机腔体内，调整好刻蚀机腔体内刻蚀气体配比、刻蚀腔体压强、刻蚀功率、背面冷却温度后利用刻蚀机进行刻蚀，形成具有一定刻蚀深度和刻蚀侧壁角度的裂片凹槽；

其中，刻蚀深度10-20um，刻蚀侧壁角度80-85度；

并且，通入CHF3和SF6，RF power 200W，ICP power 50W，进行碳化硅材料刻蚀，进一步的，刻蚀深度5um，刻蚀侧壁角度85度，刻蚀完毕通入氧气进行干法去胶。

3)采用裂片机从所述晶圆2背面对准所述裂片凹槽进行裂片，形成裂片道，包括；

如图3所示，所述晶圆2进行正面开孔、背面金属接触、正面金属、背面金属工艺制备后，将晶圆2正面贴膜放入裂片机载台，载台下方的显微镜可以观察晶圆2正面的位置，并且，将晶圆2正面贴在蓝膜上，温度设置为60度。

4)将载台上的晶圆2采用劈刀3进行背面劈裂；

如图4所示，将晶圆2放在裂片机载台上上，正面向下，裂片机上的显微镜从晶圆2正面观察晶圆位置，利用裂片机上方的劈刀3可以进行精确对准，从所述晶圆2背面对准所述裂片凹槽处，采用敲击锤对所述晶圆进行敲击，使之受力裂开形成裂片道。

5)晶圆2裂开，并检测裂片；

如图5所示，由于晶圆2正面有20um宽的裂片凹槽，且为锥形，受力之下按照晶体晶向裂开；

将裂开后的晶圆2取下在显微镜下镜检，观察裂片道位置是否处于裂片凹槽处。

6)将晶圆2进行扩膜；

如图6所示，将裂开后的晶圆2取下，背面贴在蓝膜上，撕下正面蓝膜；将晶圆2放在扩膜机上，利用扩膜机沿所述裂片道进行扩膜操作。

所述裂片凹槽包括单个凹槽、多个凹槽或多台阶凹槽；

所述裂片凹槽深度为0.3um-200um；

所述裂片凹槽宽度为0.5um-80um；

所述大功率电力电子器件厚度为40um-700um；

所述等离子刻蚀凹槽采用的刻蚀设备为RIE或ICP，使用的刻蚀气体为氯基气体或氟基气体；

所述劈刀3宽度为0.5um-20um；

所述晶圆2材料包括硅、砷化镓、磷化铟、碳化硅、氮化镓、氧化镓和金刚石；

所述高透光晶圆2所制备的器件包括：肖特基势垒二极管(SBD)、金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)、金属半导体场效应晶体管(MESFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、发光二极管(LED)等；

另外，一种大功率电力电子器件晶圆，包括：在所述晶圆2正面形成的裂片凹槽以及在所述晶圆2背面形成且与所述裂片凹槽连通的扩膜后的电子器件；

其中，所述裂片凹槽、扩膜以及电子器件采用上述大功率电力电子器件晶圆的裂片方法得到。

所述晶圆2的裂片包括正面或背面裂片。

最后应当说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种大功率电力电子器件晶圆的裂片方法，其特征在于，包括：

基于所述裂片道对所述晶圆进行扩膜。

2.根据权利要求1所述的晶圆的裂片方法，其特征在于，在将所述晶圆正面的刻蚀区域采用等离子刻蚀的方式形成裂片凹槽之前，包括：

为所述晶圆设计光刻版；

基于所述光刻版，设计刻蚀区域。

3.根据权利要求1所述的晶圆的裂片方法，其特征在于，将所述晶圆正面的刻蚀区域采用等离子刻蚀的方式形成裂片凹槽，包括：

将所述晶圆放在刻蚀机腔体内；

4.根据权利要求3所述的晶圆的裂片方法，其特征在于，所述刻蚀深度10-20um，刻蚀侧壁角度80-85度。

5.根据权利要求1所述的晶圆的裂片方法，其特征在于，采用裂片机从所述晶圆背面对准所述裂片凹槽进行裂片，形成裂片道，包括：

将所述晶圆正面贴上蓝膜放入裂片机载台上；

6.根据权利要求1所述的晶圆的裂片方法，其特征在于，基于所述裂片道对所述晶圆进行扩膜，包括：

利用扩膜机沿所述裂片道进行扩膜操作。

7.根据权利要求1所述的晶圆的裂片方法，其特征在于，所述裂片凹槽包括单个凹槽、多个组合凹槽或多台阶凹槽。

8.根据权利要求1所述的晶圆的裂片方法，其特征在于，所述裂片凹槽深度为0.3-200um。

9.根据权利要求1所述的晶圆的裂片方法，其特征在于，所述裂片凹槽宽度为0.5-80um。

10.根据权利要求1所述的晶圆的裂片方法，其特征在于，所述晶圆材料包括碳化硅、氮化镓或金刚石。