激光在碳化硅半导体晶圆制程中的应用
</p><p> 在激光与碳化硅材料的相互作用中，连续激光、长脉冲激光甚至纳秒级的短脉冲激光与材料发生反应是以热效应为主，其加工原理是高功率密
【千问解读】
尤为突出的是近年来兴起且不断壮大的新能源汽车行业，预估2025年中国新能源汽车年产近600万辆，对功率芯片的需求为10002000颗/台车，其中超过50%为碳化硅芯片。
在激光与碳化硅材料的相互作用中，连续激光、长脉冲激光甚至纳秒级的短脉冲激光与材料发生反应是以热效应为主，其加工原理是高功率密度的激光束聚焦在材料表面进行加热、熔化处理。
而皮秒、飞秒超短脉冲激光聚焦在材料表面是以材料等离子化去除为主，属于非传统意义上的冷加工处理。
在碳化硅半导体晶圆的后道制程中，需要进行单个晶圆的标记、切割、分片、封装等步骤，最后成为完整的商用芯片，其中晶圆的标记、切割制程目前已逐渐开始使用激光加工设备来取代传统机械加工设备进行处理，具有效率高、效果好、材料损失小等优点。
01
激光晶圆标记应用
在碳化硅晶圆片的芯片制作过程中，为了具有芯片区分、追溯等功能，需要对每一颗芯片区别进行独一无二的条码标记。
传统芯片标记方式一般为油墨印刷或机械式针刻等，有效率低、耗材量大等缺点。
激光标记当作一种无接触式的加工方法，具有对芯片破坏小、加工效率高、过程无耗材的优点，尤其在晶圆片越来越轻薄化对加工质量和精度要求越来越高的趋势下其优势更为明显。
激光晶圆标记所用的激光器通常根据用户需求或材料特性来选择，对于碳化硅晶圆一般使用纳秒或皮秒紫外激光器。
纳秒紫外激光器成本较低，适用于大多数晶圆材料，应用较为广泛。
皮秒紫外激光器更偏向于冷加工，打标更清晰效果更好，适用于打标要求较高的材料和工艺。
激光通过外光路进行传输、扩束进入振镜扫描系统，最后经过场镜聚焦于材料表面，打标内容根据加工图档由振镜扫描来实现。
碳化硅晶圆纳秒紫外激光打标效果，字高1.62mm，字宽0.81mm，深度50μm，周围突起高度5μm。
图1 碳化硅样品激光标记
02
激光背金去除加工工艺
在整片碳化硅晶圆片上完成若干数量的芯片制作后需要对其进行切割、分片，进而得到一颗颗独立的芯片进入后道封测制程。
碳化硅芯片在制作过程中需要在背面进行镀金漏极处理，因而在切割、分片时需要将背金、碳化硅基底材料一起切割分开。
对于碳化硅晶圆分片工艺，传统的加工方法为金刚石刀轮切割，这种机械磨削式工艺方法优点是技术非常成熟、市场占有率很高，不足之处是加工效率低、加工过程中耗材纯水、刀具磨损等使用量大、芯片材料损耗高等。
尤其是背金去除部分，由于金属的延展性，刀轮切割的速度需要降到很低而且容易有金属卷曲在刀片上进而影响切割质量。
激光加工属于无接触式加工，过程中不需要耗材，加工效率高，，加工质量好，基于这些优点在背金去除和切割分片这两种工艺中的应用逐渐增多。
图2 碳化硅样品背金去除
背金去除激光加工工艺一般使用纳秒或皮秒紫外激光器当作光源，配以合适的聚焦切割头和精密的电机运动平台以准直的方式进行加工，一般去除的背金厚度在10μm以下，去除宽度不小于正面沟道的一半。
将碳化硅晶圆片倒置有沟道的正面朝下，背金面朝上于透明吸附治具上，使用下CCD通过透明治具抓取晶圆片沟道进行对位，然后治具上方的激光聚焦在对应沟道位置的晶圆片背金面进行背金去除加工。
带有背金的碳化硅晶圆片，皮秒紫外激光背金去除效果，正面沟道宽度100μm，背金去除宽度大于50μm，去除深度约3μm。
03
激光隐形改质切割工艺
背金去除工艺完成的下一道工艺流程为激光隐形改质切割，其原理是使用聚焦物镜将特定波长的激光束聚焦在待加工材料内部，形成一定宽度的改质层，且材料上下表面均无损伤，随后在外力作用下通过裂纹扩展来进行裂片，得到需要的颗粒状芯片。
对于背金去除的碳化硅晶圆片，去除面由于背金残留或碳化硅损伤等真相可能会导致激光透射率下降，难以达到良好的隐形切割效果，因此激光需要从沟道面入射进行切割。
碳化硅的激光隐形切割一般使用皮秒红外激光器当作光源，近红外波长能够更好的透过碳化硅并聚焦在材料内部形成改质区。
碳化硅晶圆片厚度根据芯片需求和工艺制程从100μm到400μm不等，通常单次隐形切割的改质区范围不能大到足以完成高质量的裂片，因此需要移动焦点位置进行多次隐形切割。
在这个过程中，由于碳化硅材料对于激光的折射率较大且同时需要保证不能伤到上下表面，移动焦点时对Z轴的精度要求非常高，通常需要增加焦点随动功能，对加工面的起伏等引起的焦点变化进行检测及实时补偿。
图3 碳化硅样品隐形切割移动Z轴多次切割
断面形貌，分片后效果
碳化硅材料硬度大，分片较困难，在隐形切割完成后使用机械式的劈刀裂片机来进行分片处理。
强激光和物质相互作用研究发展 等离子体物理中的电磁感应透明效应
一般情况下，电磁波无法在高密度overdense等离子体中传输，但是其传输和能量传递在快点火激光聚变、激光粒子加速、以及超短超亮辐射源等应用中均起着关键作用。
1996年，斯坦福大学的S. E. Harris教授受原子物理中电磁感应透明概念Electromagnetically Induced Transparency， EIT的启示，提出了等离子体中的电磁感应透明EIT机制，即在一束高频激光的帮助下，原来无法传输的低频激光可以在高密度等离子体中传输。
然而，后续研究表明EIT无法在有边界的真实等离子体中发生，但这些研究仅限于弱相对论激光强度范围。
近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心李玉同研究员和中国人民大学物理系王伟民教授研究团队，利用自主开发的KLAPS粒子模拟程序，，发现低频激光与相对论强度高频激光同时入射到等离子体后，低频激光可以穿透此等离子体;但是当两束激光的偏振垂直时，此反常传输现象消失，因此排除了常见的相对论透明效应。
研究团队进展了相对论光强下的三波耦合模型，给出了EIT发生的频率通带。
在相对论光强条件下，该通带的宽度足以保证低频激光的稳定传输;但是在弱相对论光强条件下，该通带会变窄为一个孤立点，难以持续进展，这解释了以往研究中在弱相对论性条件下EIT效应无法发生的真相。
该工作表明在原子物理中出现的电磁感应透明效应也能在等离子体物理中发生。
此现象可直接应用于双锥对撞点火DCI和快点火激光聚变中，以提高激光耦合效率和快电子产额。
相关研究成果以“Electromagnetically Induced Transparency in the Strongly Relativistic Regime”为题于2月7日发表在《物理学评论快报》Physical Review Letters上。
中国科学院物理研究所博士生张铁怀为该文第一作者，中国人民大学王伟民教授、中国科学院物理研究所李玉同研究员为通讯作者，张杰院士为共同作者。
该研究选题来自于张杰院士领导的中国科学院战略性先导科技专项A类“新型激光聚变方案研究”，该项研究还得到国家自然科学基金委等的支持。
图1：[a， b] 有界等离子体区域后方收集到激光场的频率谱和[c， d] 滤波后的激光场波形随时间的演化，其中不同的曲线对应于双色场混合、纯泵浦波和纯低频波的入射情况。
[e，f] 滤波后双色场混合入射时激光场波形随时间的演化，其中蓝线和红线区别对应偏振平行和垂直两种情况。
上下两行区别对应高密度和低密度两种初始设置。
图2：揭秘模型给出的a高密度设置与b低密度设置下Stokes波主导分支的色散关系，在b中出现了较宽的通带亮黄色标出。
c 固定初始等离子体密度与有效临界密度的比值后不同光强下一维PIC模拟结果与模型给出的EIT通带位置。
d PIC模拟结果给出的不同光强与不同密度设置下的通带位置。
图3：Stokes波蓝线，左轴、反Stokes波黑线，左轴与泵浦波红线，右轴信号强度随空间位置的演化关系，初始条件下等离子体均匀分布于10λ0
大功率半导体科学与工程专业就业方向及前景分析
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