超聲波輔助碳化矽單晶劈裂技術研究

摘要：碳化矽材料因具有高分解電壓、低通電電阻和可在高溫環境下運作的特性，在高功率電子元件中有廣泛應用。在傳統碳化矽切割的製程上，切片手法不僅耗時，還會增加表面損傷的風險。本文為解決傳統製程上之缺陷，探討了一種利用超聲波輔助切割碳化矽的方法。碳化矽晶錠需預先使用皮秒雷射創建改質處，接著進行雷射掃描使改質處橫向發展，引發微裂縫的產生，雷射預處理後，藍杰文超聲換能器生成軸向振動促使微裂縫相互連結，同時，由安裝真空吸盤的拉伸機提供拉力，可成功將1毫米厚的晶錠中分片出一個尺寸為4吋且厚度為500微米的碳化矽晶圓。本文將針對有限元素模擬的藍杰文超聲換能器振動模態、應力分佈以及設計進行介紹。

Abstract：Silicon carbide (SiC) finds extensive use in high-power electronic components due to its high breakdown voltage, low on-resistance, and ability to operate at high temperatures. Traditional methods of cutting SiC are not only time-consuming but also carry the risk of increasing surface damage. In this article, to overcome these limitations, we explored a method that utilizes ultrasonics to assist in SiC cutting. The SiC wafer was pre-treated with a picosecond laser to create a modification layer, followed by laser scanning to expand the modification layer laterally and induce the generation of microcracks. After laser pre-processing, a Langevin ultrasonic transducer was used to generate axial vibrations to interconnect the microcracks in the processed SiC. Simultaneously, tensional stress was provided by a lacerating machine equipped with a vacuum chuck. Successfully, a 4-inch SiC wafer with a thickness of 500 microns was sliced from a 1-millimeter-thick substrate. This article will introduce the vibration modes, stress distribution, and design of the Langevin ultrasonic transducer using finite element software.

關鍵詞：碳化矽、藍杰文超聲換能器、震動模態

Keywords：Silicon carbide, Langevin ultrasonic transducer, Vibration modes

前言

一般而言，要製造可被使用之碳化矽(SiC)材料有幾個主要的步驟，首先，須選擇高純度的碳和矽原料，並進行熱處理，在適當的環境下將生成碳化矽晶體，接著，再以化學氣相沉積等方式讓碳化矽晶體生長，對其進行製作並加工成各種形狀及尺寸，例如棒狀或是片狀等其他結構，最後可達到特定的性能及應用要求。在加工和製作的步驟中，SiC經常會被加工成薄片或是棒狀的樣式，主要原因在於薄片或裂片形式的碳化矽具有較高的熱傳導性和較大的表面積，這些特性在一些應用中是非常重要的[1]，例如，薄片結構可以更好地散熱，對於高功率電子元件和高溫應用非常有利，也更容易進行裝配到各種電子器件和系統中，方便地堆疊、封裝和連接，以實現特定的功能和設計，進而降低生產的成本。現今，在碳化矽晶體的切裂製程上，除了主流的線切割外，其次，為雷射裂片的技術，據相關論文[2]論述，利用矩形雷射掃描方向及相關參數的調整，其切口損失最小可達30 μm ，此外，亦有透過雷射輔助所衍伸的裂片技術，如Cold Split技術[3]與水中超音波裂片技術[4]，此兩種方法都是透過雷射輔助的方式進行特定厚度的控制，前者的原理為透過在晶錠表面鍍膜與冷卻的方式，使晶錠與薄膜因熱膨脹係數差異的關係產生熱應力藉此進行裂片，優點為降低SiC加工損耗，大幅增加材料的利用性，並可獲得較佳的表面粗糙度及較小的剝離應力，而後者則是透過在水中的環境下，利用超音波的傳遞使其雷射改質區的裂紋成長進而剝離，其特點為在25 kHz 下分離速度僅須25秒，其優點為可降低SiC加工時間，增加生產效率。除以上提及的方法之外，亦有使用帶式放電加工進行切割的方式[5]，優點為切割直徑與表面粗糙度無太大關係，不過，相對上的加工時間就會越久，此外，更藉由此方法可達到單次加工得到三個以上之成品，整理如表1及圖1-圖4。

表1 SiC裂片方式整理表

圖1 矩形雷射方向示意圖[2]

圖2 雷射輔助Cold Split流程圖[3],[4]

圖3 帶式放電加工示意圖[6]

圖4 雷射輔助水中超音波裂片示意圖[5]

本文會先介紹雷射改質的製程流程，接著，將聚焦於構思超聲波換能器震動模態和吸盤的設計，以進行SiC分片加工的部份，本文的裂片基本流程如圖5所示，其應用的方式為將換能器的軸向震動傳入已被雷射改質過後的薄片中，目的是產生均勻且足夠的應力去分離改質後的SiC薄片，以文獻上的實驗結果作為標準來說，當1 cm²的SiC試片雷射改質不經過震盪輔助裂片時，直接拉開試片的拉力值約6 MPa上下(約60 kg/cm²)[2]。雷射改質的技術是透過雷射聚焦在SiC的特定平面上，以雷射光束去掃過整片SiC薄片，使其在特定加工面上有多段微小的刻痕，而經過雷射改質後的1 mm厚SiC薄片，在其中央處裂紋的法線會與裂片之垂線有4度的角度差[7]，造成每一段微小的裂紋並不完全地連續，因此，即使SiC中央平面已經進行雷射改質，此階段的SiC薄片仍不能被輕易裂片及分離[8]。在這種狀況下，超聲波換能器就扮演了重要的角色，利用超聲換能器的高頻震動特性，傳導軸向震動至SiC薄片中，讓薄片中央平面的不連續裂紋能夠生長及延伸，使後續的真空吸盤能夠輕易地分離薄片，避免真空吸盤強硬地分離薄片，對SiC薄片造成損傷，可以有效的穩定裂片品質及加速SiC薄片的生產效率。

圖5 SiC裂片基本流程圖

超聲波輔助碳化矽單晶劈裂技術研究

本文分成三個部分，第一部分從雷射改質原理開始說明，介紹雷射改質SiC的基本流程。第二部分為模擬分析，利用COMSOL有限元素模擬軟體，分別對不同的吸盤尺寸組合進行震動模態分析。最後是SiC應力分布討論，整理出可行的方案與驅動頻率選擇。

1.雷射改質原理與流程

相較於傳統的鑽石線切割法，雷射具有聚焦光斑小( ≦10 mm)的特點，並可針對材料進行精細地加工及改質，有效避免傳統鑽石線鋸切割抖動所造成大量材料損耗，大幅的降低生產成本。雷射改質SiC技術是以脈衝雷射聚焦於SiC晶錠內部，光線之聚光點使SiC解離成非晶矽與非晶碳來形成初期之改質層，後續照射的脈衝雷射光會被先前藉由脈衝雷射光線所形成之非晶碳所吸收，使其體積膨脹，在晶錠產生內應力，最終導致形成微裂紋的改質層，以脈衝雷射的聚焦於晶錠內部配合精密移動平台如圖6，掃描整個晶錠內部平面之後，在晶錠內部形成改質層平面，改質層平面使晶錠結構強度會大幅減弱，使晶錠改質層上方SiC的易於分離。

圖6 雷射改質SiC加工流程圖