一种削减成本的合理方法

作者：Arno Merkle，Crystal Sonic

毫无疑问，化合物半导体器件长期以来一直处于上升趋势。早在二十世纪末，化合物半导体器件就在我们的生活中发挥着许多重要作用：是电信网络的重要组成部分；为CD播放器提供光源；在手机中发挥着两个重要作用——照亮键盘和放大射频信号。在过去的二十年中，该类器件的销量持续攀升，部分是因为在灯泡和充电器中的应用。随着交通电气化、5G的推出以及无数卫星的发射，其收益在不断增加，其发展也在持续。

然而，尽管巨大的性能优势推动了化合物半导体器件的成功，但其潜力尚未完全开发。制造供应链中有三个相关制约因素阻碍了开发：巨大的供需缺口，特别是基于SiC和GaN的宽禁带器件；成本高；以及浪费。我们将逐一分析这三个问题。

首先，宽禁带器件的需求与供应之间存在着巨大的且在不断扩大的鸿沟。例如，据Canaccord Genuity Group预计，在电动汽车、充电站、工业电机和太阳能逆变器等需求的推动下，十年内对SiC基功率器件的需求将导致SiC晶圆供应短缺约三倍。

其次，要生产有限晶体缺陷的高质量晶圆有着固有困难，因此宽禁带材料的生产成本很高。与Si不同，GaN和SiC晶体无法从熔体中生长，需要更高的能量输入，这对工艺控制提出了更大的挑战。另一个作用因素是，生产此类材料的工业技术虽然有所增加，但仍然相对集中，特别是对于GaN和AlN。因此，GaN、AlN和SiC的衬底价格比硅至少高一、两个数量级也就不足为奇了。也因此，其成本约占器件制造总成本的一半，而且预计这一情况不会发生明显变化。根据PGC Consultancy的预测表明，宽禁带衬底仍将是制造成本的主要来源，随着晶圆产量的增加，在未来十年中，宽禁带衬底将占SiC芯片成本的35-45%左右。

最后，半导体制造过程中存在大量浪费。通常，有关此主题的讨论主要集中于水资源浪费和回收策略，或者芯片制造过程中有毒化学品、气体和其他消耗品的限制使用方法。但这忽视了一个更基本的问题：晶圆材料本身的浪费。这点确实很重要，因为在当今的传统制造工艺中浪费至少95%的晶圆材料并不罕见。经过大量努力，该材料在制造工艺中的两个关键步骤中实际上会被磨成粉末。这种情况首次发生是在，用线锯将大块晶圆级晶体切成晶圆的过程中，线锯本质上是另一种形式的面包切片机。在此步骤（称为“切片”）中，大约50%的材料会流失为锯末。浪费大量材料的第二次是将晶圆加工成芯片，通常通过机械背面研磨来减薄晶圆。在这种情况下，打磨设备提供了“器件减薄”功能，这一步骤会减少另外90%的衬底材料，再次变成尘末去除。

在过去的十年中，已经出现了替代线锯，改进切片的尝试方法。这些方法（包括涉及激光的方法）能够将与此步骤相关的浪费减少约50%。然而，减少细化步骤中的浪费仍然具有挑战性。尽管已经进行了各种尝试，但目前还没有适合生产最高质量的块状宽禁带衬底的持久解决方案。

合理的解决方案

Crystal Sonic位于亚利桑那州菲尼克斯市，该公司正在通过一种基于声能利用的新技术打破这一僵局。通过这种方法，我们为薄型器件切割和衬底再利用打开了大门，克服了该领域之前遇到的障碍。

该技术提供了一种简单的、多晶圆重复使用的途径，可以根据晶圆重复使用的次数成比例地降低衬底成本。为了实现节省，我们将定义切割深度的可拆卸应力源与高度可调的声源相结合（请参见图1，说明了我们的专利技术如何利用声音的力量将薄器件与半导体衬底分离，从而实现衬底重复利用）。

△ 图1：声波切割工作流程，可让宽禁带材料能够重复使用衬底。

△ 图2：在亚利桑那州菲尼克斯市的Crystal Sonic实验室，利用声波切割对4寸的GaAs晶圆进行切割。

该方法的一个关键优点是裂纹前沿以受控的速度平稳地穿过衬底。芯片因此可以进行后处理，同时只需最少的调节或无需调节，即可对衬底表面进行再处理。请注意，我们已经对由Si、GaAs、SiC、GaN和AlN制成的小直径晶圆进行了成功的可行性演示。

我们研发的方法称为声波切割，是热剥落的一种改进方法，是一种利用声能控制晶圆上裂纹运动的技术。在热剥落中，施加到晶圆上的应力来自加热或冷却时衬底和应力源层的热膨胀系数之间的差异。采用这种方法，裂纹萌生和裂纹扩展的耦合可能会产生不良结果。该类问题产生的原因是，与引发裂纹所需的能量相比，成功地将裂纹前沿移动穿过晶片的整个直径需要使用更多的能量。这种能量过剩可直接转化为无法控制的裂纹速度，并随后导致表面粗糙度高值和总厚度变化。而且，正如预料的那样，当过渡到更大的直径时，这个问题会更加严重。

我们通过声学克服了这些问题。由于这一改进，我们成功地将裂纹萌生与裂纹扩展分离。通过引入声学，我们可以实现工艺调整，实现裂纹速度控制，从而对表面质量产生直接和积极的影响。

绝妙的切割方法

我们与美国可再生能源实验室、亚利桑那州立大学和罗彻斯特理工学院进行合作，证明了光伏器件（可被视为任何垂直光电技术的代表）在进行声波切割后仍能保持其性能。这项研究涉及通过MOCVD在（100）GaAs衬底上生长的倒置和直立器件，已确定与“对照”器件相比，切割不会导致电流或电压损失。

我们还继续研究了对剩余衬底进行适当处理，然后生长新器件。这种再生长的结果表明，这些器件与声波切割生产的对照器件和第一个光伏器件具有几乎相同的性能（见图3）。这一发现提供了极其振奋人心的证据，证明了声波切割是切割薄型器件的最佳非破坏性技术。

△ 图3：在2寸GaAs上生长（对照-红）、声波切割后（蓝）和在剩余衬底上重新生长（绿），器件的电流-电压（I-V）图。在原始衬底上生长（红）、声波切割器件（蓝）和在重复使用的衬底上重新生长（绿）之间的器件性能比较。所有器件的生长均由罗彻斯特理工学院完成，并由美国能源部根据合同号DE-EE0008973提供支持。

值得注意的是，我们的技术不仅仅适用于GaAs。该技术还在SiC、GaN和AlN等宽禁带半导体中发挥着重要作用，由于节能和高性能电子设备的需求不断增加，预计这些半导体在未来几年将显着增长。这些材料可广泛应用于功率电力电子领域，包括电动汽车、可再生能源系统和数据中心等。此外，还可用于高频射频/微波器件和光电子领域，例如：电信行业的射频功率放大器；用于表面、水和空气消毒的非常有前景的医疗保健辐射源UVCLED等。这些应用中的大多数都受到比GaAs更高的衬底成本限制，因此明显可受益于衬底再利用技术。

预计我们的声波切割技术适用于大多数（即便不是全部）单晶半导体衬底。目前正在进一步优化SiC和GaN等材料的工艺条件。开发工作分为材料兼容性和设备升级两部分。前者侧重于隔离适合每种材料类型的适当工艺参数，而后者则旨在优化所需的声学和其他与设备相关的设计元素，将切割区域扩展到6寸和8寸晶圆。

GaN和SiC的早期研究工作成果富有前景，这与我们之前在GaAs方面的经验一致。根据我们的模型，切割厚度存在一个取决于材料的工艺窗口，范围约为10-100μm ± 5μm（见图4）。具体范围符合机械背面研磨的当前限制，可扩展到更薄的层。我们发现，由于存在相对少的表面损伤或微裂纹，该声波切割技术非常适合通过最小化切割层厚度来最大化衬底材料的利用率。

△ 图4：针对各种宽禁带衬底，预计当前和未来的预期切割层厚度范围。具体厚度可以控制在大约5μm以内。

我们相信，声波切割技术将为衬底的再利用打开了新大门，并最终推动宽禁带半导体器件的广泛应用。这方面的成功将帮助我们所有人享受更光明、更强大、更高效的未来。

扩展阅读

https://www.electronicdesign.com/power-management/article/21238839/infineon-infineon-stacks-its-chips-on-asiliconcarbide-future

K. Arakawa, “Relationships between fracture parameters and fracture surface roughness of brittle polymers,” Int. J. Fract. 48 103 (1991)