氮化镓晶圆在划切过程中如何避免崩边

 

9月，英飞凌宣布成功开发出全球首款12英寸（300mm）功率氮化镓（GaN）晶圆。

12英寸晶圆与8英寸晶圆相比，每片能多生产2.3倍数量的芯片，技术和效率显著提升。这一突破将极大地推动氮化镓功率半导体市场的发展。

 

 

氮化镓和硅的制造工艺非常相似，12英寸氮化镓技术发展的一大优势是可以利用现有的12英寸硅晶圆制造设备。全面规模化量产12英寸氮化镓生产将有助于氮化镓在导通电阻水平上与硅的成本平价，这意味着同类硅和氮化镓产品的成本持平。

市场情况

 

 

GaN最早被用于发光二极管，GaN材料制作的蓝光、绿光LED以及激光二极管早已实现了产业化生产，日本和美国的三位科学家还因此获得了2014年诺贝尔化学奖。到目前为止，光电领域依然是GaN的传统强项。

 

据最新统计数据显示，2023年全球GaN功率元件市场规模约2.71亿美元，至2030年有望上升至43.76亿美元，CAGR（复合年增长率）高达49%。其中非消费类应用比例预计会从2023年的23%上升至2030年的48%，汽车、数据中心和电机驱动等场景为应用核心。

 

氮化镓晶圆分类

 

 

氮化镓晶圆分单晶衬底和外延片两种，单晶衬底分无掺杂衬底和（硅/镁）掺杂衬底。外延片主要有硅基氮化镓外延片、碳化硅基外延片和蓝宝石基氮化镓外延片。

 

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衬底

无掺杂氮化镓衬底

常用于高电子迁移率晶体管（HEMT）和激光二极管（LD）等器件。
 

 

掺杂氮化镓衬底

通过掺入特定元素（如硅、镁）来调节材料的电学性质。N型掺硅氮化镓衬底用于制作高电子迁移率器件；P型掺镁氮化镓衬底用于制作LED。

2

外延片

硅基氮化镓外延片

硅材料成本低、晶圆尺寸大且技术成熟，易于实现大规模生产，能够利用现有的硅基半导体生产线进行加工，从而降低生产成本。

硅基氮化镓外延片在中低压和高频应用领域具有一定的优势，在消费电子领域的快充充电器中应用广泛。
 

 

碳化硅基氮化镓外延片

碳化硅衬底具有良好的热导率和较高的击穿电场强度，与氮化镓的晶格匹配度相对较高，能够生长出高质量的氮化镓外延层，因此制成的器件具有更高的性能和可靠性。

碳化硅基氮化镓外延片适用于高功率、高频和高温等极端工作环境，在射频功率放大器、电动汽车充电器等对性能要求较高的领域具有重要应用。

碳化硅衬底的制备难度大、成本高，目前主要以 4 英寸和 6 英寸晶圆为主，8 英寸还没有大规模应用，这限制了其在大规模生产中的应用。

 

蓝宝石基氮化镓外延片

蓝宝石衬底具有良好的绝缘性、稳定性和透光性，在氮化镓基发光二极管（LED）的制造中应用广泛。通过在蓝宝石衬底上生长氮化镓外延层，可以制备出高亮度、高效率的蓝光和绿光 LED，是目前主流的 LED 生产技术之一。

但蓝宝石衬底的硬度高、脆性大，加工难度大，且其热导率相对较低，不利于器件的散热，在高功率应用领域受到一定的限制。

 

氮化镓晶圆的机械性能特征

 

 

1、硬度高

氮化镓的硬度较高（稍逊于碳化硅），具有较好的机械强度和耐磨性，这对于晶圆的加工和制造过程以及器件的封装都具有一定的优势。在晶圆划切、芯片封装等工艺过程中，较高的硬度可以减少晶圆的破损和缺陷，提高生产良率。

 

2、材质脆

高硬度的同时也使得氮化镓材质相对较脆，在加工和使用过程中需要注意避免受到过大的机械应力，否则容易发生破裂或损坏。

 

划切过程中如何避免出现崩边

 

 

1、选择精度高、稳定性好的划片机。

先进的划片机能够提供更精确的切割控制，减少机械振动对晶圆的影响。定期维护和校准设备，保证划片机的各个部件处于良好的工作状态，及时更换磨损的部件，以确保切割过程的准确性和一致性。

 

2、调整切割速度。

速度过快会导致应力集中，引发崩边。推荐采用分步切割法，减少一次性切割产生的应力，降低背崩出现的概率。切割过程中，还应注意冷却液温度和流速，减少崩边的产生。

 

3、在划切之前，对晶圆进行严格的质量检查。

确保晶圆没有内部缺陷或裂纹。如果晶圆本身存在质量问题，划切过程中更容易出现裂缝。或者对晶圆进行退火预处理消除内部应力，提高晶圆稳定性。

 

4、保持工作环境稳定的温度和湿度。

减少晶圆的变形和应力，降低崩边出现的风险。