碳化硅（SIC）切割的幾種方式

晶圓切割是半導(dǎo)體功率器件制造中的重要一環(huán)，切割方式和切割質(zhì)量直接影響到晶圓的厚度、粗糙度、尺寸及生產(chǎn)成本，更會(huì)對功率器件制造產(chǎn)生巨大影響。

碳化硅（SIC）作為第三代半導(dǎo)體材料，其高質(zhì)量的結(jié)晶碳化硅（SIC）的生產(chǎn)成本非常高，大家都希望將一個(gè)大的碳化硅（SIC）晶錠切成盡可能多的薄碳化硅（SIC）晶圓襯底，同時(shí)晶圓尺寸這幾年不斷增大，這些都對切割工藝的要求也越來越高。

但是碳化硅（SIC）材料的硬度極高，莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的鉆石（10級），同時(shí)又兼具晶體的脆性，不易切割。

（1）、金剛線切割

目前工業(yè)上一般采用砂漿線切割或金剛石線切割，切割時(shí)在碳化硅晶錠的周圍等間距的固定線鋸，通過拉伸線鋸，切割出碳化硅晶片。利用線鋸法從直徑為6英寸的晶錠上分離晶圓大概需要100小時(shí)，切出來的晶圓不僅切口比較大，表面粗糙度也較大，材料損失更是高達(dá)46%，切縫過大，一般都在200μm以上，且金剛石線非常容易磨損，這增加了碳化硅（SIC）材料的使用成本，限制了碳化硅（SIC）材料在半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。

近年來，隨著激光切割技術(shù)的不斷發(fā)展，在半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)加工過程中也越來越多。而鉆石切割，已有廣泛的原始激光加工的應(yīng)用，通常采用532nm的綠激光進(jìn)行切割。而藍(lán)寶石及硅晶圓的激光隱形切割技術(shù)及超快激光器（皮秒、飛秒）的快速發(fā)展，讓碳化硅（SIC）切割技術(shù)也有望快速解決。

受此啟發(fā)及超快激光器（皮秒、飛秒）的這幾年飛速發(fā)展和應(yīng)用，衍生出了此種激光加工碳化硅（SIC）晶圓的激光加工方式。

這種激光加工方法的原理是使用聚焦的激光束從材料表面或內(nèi)部修飾基材，從而將其分離。由于這是一種非接觸式工藝，避免了刀具磨損和機(jī)械應(yīng)力的影響。因此，它極大提高了晶圓表面的粗糙度和精度，還消除了對后續(xù)拋光工藝的需要，減少了材料損失，降低了成本，并減少了傳統(tǒng)研磨和拋光工藝造成的環(huán)境污染。

此種激光切割技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于硅（SI）晶錠的切割，但在碳化硅（SIC）領(lǐng)域的應(yīng)用還未完全成熟，目前主要有以下幾項(xiàng)技術(shù)。

（2）、水導(dǎo)激光切割

水導(dǎo)激光切割技術(shù)，又稱激光微射流技術(shù)，它的原理是在激光通過一個(gè)壓力調(diào)制的水腔時(shí)，將激光束聚焦在一個(gè)噴嘴上，從噴嘴中噴出高壓水柱，在水與空氣的界面處由于折射率的原理從而形成光波導(dǎo)，使得激光沿水流方向傳播，從而通過高壓水射流引導(dǎo)加工材料表面進(jìn)行切割。

水導(dǎo)激光的主要優(yōu)勢在于切割質(zhì)量，水流不僅能冷卻切割區(qū)，降低材料熱變形和熱損傷，還能帶走加工碎屑，相較金剛線切割，它的速度明顯加快。但由于水對不同波長的激光吸收率不同，目前最主要的應(yīng)用是532nm的綠激光。

? ?此技術(shù)目前主要是瑞士Synova公司在專門從事水導(dǎo)激光的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，在國際上處于技術(shù)領(lǐng)先地位，現(xiàn)在的噴嘴可以做到50μm的程度。

國內(nèi)技術(shù)相對晚了幾年時(shí)間，國內(nèi)主要是東北院系的哈工大和長春理工、西安的西工大等高校在積極研發(fā)，目前可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的噴嘴是80μm，并有望在近幾年實(shí)現(xiàn)校企合作的產(chǎn)業(yè)化，如哈工大產(chǎn)業(yè)化的哈焊研究院、西工大產(chǎn)業(yè)化的晟光硅研等。

（3）、激光隱形切割（激光隱切）

激光隱形切割（Stealth Dicing, SD）即將激光透過碳化硅（SIC）的表面聚焦于晶圓材料內(nèi)部，在所需深度形成改質(zhì)層，再施加一定的外力，從而實(shí)現(xiàn)晶圓的剝離。由于晶圓表面沒有切口，因此可以實(shí)現(xiàn)較高的加工精度。

納秒脈沖激光器的SD工藝已在其它工藝中應(yīng)用于分離硅（SI）晶圓和切割石英等材料。然而，在納秒脈沖激光誘導(dǎo)SD加工碳化硅（SIC）的過程中，由于脈沖持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)長于碳化硅（SIC）中電子和聲子之間的耦合時(shí)間（皮秒量級），并產(chǎn)生熱效應(yīng)，晶圓的高熱量輸入不僅使分離容易偏離所需方向，而且會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致斷裂和不良的解理。因此，在加工碳化硅（SIC）時(shí)一般采用超短脈沖激光隱形切割SD工藝，熱效應(yīng)大大降低。

日本Disco公司研發(fā)出了一種稱為關(guān)鍵無定形黑色重復(fù)吸收（key amorphous-black repetitive absorption, KABRA）的激光切割技術(shù)，以加工直徑6英寸、厚度20 mm的碳化硅（SIC）晶錠為例，將碳化硅（SIC）晶圓的生產(chǎn)率提高了四倍。KABRA工藝本質(zhì)是上將激光聚焦在碳化硅（SIC）材料的內(nèi)部，通過 “無定形黑色重復(fù)吸收”，將碳化硅（SIC）分解成無定形硅和無定形碳，并形成作為晶圓分離基點(diǎn)的一層，即黑色無定形層，吸收更多的光，從而能夠很容易地分離晶圓。

被英飛凌收購的Siltectra公司研發(fā)的冷切割（Cold Split）晶圓技術(shù)，不僅能將各類晶錠分割成晶圓，而且每片晶圓損失低至80μm，使材料損失減少了90%，最終器件總生產(chǎn)成本降低多達(dá)30%，這個(gè)技術(shù)就是典型的使用了超快激光（皮秒、飛秒）的技術(shù)路徑。

冷切割技術(shù)分為兩個(gè)環(huán)節(jié)：先用激光照射晶錠形成剝落層，使碳化硅（SIC）材料內(nèi)部體積膨脹，從而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，形成一層非常窄的微裂紋；然后通過聚合物冷卻步驟將微裂紋處理為一個(gè)主裂紋，最終將晶圓與剩余的晶錠分開。2020年有第三方對此技術(shù)進(jìn)行了評估，測量分割后的晶圓表面粗糙度Ra小于3μm，最佳結(jié)果小于2μm。

國內(nèi)大族激光研發(fā)的激光改質(zhì)切割（QCB技術(shù)超快激光切割）依然是采用超快激光器（皮秒、飛秒）進(jìn)行激光剝離的技術(shù)，應(yīng)該是源于日本Disco的激光隱切和Siltectra的技術(shù)路徑的結(jié)合，該過程同樣是使用精密激光束在晶圓內(nèi)部掃描形成改質(zhì)層，使晶圓可以通過外加應(yīng)力沿激光掃描路徑拓展，完成精確分離。

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（4）、砂漿切割

目前國內(nèi)廠商已經(jīng)掌握了砂漿切割碳化硅（SIC）技術(shù)，但砂漿切割損耗大、效率低、污染嚴(yán)重，正逐漸被金剛線切割技術(shù)和激光切割技術(shù)迭代，大家關(guān)注的相對較少。

?與此同時(shí)，激光切割的性能和效率優(yōu)勢突出，與傳統(tǒng)的機(jī)械接觸加工技術(shù)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括加工效率高、劃片路徑窄、切屑密度高，是取代金剛線切割技術(shù)的有力競爭者，為碳化硅（SIC）等下一代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用開辟了一條新途徑，甚至作為終極半導(dǎo)體的鉆石切割的一種主要新工藝。

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，碳化硅（SIC）襯底尺寸不斷增大，碳化硅（SIC）切割技術(shù)將快速發(fā)展，高效高質(zhì)量的激光切割將是未來碳化硅（SIC）切割的主要趨勢。

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