中國粉體網訊  在碳化硅產業(yè)鏈中，由于襯底占器件總成本的47%，因此降低晶體缺陷，提升襯底良率是助推實現碳化硅大規(guī)模產業(yè)化應用的主要途徑，良率提升重點在于晶體生長與切割環(huán)節(jié)。

目前行業(yè)內主要以高純碳粉、高純硅粉為原料合成碳化硅粉，在特殊溫場下，采用成熟的物理氣相傳輸法（PVT法），在晶體生長爐中生長不同尺寸的碳化硅晶錠，最后經過加工、切割、研磨、拋光、清洗等多道工序產出碳化硅襯底。

SiC單晶片，來源：DISCO

SiC單晶加工很難，也很急

在降本需求催動下，需要將一個大的SiC晶錠切成盡可能多的薄SiC晶圓襯底，同時隨著晶圓尺寸不斷增大，目前全球6~8英寸SiC步入主流市場，而12英寸SiC的突破也在進一步拓寬了碳化硅襯底的應用空間，這些都對切割工藝的要求提出了更高的標準，而SiC本身的特性，其加工過程相比其他材料更加復雜和困難。

SiC加工困難主要具體體現在以下幾點：

（1）SiC硬度大，莫氏硬度達9.5級，僅次于鉆石；

（2）SiC脆性高，在切割過程中容易出現裂片現象，導致產品良率降低；

（3）SiC化學穩(wěn)定性高，幾乎不與任何強酸或強堿發(fā)生反應，室溫下，它能抵抗任何已知的酸性腐蝕劑。

碳化硅單晶的加工過程主要分為切片、薄化和拋光。作為碳化硅單晶加工過程的第一道工序，切片的性能決定了后續(xù)薄化、拋光的加工水平。切片加工易在晶片表面和亞表面產生裂紋，增加晶片的破片率和制造成本，因此控制晶片表層裂紋損傷，對推動碳化硅器件制造技術的發(fā)展具有重要意義。

SiC單晶切割方法有哪些？

碳化硅襯底切割技術是將SiC晶錠沿著一定的方向切割成晶體薄片的過程。將SiC晶錠切成翹曲度小、厚度均勻的晶片。

目前，切割碳化硅單晶片的方法主要有金剛石圓鋸片切割、電火花線切割、線鋸切割、激光熱應力控制斷裂切割技術 （激光熱裂切割技術）和激光隱形切割技術等。

金剛石圓鋸片切割主要分為內圓切割和外圓切割兩種方式，但是這兩種方法切割出的碳化硅晶圓表面質量較差、翹曲度較大、切縫寬，而且切割速度很慢、精度低、噪聲大。因此該切割方法逐漸被碳化硅晶圓加工工廠所淘汰。電火花線切割是以移動的細線狀金屬絲作為工作電極，并在金屬絲及工件間接通脈沖電流，利用兩級間脈沖放電的電蝕作用對工件進行切割加工。但是由于電火花加工的SiC晶片的切縫寬，故存在表面燒傷層厚度大等缺點，此方法并不適用于加工高質量的碳化硅材料。為了改善以上兩種方法的缺點，線鋸切割和激光切割等方法就被提了出來，并受到國內外學者的關注。

01線鋸切割

（1）游離磨料線鋸切割加工

游離磨料線鋸切割加工是切割線、切削液中的磨料與工件三者相互作用的復雜過程，其切割機理是利用線鋸的快速運動將切削液中的磨料顆粒帶入鋸縫，從而使磨料顆粒達到“滾動－壓痕”機制以去除材料。

游離磨料多線切割示意圖

與傳統的切割方式相比較，游離磨料線鋸切割克服了一次只能切割一片的缺點，可以加工較薄的晶圓（切片厚度＜0.3mm），而且切割的產率高、材料損耗小，目前已經廣泛用于單晶和多晶碳化硅片的加工。

但隨著加工要求的不斷提升以及游離磨料線切割成本高、漿液循環(huán)利用較難、漿料的處理和回收成本高、污染嚴重等問題，游離切割技術在效果上已經較難滿足加工要求。

（2）固結金剛石線鋸切割

固結金剛石線鋸切割技術是將高硬度、高耐磨性的金剛石磨粒通過電鍍、樹脂粘接、釬焊或機械鑲嵌等方法固結在切割線上，通過金剛線的高速運動完成對SiC晶體的切割。

根據金剛石線運動方式的不同，可以分為單向式、往復式和環(huán)形式三種。相較而言，往復式和環(huán)形式固結金剛石磨粒線鋸切割比單向式有更長的有效長度和更高的線鋸單位長度重復利用率，切割效率更高，目前廣泛應用在硬脆材料切割領域，成為碳化硅晶圓切割的主流工藝。

金剛石線鋸切割碳化硅原理圖

相比游離磨料線鋸切割的“三體加工”，金剛石線鋸切割屬于“二體加工”，其加工效率是游離磨料線鋸切割的數倍以上，但仍有明顯缺點，切口較大，表面粗糙度較大，材料損失高達46%，切縫一般都在200μm以上，不太適用于生產超薄大尺寸的SiC單晶片。

02激光切割法

激光切割技術早期已經應用于硅晶錠的切割，在碳化硅領域的應用剛起步，目前主要有水導激光、KABRA、冷切割和改質切割技術。

（1）水導激光切割（表面切割）

水導激光（LMJ）切割技術，又稱激光微射流技術，其原理是通過將激光束聚焦在一個噴嘴上，使其通過壓力調制的水腔，然后從噴嘴中噴出低壓水柱。由于水與空氣的折射率差異，在水與空氣的交界處形成了光波導，使得激光沿水流方向傳播，從而通過高壓水射流引導加工材料表面進行切割。

該技術優(yōu)勢在于：

1）水流能冷卻切割區(qū)，降低材料熱變形和熱損傷程度；

2）切割速度明顯加快；

3）噴射的水流帶走加工碎屑及污染物；

4）水束光纖的工作距離大，且無需激光聚焦；

5）較小的水流直徑縮短切縫寬度，提高了加工的精度，切割截面更為光滑。因此，水導激光切割技術將成為切割提高產能及良率的有效途經。

水導激光技術應用范圍有限，只適用于小尺寸碳化硅晶錠切割。國際以專門從事水導激光研發(fā)和產業(yè)化的瑞士SYNOVA公司的技術領先，國內技術相對落后，英諾激光、晟光硅研等企業(yè)正在積極研發(fā)。

（2）KABRA切割（隱形切割）

日本DISCO公司的KABRA（key amorphous-black repetitive absorption，關鍵無定形黑色重復吸收）技術是更為領先的激光切割技術。KABRA技術利用具有極好聚焦能力的光學系統將激光透過碳化硅的表面聚焦晶片內部，在特定位置形成改性層之后可從晶錠上剝離出晶片。

KABRA技術更適合大尺寸晶圓切割，但具有嚴格專利保護。KABRA技術較為成熟，其優(yōu)勢在于減少材料的損耗，提高切割速度，進而增加切片效率，更適合應用于大尺寸晶圓的切割。但KABRA技術難度高，在改進過程中容易加劇碳化硅襯底的裂片問題，且該技術受到嚴格的專利保護，國內廠商較難復制。

（3）冷切割

2018年11月英飛凌以1.24億歐元收購了具有冷切割技術的公司Siltectra。冷切割技術主要分為2個技術環(huán)節(jié)：首先是用激光照射晶錠剝落層，使碳化硅材料內部體積膨脹，從而產生拉伸應力，形成一層非常窄的微裂紋，然后再通過聚合物冷卻步驟將微裂紋處理為一個主裂紋，最終將晶圓與剩余的晶錠分開。

冷切割技術

該技術優(yōu)勢在于：

1）每片晶圓總切口損失小于100μm；

2）碳化硅晶圓的良率提高90%；

3）該技術大幅減少了碳化硅晶圓生產過程中的原材料損耗，可以提供3倍的材料，最終碳化硅器件產能提高近2倍，成本降低20~30%。

（4）改質切割

改質切割是一種將碳化硅晶錠快速分離成單個晶圓的激光技術，又稱QCB。該過程是使用皮秒激光束在晶錠內部形成改質層，使晶圓可以通過輕微外力沿激光掃描路徑精確分離。目前，國內大族激光的碳化硅晶錠激光切片機正在客戶處驗證。

碳化硅改質切割一般為激光掃描以及以三點折彎為主要原理的機械劈裂兩個步驟。激光掃描就是形成改質層的過程，在這個過程里激光在指定位置精確地誘導材料內部的微裂紋，均勻分布的微裂紋在材料中存在時，會使應力場（熱應力、機械應力等）在微裂紋周圍產生集中效應，當機械劈裂施加折彎應力時，應力會因為改質層的存在而誘導到指定位置產生裂紋的擴展，從而完成晶圓的精確分離。

來源：

王宏杰等：高品質碳化硅單晶制備技術

鄒苗苗等：碳化硅晶圓切割方法綜述

ICPMS 冷知識：碳化硅襯底切割技術迭代歷程

英飛凌、DISCO官網

（中國粉體網編輯整理/空青）

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