在信息技術(shù)的快速發(fā)展和對(duì)高效能電子器件的需求不斷增長的趨勢(shì)下，以碳化硅（SiC）為代表的第三代半導(dǎo)體材料，憑借在禁帶寬度、介電常數(shù)、導(dǎo)熱率及最高工作溫度等方面的優(yōu)勢(shì)正逐漸嶄露頭角。然而，碳化硅作為一種典型的硬脆材料，其硬度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅材料，莫氏硬度高達(dá)9.2，僅次于世界上最硬的金剛石，這使得其晶圓的制造過程存在一定的挑戰(zhàn)。

目前碳化硅晶圓的制造過程分為：切割——研磨——拋光——清洗，在每個(gè)加工階段，都對(duì)表面損傷度和粗糙度有一定的要求，其中切割作為加工碳化硅單晶片的首要工序，其加工質(zhì)量更是會(huì)對(duì)后續(xù)研磨、拋光的加工水平產(chǎn)生極大影響，進(jìn)而影響芯片的性能。在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中，碳化硅晶圓一般多線切割的方法，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，水導(dǎo)激光切割、隱形切割等新型切割技術(shù)也相繼顯露鋒芒。

多線切割技術(shù)

多線切割技術(shù)是當(dāng)前主流的晶圓切割技術(shù)，相比以往鋸片切割的方式，克服了一次只能切割一片晶圓的缺點(diǎn)。目前根據(jù)切割材料，主要有游離磨料線鋸切割（砂漿線切割）和金剛石線鋸切割兩種方式。

多線切割示意圖（來源：日中半導(dǎo)體）

1、游離磨料線鋸切割

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(fù)雜過程，其切割機(jī)理是利用線鋸的快速運(yùn)動(dòng)將切削液中的磨料顆粒帶入鋸縫，在切割線的壓力和速度的帶動(dòng)下，游離的磨料顆粒在鋸縫中不斷滾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)材料的切割。利用該項(xiàng)技術(shù)切割碳化硅晶錠時(shí)，起切割刃料作用的磨粒對(duì)切割效果有著很大的影響，由于碳化硅的硬度極高，切割液需要以金剛石微粉作為磨粒才能達(dá)到較為高效的切割目的，而砂漿作為磨粒的載體，對(duì)懸浮于其中的磨粒起到穩(wěn)定分散、帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)的作用，因此對(duì)于其粘度和流動(dòng)性有一定的要求。

游離磨料切割原理^[1]

作為一種發(fā)展非常成熟的晶圓切割技術(shù)，游離磨料線鋸切割技術(shù)具有切縫窄、切割厚度均勻、材料損耗小等優(yōu)點(diǎn)，可以加工較薄的晶圓（切片厚度<0.3 mm）。同時(shí)，由于砂漿的存在，在切割過程中可以緩解磨粒對(duì)晶體的沖擊力并提供降溫作用，避免熱損傷，因此切割后的晶圓表面粗糙度較小。不過，由于切割速度低、磨粒利用率低、對(duì)環(huán)境不友好等缺點(diǎn)，已經(jīng)較難滿足進(jìn)一步的加工要求。

游離磨料多線切割后的晶圓^[1]

其中，游離磨料多線切割的切割線多使用表面鍍Cu的不銹鋼絲(Ф150～300 μm)，單根線總長度可以達(dá)到600～800 km。砂漿主要是由10～15 μm的碳化硅或金剛石和礦物油或水按一定比例混合而成。

2、固結(jié)金剛石線鋸切割

基于切割速度低、磨粒利用率低的缺點(diǎn)，游離磨料線鋸逐漸被金剛石線鋸切割所替代。金剛石線鋸切割將高硬度、高耐磨性的金剛石磨粒通過電鍍、樹脂粘接、釬焊或機(jī)械鑲嵌等方法固結(jié)在切割線上，通過金剛線的高速往返運(yùn)動(dòng)，磨粒直接與工件間形成相對(duì)的磨削運(yùn)動(dòng)，從而完成對(duì)SiC晶錠的切割。

固結(jié)磨料金剛石線^[1]

相比游離磨料線鋸切割的“三體加工”，固結(jié)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(shù)倍以上，而且具有切縫窄、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。但是用這種方法切割SiC等硬脆性材料時(shí)也仍存在晶片表面損傷層深、線鋸磨損快等缺點(diǎn)，當(dāng)線鋸切割過程中，金剛石線發(fā)生嚴(yán)重磨損時(shí)，將極大影響到線鋸的壽命和晶片的翹曲度。因此，固結(jié)金剛石磨粒線鋸技術(shù)也不太適用于生產(chǎn)超薄大尺寸的SiC單晶片。

新型晶圓激光切割技術(shù)

 近年來，隨著激光切割技術(shù)的不斷發(fā)展，這種非接觸式的切割技術(shù)在半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)加工過程中也越來越多，比如藍(lán)寶石及硅晶圓的激光隱形切割技術(shù)的成功應(yīng)用，為碳化硅（SiC）晶圓切割技術(shù)提供了新的解決思路，并衍生出了多種激光切割碳化硅（SiC）晶圓的加工方式。

1、隱形激光切割技術(shù)

傳統(tǒng)激光切割是將激光能量于極短的時(shí)間內(nèi)集中在材料表面，使固體升華、蒸發(fā)的全切割加工方式，屬于激光燒蝕加工技術(shù)。而激光隱形切割的原理是利用將特定波長的脈沖激光透過材料表面在材料內(nèi)部聚焦，在焦點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生較高的能量密度，形成多光子吸收，使得材料內(nèi)所需深度形成改質(zhì)層。在改質(zhì)層位置，由于材料的分子鍵被破壞，當(dāng)垂直于帶狀的改質(zhì)層施加壓力時(shí)，晶錠就會(huì)沿著裂紋軌跡被分割成薄片。

傳統(tǒng)激光與激光隱形切割技術(shù)原理對(duì)比

由于激光隱形切割技術(shù)是在晶錠內(nèi)部進(jìn)行無接觸改質(zhì)，可以抑制加工屑的產(chǎn)生，不僅防止晶圓受到污染，還避免了切屑對(duì)晶圓造成損傷，同時(shí)隱形切割被認(rèn)為是零線寬切割，與傳統(tǒng)激光切割技術(shù)相比，有效地解決了切割損傷和大微裂縫的問題，為大規(guī)模制備薄的碳化硅晶圓片提供了更快速、更穩(wěn)定、更可靠的解決思路。不過作為一種新型的激光切割技術(shù)，激光隱切技術(shù)在應(yīng)用過程中仍面臨一系列需要解決的問題，如晶圓表面翹曲、激光能量密度調(diào)控問題將導(dǎo)致激光焦點(diǎn)無法精確落在晶圓中的具體薄層，阻礙了切割精度、芯片良率的進(jìn)一步提升；為了避免較長的激光脈沖持續(xù)時(shí)間會(huì)產(chǎn)生較大的熱效應(yīng)，導(dǎo)致晶片斷裂和不良剝離偏移，需要采用較高成本的超短脈沖激光器來實(shí)現(xiàn)隱切。

大族半導(dǎo)體結(jié)合激光隱切技術(shù)和超快激光器開發(fā)的激光切片（QCB技術(shù)）新技術(shù)

2、水導(dǎo)激光切割技術(shù)

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)極小的噴嘴上，從噴嘴中噴出極細(xì)的高壓水柱，由于水與空氣的界面處發(fā)生全反射現(xiàn)象，激光會(huì)被約束在微細(xì)的水射流中，并通過水射流進(jìn)行傳導(dǎo)和聚焦，從而通過高壓水射流引導(dǎo)激光在加工材料表面進(jìn)行切割。

水導(dǎo)激光切割原理

由于微射流的存在，水導(dǎo)激光技術(shù)不僅能冷卻切割區(qū)，降低材料熱變形和熱損傷程度，還能帶走加工碎屑，減少晶圓污染，實(shí)現(xiàn)極高的切割質(zhì)量，通常端面粗糙度普遍可以控制在Ra＜1μm范圍內(nèi)。不過，由于微水導(dǎo)激光切割技術(shù)耦合難度較大，為了提高激光利用效率，不但要保證激光束最大限度地進(jìn)入噴嘴口，還需盡可能地實(shí)現(xiàn)全反射，對(duì)工藝的精度要求較高。

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小結(jié)

大尺寸的單晶SiC襯底是未來的主流發(fā)展趨勢(shì)，目前國內(nèi)主流SiC企業(yè)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)全面生長6英寸，正朝著8英寸的方向快速發(fā)展。目前工業(yè)上使用最廣泛的碳化硅晶錠切片方法為固結(jié)金剛石多線切割，在切割大尺寸晶圓時(shí)，固結(jié)金剛石線易產(chǎn)生磨損對(duì)晶圓的切割質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。近年來，激光隱形切割、水導(dǎo)激光切割等多種新型激光加工技術(shù)憑借高切割質(zhì)量、低切割損傷、高效率的優(yōu)勢(shì)，為大尺寸碳化硅晶圓的切割技術(shù)提供了可靠的解決思路。

參考來源：

1、鄒苗苗，竇菲.碳化硅晶圓切割方法綜述[J].超硬材料工程，2022，34(03):35-41.

2、林明睿.半導(dǎo)體晶圓激光切割工藝研究[J].新型工業(yè)化.

3、[1]張俊然,朱如忠,張璽等.線鋸切片技術(shù)及其在碳化硅晶圓加工中的應(yīng)用[J].人工晶體學(xué)報(bào).

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