在信息技術的快速發展和對高效能電子器件的需求不斷增長的趨勢下，以碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體材料，憑借在禁帶寬度、介電常數、導熱率及最高工作溫度等方面的優勢正逐漸嶄露頭角。然而，碳化硅作為一種典型的硬脆材料，其硬度遠高于傳統硅材料，莫氏硬度高達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。

目前碳化硅晶圓的制造過程分為：切割——研磨——拋光——清洗，在每個加工階段，都對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，其加工質量更是會對后續研磨、拋光的加工水平產生極大影響，進而影響芯片的性能。在當前工業生產中，碳化硅晶圓一般多線切割的方法，隨著技術的不斷進步，水導激光切割、隱形切割等新型切割技術也相繼顯露鋒芒。

多線切割技術

多線切割技術是當前主流的晶圓切割技術，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。目前根據切割材料，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，在切割線的壓力和速度的帶動下，游離的磨料顆粒在鋸縫中不斷滾動，從而實現材料的切割。利用該項技術切割碳化硅晶錠時，起切割刃料作用的磨粒對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到較為高效的切割目的，而砂漿作為磨粒的載體，對懸浮于其中的磨粒起到穩定分散、帶動運動的作用，因此對于其粘度和流動性有一定的要求。

游離磨料切割原理^[1]

作為一種發展非常成熟的晶圓切割技術，游離磨料線鋸切割技術具有切縫窄、切割厚度均勻、材料損耗小等優點，可以加工較薄的晶圓（切片厚度<0.3 mm）。同時，由于砂漿的存在，在切割過程中可以緩解磨粒對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、對環境不友好等缺點，已經較難滿足進一步的加工要求。

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、固結金剛石線鋸切割

基于切割速度低、磨粒利用率低的缺點，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、釬焊或機械鑲嵌等方法固結在切割線上，通過金剛線的高速往返運動，磨粒直接與工件間形成相對的磨削運動，從而完成對SiC晶錠的切割。

固結磨料金剛石線^[1]

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

新型晶圓激光切割技術

 近年來，隨著激光切割技術的不斷發展，這種非接觸式的切割技術在半導體材料的生產加工過程中也越來越多，比如藍寶石及硅晶圓的激光隱形切割技術的成功應用，為碳化硅（SiC）晶圓切割技術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

傳統激光切割是將激光能量于極短的時間內集中在材料表面，使固體升華、蒸發的全切割加工方式，屬于激光燒蝕加工技術。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部聚焦，在焦點區域產生較高的能量密度，形成多光子吸收，使得材料內所需深度形成改質層。在改質層位置，由于材料的分子鍵被破壞，當垂直于帶狀的改質層施加壓力時，晶錠就會沿著裂紋軌跡被分割成薄片。

傳統激光與激光隱形切割技術原理對比

由于激光隱形切割技術是在晶錠內部進行無接觸改質，可以抑制加工屑的產生，不僅防止晶圓受到污染，還避免了切屑對晶圓造成損傷，同時隱形切割被認為是零線寬切割，與傳統激光切割技術相比，有效地解決了切割損傷和大微裂縫的問題，為大規模制備薄的碳化硅晶圓片提供了更快速、更穩定、更可靠的解決思路。不過作為一種新型的激光切割技術，激光隱切技術在應用過程中仍面臨一系列需要解決的問題，如晶圓表面翹曲、激光能量密度調控問題將導致激光焦點無法精確落在晶圓中的具體薄層，阻礙了切割精度、芯片良率的進一步提升；為了避免較長的激光脈沖持續時間會產生較大的熱效應，導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現隱切。

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2、水導激光切割技術

水導激光切割技術，又稱激光微射流技術，它的原理是在激光通過一個壓力調制的水腔時，將激光束聚焦在一個極小的噴嘴上，從噴嘴中噴出極細的高壓水柱，由于水與空氣的界面處發生全反射現象，激光會被約束在微細的水射流中，并通過水射流進行傳導和聚焦，從而通過高壓水射流引導激光在加工材料表面進行切割。

水導激光切割原理

由于微射流的存在，水導激光技術不僅能冷卻切割區，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，實現極高的切割質量，通常端面粗糙度普遍可以控制在Ra＜1μm范圍內。不過，由于微水導激光切割技術耦合難度較大，為了提高激光利用效率，不但要保證激光束最大限度地進入噴嘴口，還需盡可能地實現全反射，對工藝的精度要求較高。

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小結

大尺寸的單晶SiC襯底是未來的主流發展趨勢，目前國內主流SiC企業已經基本實現全面生長6英寸，正朝著8英寸的方向快速發展。目前工業上使用最廣泛的碳化硅晶錠切片方法為固結金剛石多線切割，在切割大尺寸晶圓時，固結金剛石線易產生磨損對晶圓的切割質量產生一定的影響。近年來，激光隱形切割、水導激光切割等多種新型激光加工技術憑借高切割質量、低切割損傷、高效率的優勢，為大尺寸碳化硅晶圓的切割技術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.半導體晶圓激光切割工藝研究[J].新型工業化.

3、[1]張俊然,朱如忠,張璽等.線鋸切片技術及其在碳化硅晶圓加工中的應用[J].人工晶體學報.

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