碳化硅材料切割的下一局：激光切割

碳化硅芯观察 2023-05-18 22:49

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迭代晶锭切割技术是目前衬底环节提高产能的主要途径。

通过长晶环节提高良率仍需要较长时间的经验累积，攻克晶锭切割环节切割速度慢和切片良率低这两大关键问题后可以实现快速降本。

目前，碳化硅材料的切割方案中，以多线切割为主。

多线切割技术是脆硬材料切割的一种工艺，在工业中广泛利用。该传统技术发展历史悠久，1960年代开始利用线的往复运动来切割水晶片，1970年代开始切割1-2英寸的硅片，1980年代采用涂有金刚石粉的内圆切割机切割超硬材料。

随着半导体行业快速发展，客户对于降低切割成本、提高生产效率的要求越来越高，多线切割技术的应用也逐渐成熟，砂浆线切割技术已经应用于绝大部分碳化硅衬底厂商，金刚线切割技术也成为了主流迭代方案。

虽然金刚线相较于砂浆线切割优势明显。但是仍存在一些问题：

1）加工效率较低，碳化硅晶锭长度较短，使用多线切割技术需要先将多个晶锭进行拼接，降低了加工效率；

2）材料损耗率高，加工过程中切割线会将部分碳化硅材料削磨成碎屑从而产生锯口损失，并且高速运动会在表面形成粗糙切痕，材料损耗率高达50%；

3）设备及耗材寿命短，切割时金刚线磨损严重，影响切割线的使用寿命以及晶片的翘曲度；

4）耗材成本高，单位成本高于油砂线，频繁更换易磨损的金刚线会增加加工成本。

所以激光切割技术有望逐步渗透。激光切割因加工效率高、材料基本无损，有望成为金刚线切割技术的理想替代方案。

三大主流激光切割技术

激光切割技术早期已经应用于硅晶锭的切割，在碳化硅领域的应用刚起步，目前主要有水导激光加工、DISCO技术和冷切割三大技术。由于激光切割技术目前尚不成熟，但具有加工时间短、材料损耗小、产出和良率更高，综合成本优势明显，待技术成熟后有望成为主流碳化硅衬底切割技术。

水导激光切割技术在切割质量方面更具优势。

技术首先让激光经过凸透镜聚焦后通过石英玻璃窗体进入到耦合水腔，调整聚焦透镜与小孔喷嘴之间的距离使激光焦点刚好处于喷嘴上表面中心，然后让激光束在进入稳定的水射流后发生全反射，使得激光沿水流方向传播，从而通过高压水射流引导加工材料表面进行切割。

该技术具有以下优势：

1）水流能冷却切割区，降低材料热变形和热损伤程度；

2）切割速度明显加快；

3）喷射的水流带走加工碎屑及污染物；

4）水束光纤的工作距离大，且无需激光聚焦；

5）较小的水流直径缩短切缝宽度，提高了加工的精度，切割截面更为光滑。因此，水导激光切割技术将成为切割提高产能及良率的有效途经。

水导激光技术应用范围有限，只适用于小尺寸碳化硅晶锭切割。国际以专门从事水导激光研发和产业化的瑞士Synova公司的技术领先，国内技术相对落后，英诺激光、晟光硅研等企业正在积极研发。

但水导激光技术的应用仍具一定挑战性：

1）对喷嘴的要求高，需要得到均匀的水柱，国内与领先的瑞士Synova公司的技术差距还较大，且目前难以满足2英寸以上的碳化硅衬底切割要求；

2）耦合难度较大，需要保证激光束最大限度地进入喷嘴口，并尽可能实现全反射，对工艺的精度要求较高；

3）由于水对不同波长的激光吸收程度不同，激光波长受限，波长主要为1064nm、532nm、355nm三种。国内企业仍需继续提高水导激光的切割工艺以掌握水导激光切割技术。

日本DISCO公司的KABRA技术是更为领先的激光切割技术。KABRA技术利用具有极好聚焦能力的光学系统将激光透过碳化硅的表面聚焦晶片内部，在特定位置形成改性层之后可从晶锭上剥离出晶片。

DISCO公司利用激光加工设备的易自动化的特性，还研发出能将激光改质、剥离、研磨步骤并行的KABRA!zen加工系统。以加工直径6英寸、厚度20 mm的SiC晶锭为例，相较于现有切割技术，DISCO技术具有以下优势：

1）切割时间从现有4-5天显著缩短至17分钟；

2）材料损失率大幅降低，并从原理上避免锯口损失，晶片产出能提高44%；

3）省掉晶片研磨环节，节约时间、设备以及人力成本。

DISCO技术更适合大尺寸晶圆切割，但具有严格专利保护。DISCO技术较为成熟，其优势在于减少材料的损耗，提高切割速度，进而增加切片效率，更适合应用于大尺寸晶圆的切割。但DISCO技术难度高，在改进过程中容易加剧碳化硅衬底的裂片问题，且该技术受到严格的专利保护，国内厂商较难复制。

英飞凌冷切割技术

2018年11月，英飞凌耗资1.24亿欧元（约9.45亿人民币），收购了一家晶圆切割公司Siltectra。Siltectra成立于2010年，它研发的冷切割（Cold Split）晶圆技术，可将各种类型的晶锭分割成晶圆。

与DISCO技术类似，冷切割技术先用激光照射晶锭形成剥落层，使碳化硅材料内部体积膨胀，从而产生拉伸应力形成一层非常窄的微裂纹，然后通过聚合物冷却步骤将微裂纹处理为一个主裂纹，最终将晶圆与剩余的晶锭分开。

该技术具有以下优势：1）每片晶圆总切口损失小于100μm；2）SiC晶圆的良率提高90%；3）该技术大幅减少了SiC晶圆生产过程中的原材料损耗，可以提供3倍的材料，最终SiC器件产能提高近2倍，成本降低20-30%。以单个20mm的SiC晶锭为例，采用多线切割技术可生产30片350μｍ的晶圆，而采用冷切技术能将单片晶圆厚度减少到200μｍ，晶圆产量提高到超80片。

如果再结合Cold Split背面减薄和回收残留晶圆，这个晶圆数量可以高达100片。总的来说，相同的SiC晶锭下，它可以生产三倍以上的晶圆，从而为最终器件提供足够的材料。

国内碳化硅激光切割方案

大族激光：碳化硅改质切割原理

目前，国内大族激光的碳化硅晶锭激光切片机正在客户处验证。近期，大族激光也在官微分享了其改质切割技术的流程及成果。

改制切割是一种将半导体晶圆分离成单个芯片或晶粒的激光技术。该过程是使用精密激光束在晶圆内部形成改质层，使晶圆可以通过轻微外力沿激光扫描路径精确分离。

碳化硅改质切割一般为激光扫描以及以三点折弯为主要原理的机械劈裂两个步骤。激光扫描就是形成改质层的过程，在这个过程里激光在指定位置精确地诱导材料内部的微裂纹，均匀分布的微裂纹在材料中存在时，会使应力场（热应力、机械应力等）在微裂纹周围产生集中效应，当机械劈裂施加折弯应力时，应力会因为改质层的存在而诱导到指定位置产生裂纹的扩展，从而完成晶粒的精确分离。