随着5G通信、新能源汽车和电子产品的快速发展，功率半导体器件的需求显著增长。第一代和第二代半导体材料的工艺逐渐逼近其物理极限，摩尔定律也逐渐失效。在此背景下，第三代半导体技术有望突破传统技术的瓶颈，成为第一、二代半导体的有力补充。碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，因其具备宽带隙、高击穿电场、高电子迁移率以及优良的热导率等特性，展现出广泛的应用潜力。
从碳化硅原材料到功率半导体器件的制造涉及多个关键步骤，包括单晶生长、晶锭切割、外延生长以及晶圆设计、制造和封装等工艺。SiC粉末经过合成后，首先制备成碳化硅晶锭，随后通过切片、研磨、抛光和清洗等流程制成碳化硅衬底。接着，通过外延生长形成外延片，再经光刻、刻蚀、离子注入和金属钝化等工序制造出SiC晶圆。最终，通过晶圆划片工艺得到芯片，并进一步封装成功率器件。
碳化硅半导体功率器件工艺图 图源：公开网络
在这些工艺中，晶体生长和晶圆切割是最为关键的环节，约占整个SiC器件制造成本的47%。这两个步骤技术门槛高，附加值大，也是实现SiC大规模产业化的核心所在。由于碳化硅具有极高的硬度（莫氏硬度超过9，仅次于金刚石）、较大的脆性以及良好的化学稳定性，成为加工难度较大的材料之一。
当前，工业界在SiC晶锭切割中应用了多种工艺，包括金刚石线锯切割、受控剥落、电火花切割及激光切割等。其中，金刚石线锯和刀片切割最为常见。这类传统机械切割方法具有成本低廉、设备要求简单、易于实现大规模生产的优点，同时金刚石切割工具相对易于获取。然而，传统SiC机械切割仍存在诸多问题，如刀具磨损严重、晶片易产生裂纹、表面粗糙度较高以及切缝损耗较大等。为解决这些问题，研究人员仍需不断探索新型切割工艺和工具，以进一步提升切割质量和效率。
激光辅助脆性材料切片技术的相关研究
自20世纪60年代第一台激光器问世以来，激光技术得到了不断的发展，衍生出多种类型的激光器，广泛应用于医疗、通信、光存储等领域。进入21世纪后，超快激光技术迅速发展，逐步催生了皮秒、飞秒和阿秒级激光。然而，阿秒激光由于成本高昂，尚处于实验室研究阶段，未能得到大规模的应用。
在碳化硅（SiC）晶锭的切片加工中，传统的机械切割方法仍是工业界的主流。为提高加工质量和效率，研究人员不断提出创新方法，尝试将先进工艺与传统切割技术相结合，改进刀具性能，或开发新的加工工艺。例如，Hiroto Maeda等人通过结合高速多线锯与电镀金刚石丝进行SiC晶锭切割，成功实现了每分钟0.6毫米的高速切割，发现提高线材速度和增加金刚石浓度有助于减少切割损伤。Lun Li等人则通过实验和数值分析研究了超声激励线锯切割的运动特性，并建立了SiC单晶的有限元仿真模型。Lutao Yan等为了提升金刚石线锯的切割性能，采用三维超声振动辅助切割，并利用仿真模型预测了切削力，发现超声振动能够显著降低横向和纵向的切削力。Norimasa Yamamoto等提出了一种旋转式电火花切割工艺，成功切割了2英寸的SiC晶锭，并将切割损耗控制在350微米左右。Yoshida Masahiro等人对比分析了油水型电火花切割SiC的加工特性，得出水型电火花切割的去除率比油型高出1.1倍，但切缝损耗高30%，表面粗糙度增加了3倍。
虽然上述研究在一定程度上改进了切割速度和表面粗糙度，但传统线锯切割仍存在切缝损耗较高（材料损耗超过45%）、表面粗糙度Ra超过3.4微米，以及难以进行超薄晶圆切片的不足。
为克服这些问题，超短脉冲激光因其独特的加工优势成为SiC晶锭切割的理想选择。它能够避免传统机械切割中切缝材料的浪费以及刀具与晶片直接接触导致的高表面粗糙度问题。Marko Swoboda等人首次提出了激光辅助晶圆冷裂工艺，通过激光扫描在预定厚度位置形成损伤层，再利用晶锭表面涂覆的高分子材料在骤冷环境下裂片，成功用于Si、蓝宝石和熔融石英等材料的剥离。李斌等人通过激光冷分离技术对SiC晶棒进行切割，分析了该工艺的关键难点，认为激光加工是最核心的环节。Wenhao Geng等人结合飞秒激光与带隙选择性PEC刻蚀法，对4H-SiC进行剥离，利用能量差实现了HF溶液中的选择性损坏。Kosuke Sakamoto等人开发了一种基于皮秒激光的金刚石切割技术，通过限制裂纹在{111}解理面方向扩展，成功实现了沿{100}方向的裂纹控制。Hanwen Wang等人研究了表面预处理对4H-SiC激光加工与剥离的影响，发现预处理能有效提升切片质量。Eunho Kim等人利用800 nm、1 kHz的双脉冲飞秒激光对4H-SiC进行了扫描剥离，成功获得了均方根粗糙度为5微米、切削损耗小于24微米的剥离表面。
激光辅助晶圆冷裂工艺 图源：公开网络
隐形切割技术与激光辅助晶圆切割技术有许多相似之处，二者均通过激光在材料内部形成损伤层。在激光辅助晶圆切割过程中，隐形切割技术对改性层的形成具有重要的参考价值。然而，隐形切割中的损伤层裂纹需要沿着激光的入射方向扩展，而激光辅助晶圆切割中的裂纹则沿着与激光入射和扫描方向垂直的方向扩展。
隐形切割工艺 图源：公开网络
关于隐形切割技术，已有大量研究成果。例如，Qiuling Wen等利用红外皮秒激光对4H-SiC进行了隐形切割，分别在Si面和C面沿{1120}和{1100}方向进行激光扫描加工，随后采用三点弯曲法劈裂。研究发现，沿{1120}方向改性后的临界断裂载荷小于沿{1100}方向的改性，表明切割质量和临界断裂载荷与晶体取向密切相关。Caterina Gaudiuso等使用脉宽200 fs、波长1030 nm的激光设备对石英进行隐形切割，分析了激光参数对切割效果的影响，并揭示了其机理。研究指出，激光在石英内部聚焦加工时，产生的压缩应力松弛后导致拉应力，从而在焦点附近引发微小裂纹，使材料能够沿激光传播方向剥离。
Zhaoqing Li等通过20°轴向凸透镜产生高度均匀的贝塞尔光束，对蓝宝石进行了隐形切割，分析了贝塞尔光束扫描速度对蓝宝石薄片抗弯强度及侧壁粗糙度的影响。Kai Liao等利用皮秒激光的贝塞尔光束对二氧化硅玻璃进行隐形切割，分析了点间距、激光功率及离焦距离等参数对材料横截面粗糙度的影响，发现离焦距离是影响切割质量的主要因素。Z-Q. Li等通过飞秒激光贝塞尔光束对石英玻璃进行隐形切割，在0.5毫米和1毫米厚的石英玻璃上成功实现了垂直切割，且切割过程中无切缝损耗、切割表面无碎屑和裂纹。
刘成群等通过对比隐形切割与传统机械划切，深入分析了隐形切割中的激光参数，并介绍了该技术在MEMS器件晶圆划片中的应用。宋燕国等利用高能皮秒激光对SiC晶圆进行隐形切割，调整激光参数以观察表面形貌、边缘直线度及表面粗糙度等，最终确定了最佳的切割参数，验证了其切割质量优于其他研究成果。
Peng Liu等人通过结合飞秒激光与光纤激光器的多焦点分离系统，开发了激光多焦点分离技术（LMFS），成功分离了厚度达50毫米的KDP晶体，展示了超短脉冲激光在脆性材料分离中的卓越表现。Leimin Deng等人则通过双激光束分离（DLBS）技术提升了KDP晶体分离的质量和尺寸控制，展示了该技术在精密分离领域的潜力。
上述研究表明，超短脉冲激光在脆性材料加工中的应用潜力巨大，特别是在通过精确控制激光参数以实现高质量分离和切割方面，具有显著优势。超短脉冲激光辅助SiC晶圆切片技术正是这种应用的典型代表。由于SiC具有高硬度和脆性，传统的机械切割方法容易导致裂纹和表面粗糙度高等问题，而超短脉冲激光切割能够避免这些缺陷，确保超薄晶圆切割的精度，同时显著降低表面粗糙度和切缝损耗，从而大幅提升加工质量和效率。尽管该技术具有显著优势，近年来针对其在SiC晶圆切割中的研究报道仍较为稀少，值得进一步关注和深入研究。
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