順應(yīng)降本增效趨勢(shì)，半導(dǎo)體碳化硅(SiC) 襯底4種切割技術(shù)詳解

碳化硅襯底切割技術(shù)是將SiC晶錠沿著一定的方向切割成晶體薄片的過(guò)程。將SiC晶錠切成翹曲度小、厚度均勻的晶片。切割方式和切割質(zhì)量影響晶片的厚度、粗糙度、尺寸、耗損度及生產(chǎn)成本等。

在碳化硅器件成本中，襯底占比47%左右，是價(jià)值量最高的原材料。在襯底加工環(huán)節(jié)，由于碳化硅自身硬度大且脆性高，莫氏硬度達(dá)9.5級(jí)，僅次于鉆石，在現(xiàn)有技術(shù)背景下，切割難度較大，破損率較高，切割成本占比達(dá)50%左右。

在降本需求催動(dòng)下，需要將一個(gè)大的碳化硅（SiC）晶錠切成盡可能多的薄碳化硅（SiC）晶圓襯底，同時(shí)隨著晶圓尺寸不斷增大(目前8英寸晶圓已有量產(chǎn)，下一步將拓展12英寸晶圓的生長(zhǎng)），這些都對(duì)切割工藝的要求提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。

目前主流的切割工藝大體分為多線切割和激光切割，多線切割又可細(xì)分為砂漿線切割和金剛石線切割。

來(lái)源：《碳化硅單晶襯底加工技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)》，《碳化硅晶圓切割方法綜述》，東吳證券研究所?

目前應(yīng)用在碳化硅切割行業(yè)的是砂漿線切割和金剛石線切割。

砂漿線切割

砂漿切割切割相比于傳統(tǒng)的切割方式，克服了一次只能切割一片的缺點(diǎn)，可以加工較薄的晶圓（切片厚度小于0.3 mm），具有切縫窄、切割厚度均勻、材料損耗小等優(yōu)點(diǎn)，目前發(fā)展成熟，廣泛用于單晶和多晶碳化硅片的加工。

原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。

圖：砂漿線切割示意圖

利用該項(xiàng)技術(shù)切割碳化硅晶錠時(shí)，磨粒對(duì)切割效果有著很大的影響。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。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。

缺點(diǎn)：切割速度低、磨粒利用率低、砂漿液難回收并且會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染；另外在加工過(guò)程中游離的磨粒對(duì)鋼線也具有磨削作用，這不僅會(huì)導(dǎo)致切割出來(lái)的碳化硅晶片厚度不均勻，而且會(huì)降低線鋸的使用壽命。

砂漿線切割耗材：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(zhǎng)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。

砂漿線切割設(shè)備供應(yīng)商：日本高鳥(niǎo)、唐山晶玉、湖南宇晶等。

金剛石線切割

金剛石線切割是將高硬度、高耐磨性的金剛石磨粒通過(guò)電鍍、樹(shù)脂粘接、釬焊或機(jī)械鑲嵌等方法固結(jié)在切割線上，通過(guò)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)，完成對(duì)SiC晶錠的切割。

圖：金剛石線切割示意圖

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(shù)倍以上，但仍有明顯缺點(diǎn)，切口較大，表面粗糙度較大，材料損失高達(dá)46%，切縫一般都在200μm以上。

金剛石線切割設(shè)備企業(yè)：日本東洋現(xiàn)金機(jī)床、美國(guó)PSS集團(tuán)、高策股份、煙臺(tái)力凱數(shù)控等。?

大致可分為水導(dǎo)激光切割和隱形切割。

圖：激光切割碳化硅工序

碳化硅襯底除了“如何增產(chǎn)”，更應(yīng)該思考的是“如何節(jié)約”。采用激光切片設(shè)備可以大大的降低損耗，提升產(chǎn)率。以單個(gè)20毫米SiC晶錠為例，采用線鋸可生產(chǎn)30片350um的晶圓，而用激光切片技術(shù)可生產(chǎn)50多片晶圓。同時(shí)，由于激光切片生產(chǎn)的晶圓的幾何特性更好，因此單片晶圓厚度可以減少到200 um，這就進(jìn)一步增加了晶圓數(shù)量，單個(gè)20毫米SiC晶錠可以生產(chǎn)80多片晶圓。

水導(dǎo)激光切割

水導(dǎo)激光切割技術(shù)（Laser MicroJet,LMJ），又稱激光微射流技術(shù)。最早是由瑞士Synova西諾瓦公司基于傳統(tǒng)鉆石切割開(kāi)發(fā)而來(lái)。

原理：在激光通過(guò)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，從噴嘴中噴出高壓水柱，在水與空氣的界面處，通過(guò)折射的原理形成激光的傳導(dǎo)，使得激光沿水流方向運(yùn)動(dòng)，從而通過(guò)高壓水射流引導(dǎo)加工材料表面進(jìn)行切割。

目前國(guó)際上主要的激水柱集中在150mm-200mm左右，該技術(shù)在大尺寸的碳化硅（SiC）晶圓切割上，還有一定的技術(shù)瓶頸，但是6寸以內(nèi)的已無(wú)技術(shù)瓶頸。

圖：碳化硅冷切割流程圖

水導(dǎo)激光的主要優(yōu)勢(shì)在于切割質(zhì)量（切割端面的粗糙度），水流不僅能冷卻切割區(qū)，降低材料熱變形和熱損傷，還能帶走加工碎屑，相較金剛線切割，它的速度明顯加快，且端面粗糙度普遍集中在Ra＜1μm范圍內(nèi)。但由于水對(duì)不同波長(zhǎng)的激光吸收率不同，目前最主要的應(yīng)用是1064nm、532nm、355nm的綠激光，即使使用綠光激光器，其傳導(dǎo)率也基本上只有40%的激光功率。

國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展相對(duì)較，主要是哈工大和長(zhǎng)春理工、西電等高校在積極研發(fā)，目前可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的噴嘴是80μm（西諾瓦為50μm），并有望在近幾年實(shí)現(xiàn)校企合作的產(chǎn)業(yè)化，如哈工大產(chǎn)業(yè)化的哈焊研究院、西電產(chǎn)業(yè)化的晟光硅研等。

性能：

• ?精度高，公差為?+/-3?μm
• 可切割任意形狀（2D）
• 切割速度高：薄晶圓?(<50?μm)?切割速度高達(dá) 200 mm/s
• 晶圓厚度從?50?μm?到?2?mm
• 最大軸速度1000mm/s

隱形激光切割

隱形激光切割（Stealth Dicing, SD）包括納秒級(jí)別脈沖激光器的激光隱形切割和超短脈沖激光切割。原理是將激光束透過(guò)碳化硅的表面聚焦晶片內(nèi)部，在所需深度形成改性層，從而實(shí)現(xiàn)剝離晶圓。

優(yōu)點(diǎn)是晶圓表面沒(méi)有切口，避免了刀具磨損和機(jī)械應(yīng)力的影響，因此可以實(shí)現(xiàn)晶圓表面較高的加工精度（一般為±1μm），同時(shí)減少了后續(xù)的研磨拋光工藝過(guò)程，節(jié)省時(shí)間和材料成本。

納秒脈沖激光激光隱形切割近幾年在硅晶圓和藍(lán)寶石的切割上得到了快速發(fā)展和應(yīng)用，但在加工碳化硅（SiC）過(guò)程中，脈沖持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于碳化硅中電子和聲子之間的耦合時(shí)間（皮秒量級(jí)），因此會(huì)產(chǎn)生較大的熱效應(yīng)，晶圓的高熱量吸收不僅使材料晶向發(fā)生偏移，還會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致斷裂和不良剝離偏移。因此，在加工碳化硅（SiC）時(shí)一般采用超短脈沖激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)激光隱切工藝，熱效應(yīng)可大幅降低，但是，設(shè)備成本也因此直線上升。

DISCO關(guān)鍵無(wú)定型黑色重復(fù)吸收技術(shù)

日本DISCO公司研發(fā)出了一種稱為關(guān)鍵無(wú)定形黑色重復(fù)吸收(key amorphous-black repetitive absorption,KABRA)的激光切割技術(shù)，以加工直徑6英寸、厚度20mm的碳化硅晶錠為例，將碳化硅晶圓的生產(chǎn)率提高了四倍。KABRA工藝本質(zhì)是上將激光聚焦在碳化硅材料的內(nèi)部，通過(guò)“無(wú)定形黑色重復(fù)吸收”，將碳化硅分解成無(wú)定形硅和無(wú)定形碳，并形成作為晶圓分離基點(diǎn)的一層，即黑色無(wú)定形層，吸收更多的光，從而能夠很容易地分離晶圓。

英飛凌冷切割技術(shù)

基于激光的冷切割（cold split）技術(shù)是Siltectra公司的核心技術(shù)，2018年英飛凌收購(gòu)了該公司。

冷切割是一種高效的晶體材料加工工藝，與常見(jiàn)的鋸切技術(shù)相比，能夠?qū)⒉牧蠐p失降到最低幾乎不產(chǎn)生切口損失，是迄今為止第一個(gè)也是唯一一個(gè)能在半導(dǎo)體級(jí)實(shí)現(xiàn)20~200μm厚度無(wú)損切割的技術(shù)。英飛凌目將這項(xiàng)技術(shù)用于SiC晶錠的切割上，從而讓單個(gè)晶錠可出產(chǎn)的芯片數(shù)量翻番，良率提高到90%，成本降低20-30%。

該技術(shù)主要由兩個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，第一步是先用激光照射晶錠剝落層，使碳化硅材料內(nèi)部體積膨脹，從而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，形成一層非常窄的微裂紋，第二步則是通過(guò)聚合物冷卻步驟將微裂紋處理為一個(gè)主裂紋，最終將晶圓與剩余的晶錠分開(kāi)。

大族激光改質(zhì)切割

國(guó)內(nèi)大族激光的激光改質(zhì)切割（QCB）是采用超快激光器（皮秒、飛秒）進(jìn)行激光剝離的技術(shù)。該技術(shù)是使用精密激光束在晶圓內(nèi)部掃描形成改質(zhì)層，使晶圓可以通過(guò)外加應(yīng)力沿激光掃描路徑拓展，完成精確分離。

其他激光切割設(shè)備供應(yīng)商還有德龍激光、華工激光、西湖儀器等。

總結(jié)

表：碳化硅切割技術(shù)對(duì)比

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上砂漿線切割技術(shù)已應(yīng)用于絕大部分碳化硅襯底廠商，但砂漿切割損耗大、效率低、污染嚴(yán)重，正逐漸被金剛線切割技術(shù)迭代。

盡管金剛線相較于砂漿線切割優(yōu)勢(shì)明顯，但仍存在加工效率較低、材料損耗率高、設(shè)備及耗材壽命短、成本高等問(wèn)題。

激光切割的性能和效率優(yōu)勢(shì)突出，與傳統(tǒng)的機(jī)械接觸加工技術(shù)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括加工效率高、劃片路徑窄、切屑密度高等，為碳化硅等下一代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用開(kāi)辟了條新途徑，取代金剛線切割技術(shù)和砂漿線切割技術(shù)已成必然趨勢(shì)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，碳化硅襯底尺寸不斷增大，碳化硅切割技術(shù)快速發(fā)展，高效高質(zhì)量的激光切割將是未來(lái)碳化硅切割的重要趨勢(shì)。

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