迭代晶錠切割技術(shù)是目前襯底環(huán)節(jié)提高產(chǎn)能的主要途徑。

通過(guò)長(zhǎng)晶環(huán)節(jié)提高良率仍需要較長(zhǎng)時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)累積，攻克晶錠切割環(huán)節(jié)切割速度慢和切片良率低這兩大關(guān)鍵問題后可以實(shí)現(xiàn)快速降本。

目前，碳化硅材料的切割方案中，以多線切割為主。

多線切割技術(shù)是脆硬材料切割的一種工藝，在工業(yè)中廣泛利用。該傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)展歷史悠久，1960年代開始利用線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)切割水晶片，1970年代開始切割1-2英寸的硅片，1980年代采用涂有金剛石粉的內(nèi)圓切割機(jī)切割超硬材料。

隨著半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展，客戶對(duì)于降低切割成本、提高生產(chǎn)效率的要求越來(lái)越高，多線切割技術(shù)的應(yīng)用也逐漸成熟，砂漿線切割技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于絕大部分碳化硅襯底廠商，金剛線切割技術(shù)也成為了主流迭代方案。

雖然金剛線相較于砂漿線切割優(yōu)勢(shì)明顯。但是仍存在一些問題：

1）加工效率較低，碳化硅晶錠長(zhǎng)度較短，使用多線切割技術(shù)需要先將多個(gè)晶錠進(jìn)行拼接，降低了加工效率；

2）材料損耗率高，加工過(guò)程中切割線會(huì)將部分碳化硅材料削磨成碎屑從而產(chǎn)生鋸口損失，并且高速運(yùn)動(dòng)會(huì)在表面形成粗糙切痕，材料損耗率高達(dá)50%；

3）設(shè)備及耗材壽命短，切割時(shí)金剛線磨損嚴(yán)重，影響切割線的使用壽命以及晶片的翹曲度；

4）耗材成本高，單位成本高于油砂線，頻繁更換易磨損的金剛線會(huì)增加加工成本。

所以激光切割技術(shù)有望逐步滲透。激光切割因加工效率高、材料基本無(wú)損，有望成為金剛線切割技術(shù)的理想替代方案。

三大主流激光切割技術(shù)

激光切割技術(shù)早期已經(jīng)應(yīng)用于硅晶錠的切割，在碳化硅領(lǐng)域的應(yīng)用剛起步，目前主要有水導(dǎo)激光加工、DISCO技術(shù)和冷切割三大技術(shù)。由于激光切割技術(shù)目前尚不成熟，但具有加工時(shí)間短、材料損耗小、產(chǎn)出和良率更高，綜合成本優(yōu)勢(shì)明顯，待技術(shù)成熟后有望成為主流碳化硅襯底切割技術(shù)。

水導(dǎo)激光切割技術(shù)在切割質(zhì)量方面更具優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)首先讓激光經(jīng)過(guò)凸透鏡聚焦后通過(guò)石英玻璃窗體進(jìn)入到耦合水腔，調(diào)整聚焦透鏡與小孔噴嘴之間的距離使激光焦點(diǎn)剛好處于噴嘴上表面中心，然后讓激光束在進(jìn)入穩(wěn)定的水射流后發(fā)生全反射，使得激光沿水流方向傳播，從而通過(guò)高壓水射流引導(dǎo)加工材料表面進(jìn)行切割。

該技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）水流能冷卻切割區(qū)，降低材料熱變形和熱損傷程度；

2）切割速度明顯加快；

3）噴射的水流帶走加工碎屑及污染物；

4）水束光纖的工作距離大，且無(wú)需激光聚焦；

5）較小的水流直徑縮短切縫寬度，提高了加工的精度，切割截面更為光滑。因此，水導(dǎo)激光切割技術(shù)將成為切割提高產(chǎn)能及良率的有效途經(jīng)。

水導(dǎo)激光技術(shù)應(yīng)用適用于碳化硅晶錠切割。國(guó)際以專門從事水導(dǎo)激光研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的瑞士Synova公司的技術(shù)領(lǐng)先，國(guó)內(nèi)技術(shù)相對(duì)落后，英諾激光、晟光硅研等企業(yè)正在積極研發(fā)。

但水導(dǎo)激光技術(shù)的應(yīng)用仍具一定挑戰(zhàn)性：

1）對(duì)噴嘴的要求高，需要得到均勻的水柱，國(guó)內(nèi)與領(lǐng)先的瑞士Synova公司的技術(shù)差距還較大，且目前難以滿足2英寸以上的碳化硅襯底切割要求；

2）耦合難度較大，需要保證激光束最大限度地進(jìn)入噴嘴口，并盡可能實(shí)現(xiàn)全反射，對(duì)工藝的精度要求較高；

3）由于水對(duì)不同波長(zhǎng)的激光吸收程度不同，激光波長(zhǎng)受限，波長(zhǎng)主要為1064nm、532nm、355nm三種。國(guó)內(nèi)企業(yè)仍需繼續(xù)提高水導(dǎo)激光的切割工藝以掌握水導(dǎo)激光切割技術(shù)。

日本DISCO公司的KABRA技術(shù)是更為領(lǐng)先的激光切割技術(shù)。KABRA技術(shù)利用具有極好聚焦能力的光學(xué)系統(tǒng)將激光透過(guò)碳化硅的表面聚焦晶片內(nèi)部，在特定位置形成改性層之后可從晶錠上剝離出晶片。

DISCO公司利用激光加工設(shè)備的易自動(dòng)化的特性，還研發(fā)出能將激光改質(zhì)、剝離、研磨步驟并行的KABRA!zen加工系統(tǒng)。以加工直徑6英寸、厚度20 mm的SiC晶錠為例，相較于現(xiàn)有切割技術(shù)，DISCO技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）切割時(shí)間從現(xiàn)有4-5天顯著縮短至17分鐘；

2）材料損失率大幅降低，并從原理上避免鋸口損失，晶片產(chǎn)出能提高44%；

3）省掉晶片研磨環(huán)節(jié)，節(jié)約時(shí)間、設(shè)備以及人力成本。

DISCO技術(shù)更適合大尺寸晶圓切割，但具有嚴(yán)格專利保護(hù)。DISCO技術(shù)較為成熟，其優(yōu)勢(shì)在于減少材料的損耗，提高切割速度，進(jìn)而增加切片效率，更適合應(yīng)用于大尺寸晶圓的切割。但DISCO技術(shù)難度高，在改進(jìn)過(guò)程中容易加劇碳化硅襯底的裂片問題，且該技術(shù)受到嚴(yán)格的專利保護(hù)，國(guó)內(nèi)廠商較難復(fù)制。

英飛凌冷切割技術(shù)

2018年11月，英飛凌耗資1.24億歐元（約9.45億人民幣），收購(gòu)了一家晶圓切割公司Siltectra。Siltectra成立于2010年，它研發(fā)的冷切割（Cold Split）晶圓技術(shù)，可將各種類型的晶錠分割成晶圓。

與DISCO技術(shù)類似，冷切割技術(shù)先用激光照射晶錠形成剝落層，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，然后通過(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。

該技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：1）每片晶圓總切口損失小于100μm；2）SiC晶圓的良率提高90%；3）該技術(shù)大幅減少了SiC晶圓生產(chǎn)過(guò)程中的原材料損耗，可以提供3倍的材料，最終SiC器件產(chǎn)能提高近2倍，成本降低20-30%。以單個(gè)20mm的SiC晶錠為例，采用多線切割技術(shù)可生產(chǎn)30片350μｍ的晶圓，而采用冷切技術(shù)能將單片晶圓厚度減少到200μｍ，晶圓產(chǎn)量提高到超80片。

如果再結(jié)合Cold Split背面減薄和回收殘留晶圓，這個(gè)晶圓數(shù)量可以高達(dá)100片。總的來(lái)說(shuō)，相同的SiC晶錠下，它可以生產(chǎn)三倍以上的晶圓，從而為最終器件提供足夠的材料。

國(guó)內(nèi)碳化硅激光切割方案

大族激光：碳化硅改質(zhì)切割原理

目前，國(guó)內(nèi)大族激光的碳化硅晶錠激光切片機(jī)正在客戶處驗(yàn)證。近期，大族激光也在官微分享了其改質(zhì)切割技術(shù)的流程及成果。

改制切割是一種將半導(dǎo)體晶圓分離成單個(gè)芯片或晶粒的激光技術(shù)。該過(guò)程是使用精密激光束在晶圓內(nèi)部形成改質(zhì)層，使晶圓可以通過(guò)輕微外力沿激光掃描路徑精確分離。

碳化硅改質(zhì)切割一般為激光掃描以及以三點(diǎn)折彎為主要原理的機(jī)械劈裂兩個(gè)步驟。激光掃描就是形成改質(zhì)層的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程里激光在指定位置精確地誘導(dǎo)材料內(nèi)部的微裂紋，均勻分布的微裂紋在材料中存在時(shí)，會(huì)使應(yīng)力場(chǎng)（熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等）在微裂紋周圍產(chǎn)生集中效應(yīng)，當(dāng)機(jī)械劈裂施加折彎應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力會(huì)因?yàn)楦馁|(zhì)層的存在而誘導(dǎo)到指定位置產(chǎn)生裂紋的擴(kuò)展，從而完成晶粒的精確分離。

工藝流程：

加工效果：

以上，綜合考慮性能和成本，市場(chǎng)認(rèn)為襯底切割技術(shù)排序?yàn)椋杭す馇懈?gt;金剛線切割>砂漿切割。

目前國(guó)內(nèi)廠商已經(jīng)掌握砂漿切割技術(shù)，但砂漿切割存在損耗大、效率低等問題，正在逐漸被金剛線切割技術(shù)迭代，同時(shí)，激光技術(shù)是性能和成本表現(xiàn)最佳的碳化硅襯底切割技術(shù)，激光切割的性能和效率優(yōu)勢(shì)突出，同時(shí)采購(gòu)設(shè)備后不需要持續(xù)采購(gòu)耗材，具有成本優(yōu)勢(shì)。

碳化硅的硬度達(dá)9.5，激光切割技術(shù)要求較高，目前僅有日本DISCO和英飛凌掌握可應(yīng)用于大尺寸襯底的激光切割設(shè)備，國(guó)內(nèi)激光設(shè)備廠商綜合技術(shù)水平目前仍有限，且后續(xù)還需要持續(xù)突破大尺寸碳化硅襯底激光切割帶來(lái)的技術(shù)難題。

但目前看起來(lái)，國(guó)產(chǎn)大族、英諾、晟光硅研等多個(gè)激光設(shè)備的公司已有設(shè)備在國(guó)產(chǎn)襯底公司處驗(yàn)證，在國(guó)產(chǎn)襯底企業(yè)的持續(xù)推動(dòng)下，國(guó)產(chǎn)激光設(shè)備也將加快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的量產(chǎn)銷售。

本文參考：國(guó)君中小盤研究周天樂、趙文通

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