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隨著5G通信、新能源汽車和電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件的需求顯著增長(zhǎng)。第一代和第二代半導(dǎo)體材料的工藝逐漸逼近其物理極限，摩爾定律也逐漸失效。在此背景下，第三代半導(dǎo)體技術(shù)有望突破傳統(tǒng)技術(shù)的瓶頸，成為第一、二代半導(dǎo)體的有力補(bǔ)充。碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料，因其具備寬帶隙、高擊穿電場(chǎng)、高電子遷移率以及優(yōu)良的熱導(dǎo)率等特性，展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。
從碳化硅原材料到功率半導(dǎo)體器件的制造涉及多個(gè)關(guān)鍵步驟，包括單晶生長(zhǎng)、晶錠切割、外延生長(zhǎng)以及晶圓設(shè)計(jì)、制造和封裝等工藝。SiC粉末經(jīng)過合成后，首先制備成碳化硅晶錠，隨后通過切片、研磨、拋光和清洗等流程制成碳化硅襯底。接著，通過外延生長(zhǎng)形成外延片，再經(jīng)光刻、刻蝕、離子注入和金屬鈍化等工序制造出SiC晶圓。最終，通過晶圓劃片工藝得到芯片，并進(jìn)一步封裝成功率器件。
碳化硅半導(dǎo)體功率器件工藝圖 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)
在這些工藝中，晶體生長(zhǎng)和晶圓切割是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，約占整個(gè)SiC器件制造成本的47%。這兩個(gè)步驟技術(shù)門檻高，附加值大，也是實(shí)現(xiàn)SiC大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的核心所在。由于碳化硅具有極高的硬度（莫氏硬度超過9，僅次于金剛石）、較大的脆性以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，成為加工難度較大的材料之一。
當(dāng)前，工業(yè)界在SiC晶錠切割中應(yīng)用了多種工藝，包括金剛石線鋸切割、受控剝落、電火花切割及激光切割等。其中，金剛石線鋸和刀片切割最為常見。這類傳統(tǒng)機(jī)械切割方法具有成本低廉、設(shè)備要求簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)金剛石切割工具相對(duì)易于獲取。然而，傳統(tǒng)SiC機(jī)械切割仍存在諸多問題，如刀具磨損嚴(yán)重、晶片易產(chǎn)生裂紋、表面粗糙度較高以及切縫損耗較大等。為解決這些問題，研究人員仍需不斷探索新型切割工藝和工具，以進(jìn)一步提升切割質(zhì)量和效率。
激光輔助脆性材料切片技術(shù)的相關(guān)研究
自20世紀(jì)60年代第一臺(tái)激光器問世以來，激光技術(shù)得到了不斷的發(fā)展，衍生出多種類型的激光器，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、通信、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域。進(jìn)入21世紀(jì)后，超快激光技術(shù)迅速發(fā)展，逐步催生了皮秒、飛秒和阿秒級(jí)激光。然而，阿秒激光由于成本高昂，尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，未能得到大規(guī)模的應(yīng)用。
在碳化硅（SiC）晶錠的切片加工中，傳統(tǒng)的機(jī)械切割方法仍是工業(yè)界的主流。為提高加工質(zhì)量和效率，研究人員不斷提出創(chuàng)新方法，嘗試將先進(jìn)工藝與傳統(tǒng)切割技術(shù)相結(jié)合，改進(jìn)刀具性能，或開發(fā)新的加工工藝。例如，Hiroto Maeda等人通過結(jié)合高速多線鋸與電鍍金剛石絲進(jìn)行SiC晶錠切割，成功實(shí)現(xiàn)了每分鐘0.6毫米的高速切割，發(fā)現(xiàn)提高線材速度和增加金剛石濃度有助于減少切割損傷。Lun Li等人則通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析研究了超聲激勵(lì)線鋸切割的運(yùn)動(dòng)特性，并建立了SiC單晶的有限元仿真模型。Lutao Yan等為了提升金剛石線鋸的切割性能，采用三維超聲振動(dòng)輔助切割，并利用仿真模型預(yù)測(cè)了切削力，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)能夠顯著降低橫向和縱向的切削力。Norimasa Yamamoto等提出了一種旋轉(zhuǎn)式電火花切割工藝，成功切割了2英寸的SiC晶錠，并將切割損耗控制在350微米左右。Yoshida Masahiro等人對(duì)比分析了油水型電火花切割SiC的加工特性，得出水型電火花切割的去除率比油型高出1.1倍，但切縫損耗高30%，表面粗糙度增加了3倍。
雖然上述研究在一定程度上改進(jìn)了切割速度和表面粗糙度，但傳統(tǒng)線鋸切割仍存在切縫損耗較高（材料損耗超過45%）、表面粗糙度Ra超過3.4微米，以及難以進(jìn)行超薄晶圓切片的不足。
為克服這些問題，超短脈沖激光因其獨(dú)特的加工優(yōu)勢(shì)成為SiC晶錠切割的理想選擇。它能夠避免傳統(tǒng)機(jī)械切割中切縫材料的浪費(fèi)以及刀具與晶片直接接觸導(dǎo)致的高表面粗糙度問題。Marko Swoboda等人首次提出了激光輔助晶圓冷裂工藝，通過激光掃描在預(yù)定厚度位置形成損傷層，再利用晶錠表面涂覆的高分子材料在驟冷環(huán)境下裂片，成功用于Si、藍(lán)寶石和熔融石英等材料的剝離。李斌等人通過激光冷分離技術(shù)對(duì)SiC晶棒進(jìn)行切割，分析了該工藝的關(guān)鍵難點(diǎn)，認(rèn)為激光加工是最核心的環(huán)節(jié)。Wenhao Geng等人結(jié)合飛秒激光與帶隙選擇性PEC刻蝕法，對(duì)4H-SiC進(jìn)行剝離，利用能量差實(shí)現(xiàn)了HF溶液中的選擇性損壞。Kosuke Sakamoto等人開發(fā)了一種基于皮秒激光的金剛石切割技術(shù)，通過限制裂紋在{111}解理面方向擴(kuò)展，成功實(shí)現(xiàn)了沿{100}方向的裂紋控制。Hanwen Wang等人研究了表面預(yù)處理對(duì)4H-SiC激光加工與剝離的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理能有效提升切片質(zhì)量。Eunho Kim等人利用800 nm、1 kHz的雙脈沖飛秒激光對(duì)4H-SiC進(jìn)行了掃描剝離，成功獲得了均方根粗糙度為5微米、切削損耗小于24微米的剝離表面。
激光輔助晶圓冷裂工藝 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)
隱形切割技術(shù)與激光輔助晶圓切割技術(shù)有許多相似之處，二者均通過激光在材料內(nèi)部形成損傷層。在激光輔助晶圓切割過程中，隱形切割技術(shù)對(duì)改性層的形成具有重要的參考價(jià)值。然而，隱形切割中的損傷層裂紋需要沿著激光的入射方向擴(kuò)展，而激光輔助晶圓切割中的裂紋則沿著與激光入射和掃描方向垂直的方向擴(kuò)展。
隱形切割工藝 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)
關(guān)于隱形切割技術(shù)，已有大量研究成果
例如，Qiuling Wen等利用紅外皮秒激光對(duì)4H-SiC進(jìn)行了隱形切割，分別在Si面和C面沿{1120}和{1100}方向進(jìn)行激光掃描加工，隨后采用三點(diǎn)彎曲法劈裂。研究發(fā)現(xiàn)，沿{1120}方向改性后的臨界斷裂載荷小于沿{1100}方向的改性，表明切割質(zhì)量和臨界斷裂載荷與晶體取向密切相關(guān)。Caterina Gaudiuso等使用脈寬200 fs、波長(zhǎng)1030 nm的激光設(shè)備對(duì)石英進(jìn)行隱形切割，分析了激光參數(shù)對(duì)切割效果的影響，并揭示了其機(jī)理。研究指出，激光在石英內(nèi)部聚焦加工時(shí)，產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力松弛后導(dǎo)致拉應(yīng)力，從而在焦點(diǎn)附近引發(fā)微小裂紋，使材料能夠沿激光傳播方向剝離。
Zhaoqing Li等通過20°軸向凸透鏡產(chǎn)生高度均勻的貝塞爾光束，對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行了隱形切割，分析了貝塞爾光束掃描速度對(duì)藍(lán)寶石薄片抗彎強(qiáng)度及側(cè)壁粗糙度的影響。Kai Liao等利用皮秒激光的貝塞爾光束對(duì)二氧化硅玻璃進(jìn)行隱形切割，分析了點(diǎn)間距、激光功率及離焦距離等參數(shù)對(duì)材料橫截面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)離焦距離是影響切割質(zhì)量的主要因素。Z-Q. Li等通過飛秒激光貝塞爾光束對(duì)石英玻璃進(jìn)行隱形切割，在0.5毫米和1毫米厚的石英玻璃上成功實(shí)現(xiàn)了垂直切割，且切割過程中無切縫損耗、切割表面無碎屑和裂紋。
劉成群等通過對(duì)比隱形切割與傳統(tǒng)機(jī)械劃切，深入分析了隱形切割中的激光參數(shù)，并介紹了該技術(shù)在MEMS器件晶圓劃片中的應(yīng)用。宋燕國(guó)等利用高能皮秒激光對(duì)SiC晶圓進(jìn)行隱形切割，調(diào)整激光參數(shù)以觀察表面形貌、邊緣直線度及表面粗糙度等，最終確定了最佳的切割參數(shù)，驗(yàn)證了其切割質(zhì)量?jī)?yōu)于其他研究成果。
Peng Liu等人通過結(jié)合飛秒激光與光纖激光器的多焦點(diǎn)分離系統(tǒng)，開發(fā)了激光多焦點(diǎn)分離技術(shù)（LMFS），成功分離了厚度達(dá)50毫米的KDP晶體，展示了超短脈沖激光在脆性材料分離中的卓越表現(xiàn)。Leimin Deng等人則通過雙激光束分離（DLBS）技術(shù)提升了KDP晶體分離的質(zhì)量和尺寸控制，展示了該技術(shù)在精密分離領(lǐng)域的潛力。
上述研究表明，超短脈沖激光在脆性材料加工中的應(yīng)用潛力巨大，特別是在通過精確控制激光參數(shù)以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量分離和切割方面，具有顯著優(yōu)勢(shì)。超短脈沖激光輔助SiC晶圓切片技術(shù)正是這種應(yīng)用的典型代表。由于SiC具有高硬度和脆性，傳統(tǒng)的機(jī)械切割方法容易導(dǎo)致裂紋和表面粗糙度高等問題，而超短脈沖激光切割能夠避免這些缺陷，確保超薄晶圓切割的精度，同時(shí)顯著降低表面粗糙度和切縫損耗，從而大幅提升加工質(zhì)量和效率。盡管該技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，近年來針對(duì)其在SiC晶圓切割中的研究報(bào)道仍較為稀少，值得進(jìn)一步關(guān)注和深入研究。（來源：DT半導(dǎo)體）
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