碳化硅晶圆片划片切割方法

文章作者：小编浏览次数：发表时间：2025-08-07 21:46:51

　　碳化硅功率器件的制造流程极其复杂，通常包含上百道工序，可简单分为单晶碳化硅晶圆片的制造、前端工艺和后端工艺三个步骤。其中，单晶碳化硅晶圆片的制造主要包括晶锭拉伸、晶锭切片等工艺流程，目标获得一定厚度的高质量碳化硅晶圆片。而晶圆划片切割工序是连接前端和后端工艺的一个重要工艺流程。

　　目前芯片始终朝着集成度更高和面积更小的方向发展，因此，如何提高晶圆的利用率尤为关键。为提高晶圆利用率和降低成本，需要减小切割道宽度，但这增加了切割难度和热损伤风险。当前碳化硅晶圆主要采用刀轮切割，但因其高硬脆性，导致碎片率高、刀具损耗大、切割速度慢（5mm/s）、效率低。为解决上述问题，研究者们提出了激光烧蚀、激光热裂解、水导激光切割、水射流辅助激光切割与激光内部改质切割等非接触式划片方法。

　　刀轮划片切割是目前工业界应用最广泛的划片工艺，其加工机理及工艺均较为成熟。经过多年研究，刀轮划片的去除机理已被广泛研究。然而，针对碳化硅的高硬脆性，目前仍难以避免崩边和裂纹的形成，良品率低。由于该方法存在诸多劣势，为了提高加工质量与效率，其他非接触式加工方法被广泛提出。

　　激光烧蚀是机械晶圆切割的替代方法。激光烧蚀切割方法的加工原理是将光束聚焦于材料表面，材料吸收激光能量，晶格中原子产生受迫震荡，热运动加速，产生热量，当输入能量大于材料烧蚀阈值时，材料受热熔化、气化后被去除。

　　目前而言，激光烧蚀切割扫描速度最大可达1000mm/s，加工速度快，然而，该方法仍以材料去除为主，需将激光扫描区域材料全部气化，过高的热输入往往会引起极大的热影响区、热裂纹等热损伤，降低了切缝质量。

　　水导激光切割技术，又称激光微射流技术。水导激光切割原理是使用一束水射流作为激光的传输媒质，该水射流束垂直于材料表面，激光传输至水射流束内部后，在空气与流束界面形成全反射，激光多次反射后其能量由高斯分布转化为平顶分布，随后作用在工件表面。

　　水导激光加工质量优于激光烧蚀，但加工效率远低于激光烧蚀。目前国际上主要的激光水柱集中在150mm-200mm左右，对大尺寸的SiC晶圆切割，还有一定的技术瓶颈，但6英寸以内的已无技术瓶颈。

　　水射流辅助激光技术区别水导激光技术在于，其高压水射流束与激光束分离，不共轴。

　　水射流辅助激光切割技术与水导激光的优缺点相近，均能有效降低激光的热效应，但是均受限于低实用性与低加工效率，暂时难以在碳化硅晶圆切割领域广泛推广使用。该技术主要是瑞士Synova西诺瓦公司在专门从事水导激光的研发和产业化，国内主要是东北院系的哈工大和长春理工、西安的西电等高校在积极研发。

　　激光热裂解技术分为两步实施：首先，激光辐照材料表面，材料吸收激光能量后迅速升温，产生热膨胀挤压周围未受热材料，形成压应力作用；其次，随着激光扫描的进行，材料高温区域的温度因热传导与热对流逐步下降，产生温度梯度，在材料内部形成拉应力作用。当内部的局部应力超过材料的强度因子时，裂纹尖端开始扩张与扩展。

　　激光改质切割是使用特定波长的激光束通过透镜聚焦在晶圆内部，产生局部形变层即改质层，该层主要是由孔洞、高位错密度层以及裂纹组成。改质层是后续晶圆切割龟裂的起始点，可通过优化激光和光路系统使改质层限定在晶圆内部，对晶圆表面和底面不产生热损伤，再借用外力将裂纹引导至晶圆表面和底面进而将晶圆分离成需要的尺寸。

　　在实际生产中，根据晶圆厚度和解理特性的不同，可进行单层或多层改质。例如针对厚度在50μｍ左右的超薄晶圆，一层改质层即可裂片，而对于350μｍ厚的晶圆，则需要在厚度方向不同位置多层改质才能裂片。

　　目前工业中碳化硅晶圆的划片切割方法仍以金刚石刀轮划切为主，然而该方法切割效率低、对晶圆片与刀轮均损耗大，极大的增加了碳化硅功率器件的生产成本；激光烧蚀切割技术虽然加工速度快，但其切割质量较低，且对晶圆片损耗较大；水导激光切割与水射流辅助激光切割虽然切割质量较高，但是其加工速度较低，且实用性较差；激光热裂解技术加工速度虽仅次于激光烧蚀与激光内部改质切割技术，然而存在裂纹不稳定扩展阶段，裂纹调控难度大。激光内部改质切割技术的加工速度快，且超短脉冲光源热输入低，加工精度高，对透明碳化硅晶圆材料加工具有明显的优势，有望成为碳化硅晶圆划片切割未来的主流技术。

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