中國粉體網訊  在半導體產業(yè)中，大尺寸半導體單晶材料的高質量切片是芯片制造的關鍵前置工序。傳統(tǒng)的切片技術如多線切割技術在加工大尺寸半導體單晶，尤其是像碳化硅這類高硬度的脆性材料時，面臨著材料損耗率高、加工周期長、表界面粗糙度高以及污染嚴重等問題。切片性能決定后續(xù)薄化、拋光加工水平，且切片加工易在晶片表面和亞表面產生裂紋，導致晶片破片率和制造成本增加，所以控制晶片表層裂紋損傷對推動碳化硅器件制造技術發(fā)展意義重大，正因如此，激光切片技術成為研究熱點。

1.痛點問題

（1）傳統(tǒng)多線切割技術材料損耗率高。由于碳化硅是高硬度的脆性材料，切磨拋的加工難度增加，加工過程中其曲翹開裂等問題嚴重，損耗巨大。據有關數據，在傳統(tǒng)的往復式金剛石固結磨料多線切割方法下，在切割環(huán)節(jié)對整體材料利用率僅有50%，經過拋光研磨環(huán)節(jié)后，切損耗比例則高達75%（單片總損耗～250um），可用部分比例較低。

（2）傳統(tǒng)多線切割技術加工周期長，產率低。國外生產統(tǒng)計顯示，24小時連續(xù)并行生產，10000片生產時間約273天。要想滿足市場需求，需要大量的線切割設備和耗材，而且線切割技術表界面粗糙度高、污染嚴重（粉塵、污水等）。

2.解決方案

激光切片技術主要利用激光的高能量密度特性，在半導體單晶材料上產生瞬間的高溫，使材料迅速熔化、蒸發(fā)或分解，從而實現切割。根據不同的材料特性和切割要求，可以采用不同的激光切割方式，如激光熱裂法、激光燒蝕法等。

碳化硅襯底除了“如何增產”，更應該思考的是“如何節(jié)約”。采用激光切片設備可以大大的降低損耗，提升產率。以單個20毫米SiC晶錠為例，采用線鋸可生產30片350um的晶圓，而用激光切片技術可生產50多片晶圓。同時，由于激光切片生產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，這就進一步增加了晶圓數量，單個20毫米SiC晶錠可以生產80多片晶圓。

3. 競爭優(yōu)勢分析

目前修教授團隊已完成大尺寸原型激光切片設備的研發(fā)，實現了4-6英寸半絕緣碳化硅晶圓的切割減薄、6英寸導電型碳化硅晶錠的切片，正在進行8英寸晶錠切片驗證。激光切片技術對比傳統(tǒng)多線切割技術主要優(yōu)點如下： 

（1）高效率：激光切片的速度快，能夠在短時間內完成對大尺寸半導體單晶材料的切割，大大提高了生產效率。例如，對于半絕緣/導電型6英寸的碳化硅晶錠，單片的激光切割時間不超過15分鐘，而傳統(tǒng)的多線切割技術則需要數小時，單臺年產晶片>30000片。

（2）高材料利用率：相比傳統(tǒng)的多線切割技術，激光切片技術能夠更精確地控制切割的深度和寬度，減少材料的損耗。例如，在加工碳化硅晶錠時，激光切片技術可以將材料的利用率提高到80%以上，而傳統(tǒng)的多線切割技術的材料利用率僅為50%左右。半絕緣碳化硅晶錠單片損耗≤30um；導電型單片損耗≤60um，產片率提升>50%。

（3）高質量：激光切片技術可以有效控制晶片表層的裂紋損傷，提高切割后的晶片的質量和表面平整度，有利于后續(xù)的薄化、拋光等加工工序。

（4）靈活性高：激光切片技術可以實現對各種形狀和尺寸的半導體單晶材料的切割，包括異形片的加工，具有很高的靈活性和適應性。

4. 市場應用前景

激光切片技術能夠有效解決傳統(tǒng)切割技術的痛點，提高材料的利用率和生產效率，對于推動半導體器件制造技術的發(fā)展、降低芯片生產成本以及滿足日益增長的半導體市場需求具有重大意義。大尺寸碳化硅激光切片設備是未來8英寸碳化硅晶錠切片的核心設備。目前大尺寸碳化硅晶錠激光切片設備僅日本能提供，價格昂貴且對中國禁運。據調研，激光切片/減薄設備國內需求超過1000臺以上，目前大族激光、德龍激光等公司已經投入巨資開發(fā)相關產品，但尚未有商品化國產成熟設備銷售。本項目研發(fā)的設備不僅用于碳化硅晶錠切割和晶片減薄，也可以用于氮化鎵、氧化鎵、金剛石等激光加工。

2024年12月24日，中國粉體網將在河南·鄭州舉辦“2024半導體行業(yè)用金剛石材料技術大會”。屆時，我們邀請到南京大學修向前教授出席本次大會并作題為《大尺寸半導體單晶激光切片設備與技術研究》的報告，修教授將為您具體介紹大尺寸半導體單晶激光切片設備的研究進展及規(guī)模化應用展望。

個人簡歷：

修向前，南京大學電子科學與工程學院教授、博士生導師，國家重點研發(fā)計劃項目首席科學家，長期從事寬禁帶/超寬禁帶半導體單晶襯底設備研制與材料外延研究和應用。2017年，主持的國家重點研發(fā)計劃“第三代半導體核心關鍵裝備”獲得立項。近5年，主持/參與863計劃、973、國家自然科學基金、國家自然科學基金重大項目、江蘇省自然科學基金等項目共10余項。共發(fā)表SCI/EI等學術論文80余篇，其中SCI論文60余篇。已獲得授權國家發(fā)明專利31項（第一發(fā)明人20余項），申請國家發(fā)明專利30余項。編寫論著9章。

參考來源：

南大雙創(chuàng)公眾號：大尺寸碳化硅激光切片設備與技術成果推介

中國電子科技集團有限公司官網

（中國粉體網編輯整理/留白）

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