在碳化硅生產(chǎn)流程中，碳化硅襯底制備是最核心環(huán)節(jié)，技術(shù)壁壘高，難點(diǎn)主要在于晶體生長(zhǎng)和切割。單晶生長(zhǎng)后，將生長(zhǎng)出的晶體切成片狀，由于碳化硅的莫氏硬度為9.2，僅次于金剛石，屬于高硬脆性材料，因此切割過程耗時(shí)久，易裂片。實(shí)現(xiàn)切割損耗小、并且切割出厚度均勻、翹曲度小的高質(zhì)量SiC晶片是目前面臨的重要技術(shù)難點(diǎn)。
一、碳化硅晶體切割技術(shù)種類
20?世紀(jì) 80?年代以前，高硬脆材料一般采用涂有金剛石微粉的內(nèi)圓鋸進(jìn)行切割。由于內(nèi)圓鋸切割的切縫大、材料損耗多，且對(duì)高硬脆材料的切割尺寸有限制，從 20?世紀(jì) 90?年代中期開始，切縫窄、切割厚度均勻且翹曲度較低的線鋸切割方式逐步發(fā)展起來(lái)。線鋸切割以鋼線做刃具，主要分為游離磨料（砂漿線切割）和固結(jié)磨料切割（金剛石線鋸切割技術(shù)）兩類。
圖??碳化硅晶體和襯底晶片，來(lái)源：重投天科半導(dǎo)體
目前，碳化硅晶體的切割技術(shù)有：金剛石線切割（固結(jié)磨料線鋸切割）、砂漿線切割（游離磨料線鋸切割）、激光切割。線鋸切割技術(shù)成熟，是主流切割技術(shù)。
1、砂漿線切割
砂漿切割技術(shù)指一種切割高硬脆材料的切割工藝技術(shù)。該工藝以鋼線為基體，莫氏硬度為 9.5 的碳化硅（SiC）作為切割刃料，鋼線在高速運(yùn)動(dòng)過程中帶動(dòng)切割液和碳化硅混合的砂漿進(jìn)行摩擦，利用碳化硅的研磨作用達(dá)到切割效果。砂漿線切割技術(shù)中，砂漿是磨粒的載體，對(duì)懸浮于其中的磨粒起到穩(wěn)定分散的作用，因此需要一定的黏度，同時(shí)砂漿還需要帶動(dòng)磨粒隨線鋸一起運(yùn)動(dòng)，因此需要具有較好的流動(dòng)性，還應(yīng)具有較好的導(dǎo)熱性防止切片溫度過高，在實(shí)際應(yīng)用中一般選擇聚乙二醇（PEG）作為磨粒的分散劑。
圖?砂漿切割原理示意圖
砂漿切割技術(shù)具有切縫窄、切割厚度均勻等優(yōu)點(diǎn)，適用于硅材料和SiC切片，但存在加工效率低、磨粒利用率低、對(duì)環(huán)境不友好等缺點(diǎn)。
圖?砂漿切割示意圖
2、金剛石線切割
金剛線，或稱金剛石線、電鍍金剛線，是用電鍍的方法在鋼線基體上沉積一層金屬鎳，金屬鎳層內(nèi)包裹有金剛石微粉顆粒，從而使金剛石顆粒固結(jié)在鋼線基體上而制得的一種線性超硬材料切割工具。金剛線切割技術(shù)指以金剛線為切割工具，配合專用的切割設(shè)備和適合的切割工藝，實(shí)現(xiàn)硬脆材料切割加工的技術(shù)。
圖?金剛線切割原理示意圖
圖?金剛線切割示意圖
※超聲復(fù)合線鋸：超聲輔助的金剛線切割
3、激光切割
激光剝離技術(shù)是將激光聚焦到晶圓表面以下，在碳化硅晶錠內(nèi)部不同深度處進(jìn)行逐層掃描生成單道或者多道改質(zhì)層，之后，在外張力作用下，改質(zhì)層裂紋沿垂直于晶圓表面方向擴(kuò)展，使晶圓由內(nèi)向外劈裂，從而在碳化硅晶錠上剝離出晶圓。碳化硅的激光切割一般使用皮秒紅外激光器作為光源，近紅外波長(zhǎng)能夠更好的透過碳化硅并聚焦在材料內(nèi)部形成改質(zhì)區(qū)。這種技術(shù)具有材料損耗低、加工效率高、出片數(shù)量多等優(yōu)勢(shì)，有望成為金剛線切割技術(shù)的理想替代方案。
圖??DISCO?KABRA?激光剝離技術(shù)
據(jù)DISCO官網(wǎng)介紹，其 KABRA 激光剝離技術(shù)6英寸SiC晶錠上切割一個(gè)晶片需要10min（一個(gè)晶錠需要31h），而傳統(tǒng)技術(shù)則需要3.1h（一個(gè)晶錠需要100h），單個(gè)晶錠可生產(chǎn)的晶片數(shù)量是現(xiàn)有工藝的 1.4 倍。
圖 ?英飛凌冷切割（cold?split）技術(shù)
2018年，英飛凌耗資1.24億歐元收購(gòu)了一家名為SILTECTRA的晶圓切割公司，其核心技術(shù)“冷切割（cold split）”，采用低溫和激光技術(shù)切出晶圓片，相比于鋸切割對(duì)于材料的損耗幾乎可以忽略不計(jì)。通過晶錠的切片和背部減薄的切割方法，冷切割技術(shù)理論上可以達(dá)到傳統(tǒng)晶圓處理方法4倍的利用率。不僅如此，冷切割技術(shù)還可以用于GaN晶錠的生產(chǎn)過程中。英飛凌目前已經(jīng)在晶錠的切片過程中開始試產(chǎn)冷切割技術(shù)，未來(lái)兩年會(huì)繼續(xù)把冷切割技術(shù)用到背部減薄工藝中去。
圖 微射流激光技術(shù)工作圖和加工裝置示意圖
二、碳化硅晶體切割設(shè)備供應(yīng)商
公司名字 | 產(chǎn)品 |
日本東洋先進(jìn)機(jī)床有限公司 | 金剛石線切割 |
日本株式會(huì)社安永 | 金剛石線切割 |
中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所 | 金剛石線切割 |
青島高測(cè)科技股份有限公司（688556） | 金剛石線切割 |
煙臺(tái)力凱數(shù)控科技有限公司 | 金剛石線切割 |
弘元綠色能源股份有限公司 | 金剛石線切割 |
大連連城數(shù)控機(jī)器股份有限公司 | 金剛石線切割 |
美國(guó)PSS集團(tuán)（Precision?Surfacing?Solutions） | 金剛石線切割 |
日本DISCO | 激光切割 |
英飛凌 | 激光切割 |
蘇州德龍激光股份有限公司 | 激光切割 |
中國(guó)電科第二研究所 | 激光切割 |
華工激光 | 激光切割 |
大族激光 | 激光切割 |
西湖儀器（杭州）技術(shù)有限公司 | 激光切割 |
西安晟光硅研半導(dǎo)體科技有限公司 | 微射流激光切割 |
日本高鳥（Takatori） | 砂漿線切割 |
湖南宇晶機(jī)器股份有限公司 | 砂漿線切割 |
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原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：碳化硅襯底切割技術(shù)及供應(yīng)商名單