顺应降本增效趋势，半导体碳化硅(SiC) 衬底4种切割技术详解

碳化硅衬底切割技术是将SiC晶锭沿着一定的方向切割成晶体薄片的过程。将SiC晶锭切成翘曲度小、厚度均匀的晶片。切割方式和切割质量影响晶片的厚度、粗糙度、尺寸、耗损度及生产成本等。

在碳化硅器件成本中，衬底占比47%左右，是价值量最高的原材料。在衬底加工环节，由于碳化硅自身硬度大且脆性高，莫氏硬度达9.5级，仅次于钻石，在现有技术背景下，切割难度较大，破损率较高，切割成本占比达50%左右。

在降本需求催动下，需要将一个大的碳化硅（SiC）晶锭切成尽可能多的薄碳化硅（SiC）晶圆衬底，同时随着晶圆尺寸不断增大(目前8英寸晶圆已有量产，下一步将拓展12英寸晶圆的生长），这些都对切割工艺的要求提出了更高的标准。

目前主流的切割工艺大体分为多线切割和激光切割，多线切割又可细分为砂浆线切割和金刚石线切割。

来源：《碳化硅单晶衬底加工技术现状及发展趋势》，《碳化硅晶圆切割方法综述》，东吴证券研究所 

目前应用在碳化硅切割行业的是砂浆线切割和金刚石线切割。

砂浆切割切割相比于传统的切割方式，克服了一次只能切割一片的缺点，可以加工较薄的晶圆（切片厚度小于0.3 mm），具有切缝窄、切割厚度均匀、材料损耗小等优点，目前发展成熟，广泛用于单晶和多晶碳化硅片的加工。

原理是利用线锯的快速运动将切削液中的磨料颗粒带入锯缝，在切割线的压力和速度的带动下，游离的磨料颗粒在锯缝中不断滚动，从而实现材料的切割。

图：砂浆线切割示意图

利用该项技术切割碳化硅晶锭时，磨粒对切割效果有着很大的影响。碳化硅的硬度极高，切割液需要以金刚石微粉作为磨粒才能达到较为高效的切割目的。砂浆作为磨粒的载体，对悬浮于其中的磨粒起到稳定分散、带动运动的作用，因此对于其粘度和流动性有一定的要求。

缺点：切割速度低、磨粒利用率低、砂浆液难回收并且会对环境造成污染；另外在加工过程中游离的磨粒对钢线也具有磨削作用，这不仅会导致切割出来的碳化硅晶片厚度不均匀，而且会降低线锯的使用寿命。

砂浆线切割耗材：游离磨料多线切割的切割线多使用表面镀Cu的不锈钢丝(Ф150～300 μm)，单根线总长度可以达到600～800 km。砂浆主要是由10～15 μm的碳化硅或金刚石和矿物油或水按一定比例混合而成。

砂浆线切割设备供应商：日本高鸟、唐山晶玉、湖南宇晶等。

金刚石线切割是将高硬度、高耐磨性的金刚石磨粒通过电镀、树脂粘接、钎焊或机械镶嵌等方法固结在切割线上，通过金刚线的高速往返运动，磨粒直接与工件间形成相对的磨削运动，完成对SiC晶锭的切割。

图：金刚石线切割示意图

相比游离磨料线锯切割的“三体加工”，金刚石线锯切割属于“二体加工”，其加工效率是游离磨料线锯切割的数倍以上，但仍有明显缺点，切口较大，表面粗糙度较大，材料损失高达46%，切缝一般都在200μm以上。

金刚石线切割设备企业：日本东洋现金机床、美国PSS集团、高策股份、烟台力凯数控等。 

大致可分为水导激光切割和隐形切割。

图：激光切割碳化硅工序

碳化硅衬底除了“如何增产”，更应该思考的是“如何节约”。采用激光切片设备可以大大的降低损耗，提升产率。以单个20毫米SiC晶锭为例，采用线锯可生产30片350um的晶圆，而用激光切片技术可生产50多片晶圆。同时，由于激光切片生产的晶圆的几何特性更好，因此单片晶圆厚度可以减少到200 um，这就进一步增加了晶圆数量，单个20毫米SiC晶锭可以生产80多片晶圆。

水导激光切割技术（Laser MicroJet,LMJ），又称激光微射流技术。最早是由瑞士Synova西诺瓦公司基于传统钻石切割开发而来。

原理：在激光通过一个压力调制的水腔时，将激光束聚焦在一个极小的喷嘴上，从喷嘴中喷出高压水柱，在水与空气的界面处，通过折射的原理形成激光的传导，使得激光沿水流方向运动，从而通过高压水射流引导加工材料表面进行切割。

目前国际上主要的激水柱集中在150mm-200mm左右，该技术在大尺寸的碳化硅（SiC）晶圆切割上，还有一定的技术瓶颈，但是6寸以内的已无技术瓶颈。

图：碳化硅冷切割流程图

水导激光的主要优势在于切割质量（切割端面的粗糙度），水流不仅能冷却切割区，降低材料热变形和热损伤，还能带走加工碎屑，相较金刚线切割，它的速度明显加快，且端面粗糙度普遍集中在Ra＜1μm范围内。但由于水对不同波长的激光吸收率不同，目前最主要的应用是1064nm、532nm、355nm的绿激光，即使使用绿光激光器，其传导率也基本上只有40%的激光功率。

国内技术发展相对较，主要是哈工大和长春理工、西电等高校在积极研发，目前可实现产业化的喷嘴是80μm（西诺瓦为50μm），并有望在近几年实现校企合作的产业化，如哈工大产业化的哈焊研究院、西电产业化的晟光硅研等。

性能：