中国粉体网讯 在半导体产业中，大尺寸半导体单晶材料的高质量切片是芯片制造的关键前置工序。传统的切片技术如多线切割技术在加工大尺寸半导体单晶，尤其是像碳化硅这类高硬度的脆性材料时，面临着材料损耗率高、加工周期长、表界面粗糙度高以及污染严重等问题。切片性能决定后续薄化、抛光加工水平，且切片加工易在晶片表面和亚表面产生裂纹，导致晶片破片率和制造成本增加，所以控制晶片表层裂纹损伤对推动碳化硅器件制造技术发展意义重大，正因如此，激光切片技术成为研究热点。
1.痛点问题
（1）传统多线切割技术材料损耗率高。由于碳化硅是高硬度的脆性材料，切磨抛的加工难度增加，加工过程中其曲翘开裂等问题严重，损耗巨大。据有关数据，在传统的往复式金刚石固结磨料多线切割方法下，在切割环节对整体材料利用率仅有50%，经过抛光研磨环节后，切损耗比例则高达75%（单片总损耗～250um），可用部分比例较低。
（2）传统多线切割技术加工周期长，产率低。国外生产统计显示，24小时连续并行生产，10000片生产时间约273天。要想满足市场需求，需要大量的线切割设备和耗材，而且线切割技术表界面粗糙度高、污染严重（粉尘、污水等）。
2.解决方案
激光切片技术主要利用激光的高能量密度特性，在半导体单晶材料上产生瞬间的高温，使材料迅速熔化、蒸发或分解，从而实现切割。根据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，如激光热裂法、激光烧蚀法等。
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。
3. 竞争优势分析
目前修教授团队已完成大尺寸原型激光切片设备的研发，实现了4-6英寸半绝缘碳化硅晶圆的切割减薄、6英寸导电型碳化硅晶锭的切片，正在进行8英寸晶锭切片验证。激光切片技术对比传统多线切割技术主要优点如下：
（1）高效率：激光切片的速度快，能够在短时间内完成对大尺寸半导体单晶材料的切割，大大提高了生产效率。例如，对于半绝缘/导电型6英寸的碳化硅晶锭，单片的激光切割时间不超过15分钟，而传统的多线切割技术则需要数小时，单台年产晶片>30000片。
（2）高材料利用率：相比传统的多线切割技术，激光切片技术能够更精确地控制切割的深度和宽度，减少材料的损耗。例如，在加工碳化硅晶锭时，激光切片技术可以将材料的利用率提高到80%以上，而传统的多线切割技术的材料利用率仅为50%左右。半绝缘碳化硅晶锭单片损耗≤30um；导电型单片损耗≤60um，产片率提升>50%。
（3）高质量：激光切片技术可以有效控制晶片表层的裂纹损伤，提高切割后的晶片的质量和表面平整度，有利于后续的薄化、抛光等加工工序。
（4）灵活性高：激光切片技术可以实现对各种形状和尺寸的半导体单晶材料的切割，包括异形片的加工，具有很高的灵活性和适应性。
4. 市场应用前景
激光切片技术能够有效解决传统切割技术的痛点，提高材料的利用率和生产效率，对于推动半导体器件制造技术的发展、降低芯片生产成本以及满足日益增长的半导体市场需求具有重大意义。大尺寸碳化硅激光切片设备是未来8英寸碳化硅晶锭切片的核心设备。目前大尺寸碳化硅晶锭激光切片设备仅日本能提供，价格昂贵且对中国禁运。据调研，激光切片/减薄设备国内需求超过1000台以上，目前大族激光、德龙激光等公司已经投入巨资开发相关产品，但尚未有商品化国产成熟设备销售。本项目研发的设备不仅用于碳化硅晶锭切割和晶片减薄，也可以用于氮化镓、氧化镓、金刚石等激光加工。
2024年12月24日，中国粉体网将在河南·郑州举办“2024半导体行业用金刚石材料技术大会”。届时，我们邀请到南京大学修向前教授出席本次大会并作题为《大尺寸半导体单晶激光切片设备与技术研究》的报告，修教授将为您具体介绍大尺寸半导体单晶激光切片设备的研究进展及规模化应用展望。
个人简历：
修向前，南京大学电子科学与工程学院教授、博士生导师，国家重点研发计划项目首席科学家，长期从事宽禁带/超宽禁带半导体单晶衬底设备研制与材料外延研究和应用。2017年，主持的国家重点研发计划“第三代半导体核心关键装备”获得立项。近5年，主持/参与863计划、973、国家自然科学基金、国家自然科学基金重大项目、江苏省自然科学基金等项目共10余项。共发表SCI/EI等学术论文80余篇，其中SCI论文60余篇。已获得授权国家发明专利31项（第一发明人20余项），申请国家发明专利30余项。编写论著9章。
参考来源：
南大双创公众号：大尺寸碳化硅激光切片设备与技术成果推介
中国电子科技集团有限公司官网
（中国粉体网编辑整理/留白）
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