中国粉体网讯 2024年12月24日，由中国粉体网主办的“2024半导体行业用金刚石材料技术大会”在河南郑州滨河假日酒店隆重召开。会议期间，我们邀请到多位业内专家学者做客“对话”栏目，就金刚石材料在半导体行业中的应用进展以及技术现状进行了访谈交流。本期为您分享的是中国粉体网对南京大学修向前教授的专访。
南京大学修向前教授
粉体网：修教授，碳化硅切片加工技术主要包括哪些？
修教授：碳化硅的硬度仅次于金刚石，属于高硬脆性材料，将生长出的晶体切成片状的切割过程耗时久，易裂片。作为碳化硅单晶加工过程的第一道工序，切片的性能决定了后续研磨、抛光、薄化等加工水平，切片加工易在晶片表面和亚表面产生裂纹，增加晶片的破片率和制造成本，因此控制晶片切片表层裂纹损伤，对推动碳化硅器件制造技术的发展具有重要意义。目前报道的碳化硅切片加工技术主要包括固结、游离磨料切片、激光切割、冷分离和电火花切片等，其中往复式金刚石固结磨料多线切割是最常应用于加工碳化硅单晶的方法。当晶锭尺寸达到8英寸及以上时，对线切割设备的要求很高，成本也很高，而效率太低，亟需发展低成本、低损耗、高效率的新型切割技术。
粉体网：激光切片技术对比传统多线切割技术有哪些优点？
修教授：传统线切割工艺，需要将碳化硅晶锭沿着一定方向切割成厚度几百微米的薄片，通过金刚石研磨液进行研磨，去除刀痕及表面亚表面裂纹损伤并达到所需要的厚度后，再进行CMP抛光以实现全局平坦化，最终清洗得到碳化硅晶圆。由于碳化硅是高硬度脆性材料，切磨抛时易翘曲开裂增加晶片的破片率和制造成本、表界面粗糙度高、污染严重（粉尘、污水等）等，且多线切割加工周期长、产率低。据测算，传统的多线切割方法对整体材料利用率仅有50%，抛光研磨后，切损耗比例则高达75%。国外早期生产统计显示，24小时连续并行生产，10000片生产时间约273天，耗时较长。
目前国内碳化硅长晶企业多采用“如何增产”、大幅提高长晶炉数量，其实在长晶技术未完全成熟、良率较低的情况下，更应该考虑“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。据测算，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多达50片以上晶圆。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200um，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。传统的多线切割技术在6英寸及以下尺寸的碳化硅获得广泛应用，而8英寸要切10-15天，对设备要求很高，成本也很高，而效率太低。在这种现实情况下，大尺寸激光切片的技术优势就显现出来，将成为未来8英寸切割的主流技术。激光切割8英寸碳化硅晶锭，单片切割时间可以小于20分钟/片，而单片切割损耗控制在60um以内。
总的来说，相比多线切割技术，激光切片技术具有高效快速、高产片率、低材料损耗、清洁等优势。
粉体网：碳化硅激光切割技术的主要难点是什么？
修教授：碳化硅激光切割技术主要流程就是两步：激光改质和晶片分离。
激光改质的核心是对激光光束进行整形和优化，各种参数如激光功率、光斑直径、扫描速度等都会影响碳化硅烧蚀改质以及后续晶圆分离的效果。改质区几何尺寸决定了表面粗糙度以及后续分离难度。高表面粗糙度会增加后续研磨的难度以及增大材料损耗。
激光改质后晶片分离主要采用剪切力将切割晶片从晶锭上剥离，如冷裂、机械拉力等，目前国内厂家研发多采用超声波换能器利用振动进行分离，可能会出现碎片和崩边等问题，从而降低了成品率。
上述两步对大多数研究开发单位来说，应该不存在很大的困难。但是，不同长晶厂家的晶锭因工艺和掺杂不同，晶锭质量相互差异较大，或者单一晶锭内部掺杂、应力不均匀，都会增加晶锭切片的难度，增加损耗、降低成品率。仅仅通过各种检测方法识别进而进行分区激光扫描切片，对于提升效率和切片质量可能效果不会很显著。如何开发创新性方法和技术，优化切片工艺参数，研制出对不同厂家不同质量晶锭具有普适工艺的激光切片设备和技术才是大规模应用的核心。
粉体网：除了碳化硅，激光切片技术是否可以应用于其他半导体材料的切割?
修教授：早期激光切割技术在各种材料领域都有应用，在半导体领域主要是用于芯片晶圆的划片，目前已扩展到大尺寸体单晶的切片。除了碳化硅外，还可以用于高硬度或者脆性材料如金刚石、氮化镓以及氧化镓等单晶体材料的切片。南京大学团队在这几种半导体单晶的切片方面都做了大量前期工作，验证了半导体单晶激光切片技术的可行性和优势。
粉体网：目前我国是否有成熟的激光切片设备产品?目前您对该设备的研究开发处于什么阶段?
修教授：大尺寸碳化硅激光切片设备被业界认为是未来8英寸碳化硅晶锭切片的核心设备。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/减薄设备国内需求按线切割数量以及碳化硅产能规划估算可达1000台左右，目前国内大族激光、德龙激光、江苏通用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进入产线应用。
南京大学张荣院士和修向前教授团队早在2001年就开发了具有自主知识产权的氮化镓衬底的激光剥离技术，积累了丰富的研究基础。最近一年，我们将此技术应用于大尺寸碳化硅的激光切割和减薄，已经完成原型设备研制和切片工艺研发，实现了4-6英寸半绝缘碳化硅晶圆的切割减薄、6-8英寸导电型碳化硅晶锭的切片。6-8英寸半绝缘碳化硅切片时间10-15分钟/片，单片损耗<30um；6-8英寸导电型碳化硅晶锭单片切割时间14-20分钟/片，单片损耗<60um，估算产片率可提升50%以上。切片后经研磨抛光，碳化硅晶圆的几何参数符合国家标准，研究结果也表明激光切片时其热效应对于碳化硅应力和几何参数等没有明显影响。采用该设备，我们也进行了金刚石、氮化镓和氧化镓单晶的切片技术可行性验证研究。
（中国粉体网编辑整理/乔木）
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