国创中心（苏州）大尺寸碳化硅激光隐形切割技术取得重大技术突破

近日，由江苏第三代半导体研究院有限公司、国家第三代半导体技术创新中心（苏州）承担的江苏省集萃研究员项目“六英寸碳化硅晶锭激光隐形切割技术研发”取得重大技术突破。该技术在碳化硅晶锭切割效率、良率、损伤控制及减薄精度等方面实现多项关键突破，有望大幅降低大尺寸碳化硅衬底加工成本，助力宽禁带半导体产业高质量发展。

01 背景介绍

碳化硅材料是典型应用的宽禁带半导体材料之一，碳化硅材料的室温禁带宽度为硅材料的三倍，击穿场强为硅材料的十倍，电子饱和漂移速度为硅材料的两倍，导热系数为硅材料的三倍，综合性能非常优异，适合制作大功率器件和射频器件。半绝缘碳化硅材料还可以作为AR显示终端关键核心材料。

碳化硅单晶材料莫氏硬度高达9.5级，仅次于金刚石。目前主流的钢丝线多线切割技术虽有广泛应用基础，但其工艺特点决定了切割时间较长：6英寸晶锭约100-120小时（单片约3小时），8英寸晶锭约160-200小时（单片约5-5.5小时），且存在一定的材料损耗与切缝损失。据统计，线切割成本占碳化硅衬底成本的25%-30%。因此，降低线切割环节的成本与时间，已成为碳化硅衬底行业助力器件市场高质量发展的关键突破口。

02 主要突破

激光隐形切割碳化硅晶锭的原理是利用激光光学非线性效应，使激光穿透碳化硅晶体表面，在晶体内部聚焦导致碳与硅原子发生热致开裂、化学键断裂与分解、激光诱导电离等一系列复杂的物理化学过程，形成垂直于激光入射方向的非晶态碳硅改质层，在物理条件作用下改质层界面处实现碳化硅晶片的剥离切割。

为突破上述瓶颈，团队系统研究了激光隐形切割的物理机理、碳硅非晶态改质层形成机制及特征表征，优化了激光切割参数和高效率剥离技术。在江苏省集萃研究员项目支持下，先后攻克了大尺寸碳化硅晶锭激光隐形切割技术和高精密减薄技术、化学抛光技术等关键难题，取得如下进展：

六英寸碳化硅晶锭激光切割

六英寸碳化硅晶锭激光切割单片时间小于9.5分钟，（与线切割相比，切割效率提升近20倍），最薄切割晶片厚度仅120-150um, 最厚切割晶片厚度达1030um，能高效率批量切割碳化硅衬底厚度要求的碳化硅晶片。经激光隐形切割后的碳化硅改质层去除（即改质层剥离分片）时间快，平均小于30秒，材料损耗小，损伤层小于40um, 切割良率99%。

八英寸碳化硅晶锭激光切割

八英寸碳化硅晶锭激光切割单片时间小于17-23分钟，（与线切割相比，切割效率提升近15倍），能高效率批量切割碳化硅衬底厚度要求的碳化硅晶片。经激光隐形切割后的碳化硅改质层去除（即改质层剥离分片）时间快，平均小于30秒，材料损耗小，损伤层小于50um, 切割良率99%。该激光隐形切割技术对于不同质量的碳化硅晶锭具有相当高的普适性，该技术的推广和普及将大幅度降低大尺寸碳化硅衬底加工成本50%以上。

项目组除了研发激光隐形切割碳化硅晶锭技术外，在高精密减薄技术上也取得很大进展，八寸碳化硅晶片精密减薄后的晶片平坦度高，其厚度均匀性指标TTV小于1 um, 局部均匀性指标LTV小于0.5um, 表面粗糙度Ra小于1.50nm，有利于后续碳化硅衬底的抛光和外延，该减薄技术还可以加工出光学级碳化硅材料产品，应用于AR显示领域。

该项目拥有完全自主知识产权，目前已申请相关专利20项，其中授权专利5项。后续，项目组将继续在切割材料多样性、适应性、切割品质和效率上深耕研发，为行业降本增效、稳健发展持续贡献力量。

来源： 江苏第三代半导体研究院

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