南京大学网站4月19日发布《成果推介：大尺寸碳化硅激光切片设备与技术》。该研究成果显示，南京大学成功研发出大尺寸碳化硅激光切片设备与技术，标志着我国在第三代半导体材料加工设备领域取得重要进展。

南京大学研发的大尺寸碳化硅激光切片设备与技术，在新材料领域特别是第三代半导体材料加工设备方面取得了显著突破。该技术不仅解决了传统多线切割技术带来的高损耗率和长加工周期等问题，还提高了碳化硅器件制造的效率和质量。

传统多线切割技术在碳化硅晶锭切片加工中，由于碳化硅的高硬度和脆性，导致加工过程中曲翘开裂等问题频发，材料损耗率高达75%，且加工周期长，产率低。这不仅增加了制造成本，还限制了碳化硅器件制造技术的发展。

针对这些痛点问题，南京大学研发的大尺寸碳化硅激光切片设备采用激光切片技术，显著降低了损耗并提高了产率。以单个20毫米SiC晶锭为例，采用激光切片技术可生产的晶圆数量是传统线锯技术的两倍以上。此外，激光切片生产的晶圆几何特性更好，单片晶圆厚度可减少到200um，进一步增加了晶圆数量。

该项目的竞争优势在于已完成大尺寸原型激光切片设备的研发，并实现了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，目前正在进行8英寸晶锭切片验证。该设备具有切割时间短、年产晶片数量多、单片损耗低等优点，产片率提升超过50%。

从市场应用前景来看，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，这一设备主要依赖日本进口，价格昂贵且存在禁运风险。国内对激光切片/减薄设备的需求超过1000台，但目前尚无成熟的国产设备销售。因此，南京大学研发的大尺寸碳化硅激光切片设备具有广阔的市场前景和巨大的经济价值。

此外，该设备不仅可用于碳化硅晶锭切割和晶片减薄，还可应用于氮化镓、氧化镓、金刚石等其他材料的激光加工领域。


碳化硅激光切割技术

近年来，激光切割技术的使用在半导体材料的生产加工中越来越受欢迎。这种方法的原理是使用聚焦的激光束从材料表面或内部修饰基材，从而将其分离。由于这是一种非接触式工艺，避免了刀具磨损和机械应力的影响。因此，它极大提高了晶圆表面的粗糙度和精度，还消除了对后续抛光工艺的需要，减少了材料损失，降低了成本，并减少了传统研磨和抛光工艺造成的环境污染。激光切割技术早已经应用于硅晶锭的切割，但在碳化硅领域的应用还未成熟，目前主要有以下几项技术。


1. 水导激光切割

水导激光技术（Laser MicroJet, LMJ）又称激光微射流技术，它的原理是在激光通过一个压力调制的水腔时，将激光束聚焦在一个喷嘴上；从喷嘴中喷出低压水柱，在水与空气的界面处由于折射率的原因可以形成光波导，使得激光沿水流方向传播，从而通过高压水射流引导加工材料表面进行切割。水导激光的主要优势在于切割质量，水流不仅能冷却切割区，降低材料热变形和热损伤程度，还能带走加工碎屑。相较线锯切割，它的速度明显加快。但由于水对不同波长的激光吸收程度不同，激光波长受限，主要为1064nm、532nm、355nm三种。

1993年，瑞士科学家Beruold Richerzhagen首先提出了该技术，他创始的Synova公司专门从事水导激光的研发和产业化，在国际上处于技术领先地位，国内技术相对落后，英诺激光、晟光硅研等企业正在积极研发。


2. 隐形切割

隐形切割（Stealth Dicing, SD）即将激光透过碳化硅的表面聚焦晶片内部，在所需深度形成改性层，从而实现剥离晶圆。由于晶圆表面没有切口，因此可以实现较高的加工精度。带有纳秒脉冲激光器的SD工艺已在工业中用于分离硅晶圆。然而，在纳秒脉冲激光诱导的SD加工碳化硅过程中，由于脉冲持续时间远长于碳化硅中电子和声子之间的耦合时间（皮秒量级），将会产生热效应。晶圆的高热量输入不仅使分离容易偏离所需方向，而且会产生较大的残余应力，导致断裂和不良的解理。因此，在加工碳化硅时一般采用超短脉冲激光的SD工艺，热效应大大降低。

日本DISCO公司研发出了一种称为关键无定形黑色重复吸收（key amorphous-black repetitive absorption, KABRA）的激光切割技术，以加工直径6英寸、厚度20 mm的碳化硅晶锭为例，将碳化硅晶圆的生产率提高了四倍。KABRA工艺本质是上将激光聚焦在碳化硅材料的内部，通过 “无定形黑色重复吸收”，将碳化硅分解成无定形硅和无定形碳，并形成作为晶圆分离基点的一层，即黑色无定形层，吸收更多的光，从而能够很容易地分离晶圆。

被英飞凌收购的Siltectra公司研发的冷切割（Cold Split）晶圆技术，不仅能将各类晶锭分割成晶圆，而且每片晶圆损失低至80μm，使材料损失减少了90%，最终器件总生产成本降低多达30%。冷切割技术分为两个环节：先用激光照射晶锭形成剥落层，使碳化硅材料内部体积膨胀，从而产生拉伸应力，形成一层非常窄的微裂纹；然后通过聚合物冷却步骤将微裂纹处理为一个主裂纹，最终将晶圆与剩余的晶锭分开。2019年第三方对此技术进行了评估，测量分割后的晶圆表面粗糙度Ra小于3µm，最佳结果小于2µm。

国内大族激光研发的改质切割是一种将半导体晶圆分离成单个芯片或晶粒的激光技术。该过程同样是使用精密激光束在晶圆内部扫描形成改质层，使晶圆可以通过外加应力沿激光扫描路径拓展，完成精确分离。

目前国内厂商已经掌握砂浆切割碳化硅技术，但砂浆切割损耗大、效率低、污染严重，正逐渐被金刚线切割技术迭代，与此同时，激光切割的性能和效率优势突出，与传统的机械接触加工技术相比具有许多优点，包括加工效率高、划片路径窄、切屑密度高，是取代金刚线切割技术的有力竞争者，为碳化硅等下一代半导体材料的应用开辟了一条新途径。


先进半导体材料已上升至国家战略层面

北京第三代半导体产业技术创新战略联盟发布的第三代半导体产业发展白皮书显示，总体来看，我国第三代半导体产业已进入成长期，技术稳步提升，产能不断释放，国产碳化硅（SiC）器件及模块开始“上机”，生态体系逐渐完善，自主可控能力不断增强，整体竞争实力日益提升。

2025年目标渗透率超过50%。底层材料与技术是半导体发展的基础科学，在2025中国制造中，分别对第三代半导体单晶衬底、光电子器件/模块、电力电子器件/模块、射频器件/模块等细分领域做出了目标规划。在任务目标中提到2025实现在5G通信、高效能源管理中的国产化率达到50%；在新能源汽车、消费电子中实现规模应用，在通用照明市场渗透率达到80%以上。

其他国家如，美、日、欧等国都在积极进行第三代半导体材料的战略部署，其中的重点是SiC。作为电力电子器件，SiC在低压领域如高端的白色家电、电动汽车等由于成本因素，逐渐失去了竞争力。但在高压领域，如高速列车、风力发电以及智能电网等，SiC具有不可替代性的优势。

美国等发达国家为了抢占第三代半导体技术的战略制高点，通过国家级创新中心、协同创新中心、联合研发等形式，将企业、高校、研究机构及相关政府部门等有机地联合在一起，实现第三代半导体技术的加速进步，引领、加速并抢占全球第三代半导体市场。

例如，美国国家宇航局（NASA）、国防部先进研究计划署（DARPA）等机构通过研发资助、购买订单等方式，开展SiC、GaN研发、生产与器件研制；韩国方面，在政府相关机构主导下，重点围绕高纯SiC粉末制备、高纯SiC多晶陶瓷、高质量SiC单晶生长、高质量SiC外延材料生长这4个方面，开展研发项目。在功率器件方面，韩国还启动了功率电子的国家项目，重点围绕Si基GaN和SiC。

行业竞争格局

从产业格局看，目前全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大，占有全球SiC产量的70%~80%，碳化硅晶圆市场CREE一家市占率高达6成之多；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，在全球电力电子市场拥有强大的话语权；日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。领先企业包括美国科锐（Cree）旗下的Wolfspeed、德国的SiCrystal、日本的罗姆（ROHM）、新日铁等。

国内目前已实现4英寸衬底的量产；同时山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成6英寸衬底的研发；中电科装备已成功研制出6英寸半绝缘衬底。

尽管全球碳化硅器件市场已经初具规模，但是碳化硅功率器件领域仍然存在一些诸多共性问题亟待突破，比如碳化硅单晶和外延材料价格居高不下、材料缺陷问题仍未完全解决、碳化硅器件制造工艺难度较高、高压碳化硅器件工艺不成熟、器件封装不能满足高频高温应用需求等，全球碳化硅技术和产业距离成熟尚有一定的差距，在一定程度上制约了碳化硅器件市场扩大的步伐。