迭代晶錠切割技術是目前襯底環節提高產能的主要途徑。通過長晶環節提高良率仍需要較長時間的經驗累積，攻克晶錠切割環節切割速度慢和切片良率低這兩大關鍵問題后可以實現快速降本。多線切割技術是脆硬材料切割的一種工藝，在工業中廣泛利用。該傳統技術發展歷史悠久，1960年代開始利用線的往復運動來切割水晶片，1970年代開始切割1-2英寸的硅片，1980年代采用涂有金剛石粉的內圓切割機切割超硬材料。隨著半導體行業快速發展，客戶對于降低切割成本、提高生產效率的要求越來越高，多線切割技術的應用也逐漸成熟，砂漿線切割技術已經應用于絕大部分碳化硅襯底廠商，金剛線切割技術也成為了主流迭代方案。
雖然金剛線相較于砂漿線切割優勢明顯。但是仍存在一些問題：1）加工效率較低，碳化硅晶錠長度較短，使用多線切割技術需要先將多個晶錠進行拼接，降低了加工效率；2）材料損耗率高，加工過程中切割線會將部分碳化硅材料削磨成碎屑從而產生鋸口損失，并且高速運動會在表面形成粗糙切痕，材料損耗率高達50%；3）設備及耗材壽命短，切割時金剛線磨損嚴重，影響切割線的使用壽命以及晶片的翹曲度；4）耗材成本高，單位成本高于油砂線，頻繁更換易磨損的金剛線會增加加工成本。所以激光切割技術有望逐步滲透。激光切割因加工效率高、材料基本無損，有望成為金剛線切割技術的理想替代方案。
激光切割技術早期已經應用于硅晶錠的切割，在碳化硅領域的應用剛起步，目前主要有水導激光加工、DISCO技術和冷切割三大技術。由于激光切割技術目前尚不成熟，但具有加工時間短、材料損耗小、產出和良率更高，綜合成本優勢明顯，待技術成熟后有望成為主流碳化硅襯底切割技術。技術首先讓激光經過凸透鏡聚焦后通過石英玻璃窗體進入到耦合水腔，調整聚焦透鏡與小孔噴嘴之間的距離使激光焦點剛好處于噴嘴上表面中心，然后讓激光束在進入穩定的水射流后發生全反射，使得激光沿水流方向傳播，從而通過高壓水射流引導加工材料表面進行切割。1）水流能冷卻切割區，降低材料熱變形和熱損傷程度；5）較小的水流直徑縮短切縫寬度，提高了加工的精度，切割截面更為光滑。因此，水導激光切割技術將成為切割提高產能及良率的有效途經。水導激光技術應用范圍有限，只適用于小尺寸碳化硅晶錠切割。國際以專門從事水導激光研發和產業化的瑞士Synova公司的技術領先，國內技術相對落后，英諾激光、晟光硅研等企業正在積極研發。1）對噴嘴的要求高，需要得到均勻的水柱，國內與領先的瑞士Synova公司的技術差距還較大，且目前難以滿足2英寸以上的碳化硅襯底切割要求；2）耦合難度較大，需要保證激光束最大限度地進入噴嘴口，并盡可能實現全反射，對工藝的精度要求較高；3）由于水對不同波長的激光吸收程度不同，激光波長受限，波長主要為1064nm、532nm、355nm三種。國內企業仍需繼續提高水導激光的切割工藝以掌握水導激光切割技術。日本DISCO公司的KABRA技術是更為領先的激光切割技術。KABRA技術利用具有極好聚焦能力的光學系統將激光透過碳化硅的表面聚焦晶片內部，在特定位置形成改性層之后可從晶錠上剝離出晶片。DISCO公司利用激光加工設備的易自動化的特性，還研發出能將激光改質、剝離、研磨步驟并行的KABRA!zen加工系統。以加工直徑6英寸、厚度20 mm的SiC晶錠為例，相較于現有切割技術，DISCO技術具有以下優勢：2）材料損失率大幅降低，并從原理上避免鋸口損失，晶片產出能提高44%；3）省掉晶片研磨環節，節約時間、設備以及人力成本。DISCO技術更適合大尺寸晶圓切割，但具有嚴格專利保護。DISCO技術較為成熟，其優勢在于減少材料的損耗，提高切割速度，進而增加切片效率，更適合應用于大尺寸晶圓的切割。但DISCO技術難度高，在改進過程中容易加劇碳化硅襯底的裂片問題，且該技術受到嚴格的專利保護，國內廠商較難復制。2018年11月，英飛凌耗資1.24億歐元（約9.45億人民幣），收購了一家晶圓切割公司Siltectra。Siltectra成立于2010年，它研發的冷切割（Cold Split）晶圓技術，可將各種類型的晶錠分割成晶圓。
與DISCO技術類似，冷切割技術先用激光照射晶錠形成剝落層，使碳化硅材料內部體積膨脹，從而產生拉伸應力形成一層非常窄的微裂紋，然后通過聚合物冷卻步驟將微裂紋處理為一個主裂紋，最終將晶圓與剩余的晶錠分開。
該技術具有以下優勢：1）每片晶圓總切口損失小于100μm；2）SiC晶圓的良率提高90%；3）該技術大幅減少了SiC晶圓生產過程中的原材料損耗，可以提供3倍的材料，最終SiC器件產能提高近2倍，成本降低20-30%。以單個20mm的SiC晶錠為例，采用多線切割技術可生產30片350μｍ的晶圓，而采用冷切技術能將單片晶圓厚度減少到200μｍ，晶圓產量提高到超80片。
如果再結合Cold Split背面減薄和回收殘留晶圓，這個晶圓數量可以高達100片。總的來說，相同的SiC晶錠下，它可以生產三倍以上的晶圓，從而為最終器件提供足夠的材料。
目前，國內大族激光的碳化硅晶錠激光切片機正在客戶處驗證。近期，大族激光也在官微分享了其改質切割技術的流程及成果。
改制切割是一種將半導體晶圓分離成單個芯片或晶粒的激光技術。該過程是使用精密激光束在晶圓內部形成改質層，使晶圓可以通過輕微外力沿激光掃描路徑精確分離。
碳化硅改質切割一般為激光掃描以及以三點折彎為主要原理的機械劈裂兩個步驟。激光掃描就是形成改質層的過程，在這個過程里激光在指定位置精確地誘導材料內部的微裂紋，均勻分布的微裂紋在材料中存在時，會使應力場（熱應力、機械應力等）在微裂紋周圍產生集中效應，當機械劈裂施加折彎應力時，應力會因為改質層的存在而誘導到指定位置產生裂紋的擴展，從而完成晶粒的精確分離。
以上，綜合考慮性能和成本，市場認為襯底切割技術排序為：激光切割>金剛線切割>砂漿切割。目前國內廠商已經掌握砂漿切割技術，但砂漿切割存在損耗大、效率低等問題，正在逐漸被金剛線切割技術迭代，同時，激光技術是性能和成本表現最佳的碳化硅襯底切割技術，激光切割的性能和效率優勢突出，同時采購設備后不需要持續采購耗材，具有成本優勢。碳化硅的硬度達9.5，激光切割技術要求較高，目前僅有日本DISCO和英飛凌掌握可應用于大尺寸襯底的激光切割設備，國內激光設備廠商綜合技術水平目前仍有限，且后續還需要持續突破大尺寸碳化硅襯底激光切割帶來的技術難題。但目前看起來，國產大族、英諾、晟光硅研等多個激光設備的公司已有設備在國產襯底公司處驗證，在國產襯底企業的持續推動下，國產激光設備也將加快實現產品的量產銷售。
更多國內外碳化硅產品進展，歡迎各位蒞臨參與《2023中國國際SiC功率器件應用及測試技術高峰論壇》！
本文參考：?國君中小盤研究周天樂、趙文通?????
