第三代半导体SIC晶圆的激光内部改质切割技术

自1960年代起，以硅为标志的第一代半导体材料一直是半导体行业产品中使用最多的材料，由于其在通常条件下具备良好的稳定性，硅衬底一直被广泛使用于集成电路芯片领域；但硅衬底在光电应用领域、高频高功率应用领域中存在材料性能不足的缺点，因此以光通讯为代表的行业开始使用GaAs和、InP等二代半导体材料作为器件衬底。

SiC和GaN为代表的宽禁带宽度材料（Eg≥2.3eV）则被称之为第三代半导体材料。除了宽禁带宽度的特点，第三代半导体的主要特点在于高击穿电压、高热传导率、高饱和电子浓度以及高耐辐射能力，这些特性决定了第三代半导体材料在众多严酷环境中也能正常工作。SiC作为第三代半导体中的代表材料，可以应用于各种领域的高电压环境中，包括汽车、能源、运输、消费类电子等等。据预测，到2025年全球SiC市场将会增加到60.4亿美元（ResearchAndMarkets.com）。

SiC晶圆传统上采用刀轮进行切割，但由于SiC的Mohs硬度达到了9以上，需要选用相对昂贵的金刚石材质作为刀轮，且刀轮耗材的使用寿命也大大减小。正因为SiC拥有较高的机械强度，使得刀轮耗材的成本更高、切割效率极低。

目前激光切割SiC晶圆的方案为激光内部改质切割，其原理为激光在SiC晶圆内部聚焦，在晶圆内部形成改质层后，配合裂片进行晶粒分离。SiC作为宽禁带半导体，禁带宽度在3.2eV左右，这也意味着材料表面的对于大部分波长的吸收率很低，使得SiC晶圆与激光内部改质切割拥有绝佳的相匹配性。

图一 激光激光内部改质切割示意图

图二 SiC的吸收图谱 Choyke (1969)^[1]

由于碳化硅自然界中拥有多态（Polymorphs），例如3C-SiC，4H-SiC，6H-SiC等，其中六方晶系的碳化硅理论上有无数种多态可能性。目前行业内选用的碳化硅多态为4H-SiC。为了获得想要的低缺陷4H-SiC，SiC晶圆通常需要以4°偏轴在种子晶格上进行晶锭生长。因此，在切割垂直晶圆平边的方向时，裂纹会与C面轴向[0001]产生4°偏角。使用普通激光切割设备进行切割时，4°的偏角会使材料裂开变得困难，从而使得最终该方向产生严重崩边（chipping）和切割痕迹蜿蜒（meandering）。

图三 4H-SiC的偏轴示意图

大族显视与半导体自主研发的第三代半导体SiC晶圆激光内部改质切割设备（图六），针对晶格结构的方向，对激光器和光路系统进行了升级，配合精准的平台移动和焦点能量密度控制；针对SiC的晶体学特性压制了材料的斜裂，从而在垂直平边的切割方向也能获得优秀的效果，最终产品晶粒两个方向均无崩边、无碎屑、无双晶、无可见蜿蜒（能控制在1μm以内），实际效果如下图（图四＆图五）。

图五 SiC产品切割效果背面图

该设备为国内首台第三代半导体SiC晶圆激光内部改质切割设备。自2015年开始，大族显视与半导体配合半导体行业客户需求，自主研发并生产了该设备，打破了国外技术垄断，填补了国内市场空白。该技术自成型以来，已形成批量销售，大族显视与半导体技术团队以激光切割设备为核心在多个客户现场提供整套的碳化硅切割解决方案，备受客户赞誉。

图六 大族第三代半导体激光内部改质切割设备

随着SiC市场规模的扩大以及终端品质要求的提升，SiC晶圆加工行业面临更大的机遇和挑战。