在信息技术的快速发展和对高效能电子器件的需求不断增长的趋势下，以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料，凭借在禁带宽度、介电常数、导热率及最高工作温度等方面的优势正逐渐崭露头角。然而，碳化硅作为一种典型的硬脆材料，其硬度远高于传统硅材料，莫氏硬度高达9.2，仅次于世界上最硬的金刚石，这使得其晶圆的制造过程存在一定的挑战。

目前碳化硅晶圆的制造过程分为：切割——研磨——抛光——清洗，在每个加工阶段，都对表面损伤度和粗糙度有一定的要求，其中切割作为加工碳化硅单晶片的首要工序，其加工质量更是会对后续研磨、抛光的加工水平产生极大影响，进而影响芯片的性能。在当前工业生产中，碳化硅晶圆一般多线切割的方法，随着技术的不断进步，水导激光切割、隐形切割等新型切割技术也相继显露锋芒。

多线切割技术

多线切割技术是当前主流的晶圆切割技术，相比以往锯片切割的方式，克服了一次只能切割一片晶圆的缺点。目前根据切割材料，主要有游离磨料线锯切割（砂浆线切割）和金刚石线锯切割两种方式。

多线切割示意图（来源：日中半导体）

1、游离磨料线锯切割

游离磨料线锯切割加工是切割线、切削液中的磨料与工件三者相互作用的复杂过程，其切割机理是利用线锯的快速运动将切削液中的磨料颗粒带入锯缝，在切割线的压力和速度的带动下，游离的磨料颗粒在锯缝中不断滚动，从而实现材料的切割。利用该项技术切割碳化硅晶锭时，起切割刃料作用的磨粒对切割效果有着很大的影响，由于碳化硅的硬度极高，切割液需要以金刚石微粉作为磨粒才能达到较为高效的切割目的，而砂浆作为磨粒的载体，对悬浮于其中的磨粒起到稳定分散、带动运动的作用，因此对于其粘度和流动性有一定的要求。

游离磨料切割原理^[1]

作为一种发展非常成熟的晶圆切割技术，游离磨料线锯切割技术具有切缝窄、切割厚度均匀、材料损耗小等优点，可以加工较薄的晶圆（切片厚度<0.3 mm）。同时，由于砂浆的存在，在切割过程中可以缓解磨粒对晶体的冲击力并提供降温作用，避免热损伤，因此切割后的晶圆表面粗糙度较小。不过，由于切割速度低、磨粒利用率低、对环境不友好等缺点，已经较难满足进一步的加工要求。

游离磨料多线切割后的晶圆^[1]

其中，游离磨料多线切割的切割线多使用表面镀Cu的不锈钢丝(Ф150～300 μm)，单根线总长度可以达到600～800 km。砂浆主要是由10～15 μm的碳化硅或金刚石和矿物油或水按一定比例混合而成。

2、固结金刚石线锯切割

基于切割速度低、磨粒利用率低的缺点，游离磨料线锯逐渐被金刚石线锯切割所替代。金刚石线锯切割将高硬度、高耐磨性的金刚石磨粒通过电镀、树脂粘接、钎焊或机械镶嵌等方法固结在切割线上，通过金刚线的高速往返运动，磨粒直接与工件间形成相对的磨削运动，从而完成对SiC晶锭的切割。

固结磨料金刚石线^[1]

相比游离磨料线锯切割的“三体加工”，固结金刚石线锯切割属于“二体加工”，其加工效率是游离磨料线锯切割的数倍以上，而且具有切缝窄、环境污染小等优点。但是用这种方法切割SiC等硬脆性材料时也仍存在晶片表面损伤层深、线锯磨损快等缺点，当线锯切割过程中，金刚石线发生严重磨损时，将极大影响到线锯的寿命和晶片的翘曲度。因此，固结金刚石磨粒线锯技术也不太适用于生产超薄大尺寸的SiC单晶片。

新型晶圆激光切割技术

 近年来，随着激光切割技术的不断发展，这种非接触式的切割技术在半导体材料的生产加工过程中也越来越多，比如蓝宝石及硅晶圆的激光隐形切割技术的成功应用，为碳化硅（SiC）晶圆切割技术提供了新的解决思路，并衍生出了多种激光切割碳化硅（SiC）晶圆的加工方式。

1、隐形激光切割技术

传统激光切割是将激光能量于极短的时间内集中在材料表面，使固体升华、蒸发的全切割加工方式，属于激光烧蚀加工技术。而激光隐形切割的原理是利用将特定波长的脉冲激光透过材料表面在材料内部聚焦，在焦点区域产生较高的能量密度，形成多光子吸收，使得材料内所需深度形成改质层。在改质层位置，由于材料的分子键被破坏，当垂直于带状的改质层施加压力时，晶锭就会沿着裂纹轨迹被分割成薄片。

传统激光与激光隐形切割技术原理对比

由于激光隐形切割技术是在晶锭内部进行无接触改质，可以抑制加工屑的产生，不仅防止晶圆受到污染，还避免了切屑对晶圆造成损伤，同时隐形切割被认为是零线宽切割，与传统激光切割技术相比，有效地解决了切割损伤和大微裂缝的问题，为大规模制备薄的碳化硅晶圆片提供了更快速、更稳定、更可靠的解决思路。不过作为一种新型的激光切割技术，激光隐切技术在应用过程中仍面临一系列需要解决的问题，如晶圆表面翘曲、激光能量密度调控问题将导致激光焦点无法精确落在晶圆中的具体薄层，阻碍了切割精度、芯片良率的进一步提升；为了避免较长的激光脉冲持续时间会产生较大的热效应，导致晶片断裂和不良剥离偏移，需要采用较高成本的超短脉冲激光器来实现隐切。

大族半导体结合激光隐切技术和超快激光器开发的激光切片（QCB技术）新技术

2、水导激光切割技术

水导激光切割技术，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极小的喷嘴上，从喷嘴中喷出极细的高压水柱，由于水与空气的界面处发生全反射现象，激光会被约束在微细的水射流中，并通过水射流进行传导和聚焦，从而通过高压水射流引导激光在加工材料表面进行切割。

水导激光切割原理

由于微射流的存在，水导激光技术不仅能冷却切割区，降低材料热变形和热损伤程度，还能带走加工碎屑，减少晶圆污染，实现极高的切割质量，通常端面粗糙度普遍可以控制在Ra＜1μm范围内。不过，由于微水导激光切割技术耦合难度较大，为了提高激光利用效率，不但要保证激光束最大限度地进入喷嘴口，还需尽可能地实现全反射，对工艺的精度要求较高。

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小结

大尺寸的单晶SiC衬底是未来的主流发展趋势，目前国内主流SiC企业已经基本实现全面生长6英寸，正朝着8英寸的方向快速发展。目前工业上使用最广泛的碳化硅晶锭切片方法为固结金刚石多线切割，在切割大尺寸晶圆时，固结金刚石线易产生磨损对晶圆的切割质量产生一定的影响。近年来，激光隐形切割、水导激光切割等多种新型激光加工技术凭借高切割质量、低切割损伤、高效率的优势，为大尺寸碳化硅晶圆的切割技术提供了可靠的解决思路。

参考来源：

1、邹苗苗，窦菲.碳化硅晶圆切割方法综述[J].超硬材料工程，2022，34(03):35-41.

2、林明睿.半导体晶圆激光切割工艺研究[J].新型工业化.

3、[1]张俊然,朱如忠,张玺等.线锯切片技术及其在碳化硅晶圆加工中的应用[J].人工晶体学报.

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