中國(guó)粉體網(wǎng)訊  在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，大尺寸半導(dǎo)體單晶材料的高質(zhì)量切片是芯片制造的關(guān)鍵前置工序。傳統(tǒng)的切片技術(shù)如多線切割技術(shù)在加工大尺寸半導(dǎo)體單晶，尤其是像碳化硅這類(lèi)高硬度的脆性材料時(shí)，面臨著材料損耗率高、加工周期長(zhǎng)、表界面粗糙度高以及污染嚴(yán)重等問(wèn)題。切片性能決定后續(xù)薄化、拋光加工水平，且切片加工易在晶片表面和亞表面產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致晶片破片率和制造成本增加，所以控制晶片表層裂紋損傷對(duì)推動(dòng)碳化硅器件制造技術(shù)發(fā)展意義重大，正因如此，激光切片技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。

1.痛點(diǎn)問(wèn)題

（1）傳統(tǒng)多線切割技術(shù)材料損耗率高。由于碳化硅是高硬度的脆性材料，切磨拋的加工難度增加，加工過(guò)程中其曲翹開(kāi)裂等問(wèn)題嚴(yán)重，損耗巨大。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)的往復(fù)式金剛石固結(jié)磨料多線切割方法下，在切割環(huán)節(jié)對(duì)整體材料利用率僅有50%，經(jīng)過(guò)拋光研磨環(huán)節(jié)后，切損耗比例則高達(dá)75%（單片總損耗～250um），可用部分比例較低。

（2）傳統(tǒng)多線切割技術(shù)加工周期長(zhǎng)，產(chǎn)率低。國(guó)外生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)顯示，24小時(shí)連續(xù)并行生產(chǎn)，10000片生產(chǎn)時(shí)間約273天。要想滿足市場(chǎng)需求，需要大量的線切割設(shè)備和耗材，而且線切割技術(shù)表界面粗糙度高、污染嚴(yán)重（粉塵、污水等）。

2.解決方案

激光切片技術(shù)主要利用激光的高能量密度特性，在半導(dǎo)體單晶材料上產(chǎn)生瞬間的高溫，使材料迅速熔化、蒸發(fā)或分解，從而實(shí)現(xiàn)切割。根據(jù)不同的材料特性和切割要求，可以采用不同的激光切割方式，如激光熱裂法、激光燒蝕法等。

碳化硅襯底除了“如何增產(chǎn)”，更應(yīng)該思考的是“如何節(jié)約”。采用激光切片設(shè)備可以大大的降低損耗，提升產(chǎn)率。以單個(gè)20毫米SiC晶錠為例，采用線鋸可生產(chǎn)30片350um的晶圓，而用激光切片技術(shù)可生產(chǎn)50多片晶圓。同時(shí)，由于激光切片生產(chǎn)的晶圓的幾何特性更好，因此單片晶圓厚度可以減少到200 um，這就進(jìn)一步增加了晶圓數(shù)量，單個(gè)20毫米SiC晶錠可以生產(chǎn)80多片晶圓。

3. 競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)分析

目前修教授團(tuán)隊(duì)已完成大尺寸原型激光切片設(shè)備的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了4-6英寸半絕緣碳化硅晶圓的切割減薄、6英寸導(dǎo)電型碳化硅晶錠的切片，正在進(jìn)行8英寸晶錠切片驗(yàn)證。激光切片技術(shù)對(duì)比傳統(tǒng)多線切割技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)如下： 

（1）高效率：激光切片的速度快，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)大尺寸半導(dǎo)體單晶材料的切割，大大提高了生產(chǎn)效率。例如，對(duì)于半絕緣/導(dǎo)電型6英寸的碳化硅晶錠，單片的激光切割時(shí)間不超過(guò)15分鐘，而傳統(tǒng)的多線切割技術(shù)則需要數(shù)小時(shí)，單臺(tái)年產(chǎn)晶片>30000片。

（2）高材料利用率：相比傳統(tǒng)的多線切割技術(shù)，激光切片技術(shù)能夠更精確地控制切割的深度和寬度，減少材料的損耗。例如，在加工碳化硅晶錠時(shí)，激光切片技術(shù)可以將材料的利用率提高到80%以上，而傳統(tǒng)的多線切割技術(shù)的材料利用率僅為50%左右。半絕緣碳化硅晶錠單片損耗≤30um；導(dǎo)電型單片損耗≤60um，產(chǎn)片率提升>50%。

（3）高質(zhì)量：激光切片技術(shù)可以有效控制晶片表層的裂紋損傷，提高切割后的晶片的質(zhì)量和表面平整度，有利于后續(xù)的薄化、拋光等加工工序。

（4）靈活性高：激光切片技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種形狀和尺寸的半導(dǎo)體單晶材料的切割，包括異形片的加工，具有很高的靈活性和適應(yīng)性。

4. 市場(chǎng)應(yīng)用前景

激光切片技術(shù)能夠有效解決傳統(tǒng)切割技術(shù)的痛點(diǎn)，提高材料的利用率和生產(chǎn)效率，對(duì)于推動(dòng)半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的發(fā)展、降低芯片生產(chǎn)成本以及滿足日益增長(zhǎng)的半導(dǎo)體市場(chǎng)需求具有重大意義。大尺寸碳化硅激光切片設(shè)備是未來(lái)8英寸碳化硅晶錠切片的核心設(shè)備。目前大尺寸碳化硅晶錠激光切片設(shè)備僅日本能提供，價(jià)格昂貴且對(duì)中國(guó)禁運(yùn)。據(jù)調(diào)研，激光切片/減薄設(shè)備國(guó)內(nèi)需求超過(guò)1000臺(tái)以上，目前大族激光、德龍激光等公司已經(jīng)投入巨資開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，但尚未有商品化國(guó)產(chǎn)成熟設(shè)備銷(xiāo)售。本項(xiàng)目研發(fā)的設(shè)備不僅用于碳化硅晶錠切割和晶片減薄，也可以用于氮化鎵、氧化鎵、金剛石等激光加工。

2024年12月24日，中國(guó)粉體網(wǎng)將在河南·鄭州舉辦“2024半導(dǎo)體行業(yè)用金剛石材料技術(shù)大會(huì)”。屆時(shí)，我們邀請(qǐng)到南京大學(xué)修向前教授出席本次大會(huì)并作題為《大尺寸半導(dǎo)體單晶激光切片設(shè)備與技術(shù)研究》的報(bào)告，修教授將為您具體介紹大尺寸半導(dǎo)體單晶激光切片設(shè)備的研究進(jìn)展及規(guī)模化應(yīng)用展望。

個(gè)人簡(jiǎn)歷：

修向前，南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家，長(zhǎng)期從事寬禁帶/超寬禁帶半導(dǎo)體單晶襯底設(shè)備研制與材料外延研究和應(yīng)用。2017年，主持的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“第三代半導(dǎo)體核心關(guān)鍵裝備”獲得立項(xiàng)。近5年，主持/參與863計(jì)劃、973、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目共10余項(xiàng)。共發(fā)表SCI/EI等學(xué)術(shù)論文80余篇，其中SCI論文60余篇。已獲得授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利31項(xiàng)（第一發(fā)明人20余項(xiàng)），申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利30余項(xiàng)。編寫(xiě)論著9章。

參考來(lái)源：

南大雙創(chuàng)公眾號(hào)：大尺寸碳化硅激光切片設(shè)備與技術(shù)成果推介

中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司官網(wǎng)

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/留白）

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