南京大學(xué)網(wǎng)站4月19日發(fā)布《成果推介：大尺寸碳化硅激光切片設(shè)備與技術(shù)》。該研究成果顯示，南京大學(xué)成功研發(fā)出大尺寸碳化硅激光切片設(shè)備與技術(shù)，標(biāo)志著我國(guó)在第三代半導(dǎo)體材料加工設(shè)備領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。

南京大學(xué)研發(fā)的大尺寸碳化硅激光切片設(shè)備與技術(shù)，在新材料領(lǐng)域特別是第三代半導(dǎo)體材料加工設(shè)備方面取得了顯著突破。該技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)多線切割技術(shù)帶來的高損耗率和長(zhǎng)加工周期等問題，還提高了碳化硅器件制造的效率和質(zhì)量。

傳統(tǒng)多線切割技術(shù)在碳化硅晶錠切片加工中，由于碳化硅的高硬度和脆性，導(dǎo)致加工過程中曲翹開裂等問題頻發(fā)，材料損耗率高達(dá)75%，且加工周期長(zhǎng)，產(chǎn)率低。這不僅增加了制造成本，還限制了碳化硅器件制造技術(shù)的發(fā)展。

針對(duì)這些痛點(diǎn)問題，南京大學(xué)研發(fā)的大尺寸碳化硅激光切片設(shè)備采用激光切片技術(shù)，顯著降低了損耗并提高了產(chǎn)率。以單個(gè)20毫米SiC晶錠為例，采用激光切片技術(shù)可生產(chǎn)的晶圓數(shù)量是傳統(tǒng)線鋸技術(shù)的兩倍以上。此外，激光切片生產(chǎn)的晶圓幾何特性更好，單片晶圓厚度可減少到200um，進(jìn)一步增加了晶圓數(shù)量。

該項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)在于已完成大尺寸原型激光切片設(shè)備的研發(fā)，并實(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，目前正在進(jìn)行8英寸晶錠切片驗(yàn)證。該設(shè)備具有切割時(shí)間短、年產(chǎn)晶片數(shù)量多、單片損耗低等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)片率提升超過50%。

從市場(chǎng)應(yīng)用前景來看，大尺寸碳化硅激光切片設(shè)備是未來8英寸碳化硅晶錠切片的核心設(shè)備。目前，這一設(shè)備主要依賴日本進(jìn)口，價(jià)格昂貴且存在禁運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)對(duì)激光切片/減薄設(shè)備的需求超過1000臺(tái)，但目前尚無成熟的國(guó)產(chǎn)設(shè)備銷售。因此，南京大學(xué)研發(fā)的大尺寸碳化硅激光切片設(shè)備具有廣闊的市場(chǎng)前景和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

此外，該設(shè)備不僅可用于碳化硅晶錠切割和晶片減薄，還可應(yīng)用于氮化鎵、氧化鎵、金剛石等其他材料的激光加工領(lǐng)域。


碳化硅激光切割技術(shù)

近年來，激光切割技術(shù)的使用在半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)加工中越來越受歡迎。這種方法的原理是使用聚焦的激光束從材料表面或內(nèi)部修飾基材，從而將其分離。由于這是一種非接觸式工藝，避免了刀具磨損和機(jī)械應(yīng)力的影響。因此，它極大提高了晶圓表面的粗糙度和精度，還消除了對(duì)后續(xù)拋光工藝的需要，減少了材料損失，降低了成本，并減少了傳統(tǒng)研磨和拋光工藝造成的環(huán)境污染。激光切割技術(shù)早已經(jīng)應(yīng)用于硅晶錠的切割，但在碳化硅領(lǐng)域的應(yīng)用還未成熟，目前主要有以下幾項(xiàng)技術(shù)。


1. 水導(dǎo)激光切割

水導(dǎo)激光技術(shù)（Laser MicroJet, LMJ）又稱激光微射流技術(shù)，它的原理是在激光通過一個(gè)壓力調(diào)制的水腔時(shí)，將激光束聚焦在一個(gè)噴嘴上；從噴嘴中噴出低壓水柱，在水與空氣的界面處由于折射率的原因可以形成光波導(dǎo)，使得激光沿水流方向傳播，從而通過高壓水射流引導(dǎo)加工材料表面進(jìn)行切割。水導(dǎo)激光的主要優(yōu)勢(shì)在于切割質(zhì)量，水流不僅能冷卻切割區(qū)，降低材料熱變形和熱損傷程度，還能帶走加工碎屑。相較線鋸切割，它的速度明顯加快。但由于水對(duì)不同波長(zhǎng)的激光吸收程度不同，激光波長(zhǎng)受限，主要為1064nm、532nm、355nm三種。

1993年，瑞士科學(xué)家Beruold Richerzhagen首先提出了該技術(shù)，他創(chuàng)始的Synova公司專門從事水導(dǎo)激光的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，在國(guó)際上處于技術(shù)領(lǐng)先地位，國(guó)內(nèi)技術(shù)相對(duì)落后，英諾激光、晟光硅研等企業(yè)正在積極研發(fā)。


2. 隱形切割

隱形切割（Stealth Dicing, SD）即將激光透過碳化硅的表面聚焦晶片內(nèi)部，在所需深度形成改性層，從而實(shí)現(xiàn)剝離晶圓。由于晶圓表面沒有切口，因此可以實(shí)現(xiàn)較高的加工精度。帶有納秒脈沖激光器的SD工藝已在工業(yè)中用于分離硅晶圓。然而，在納秒脈沖激光誘導(dǎo)的SD加工碳化硅過程中，由于脈沖持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于碳化硅中電子和聲子之間的耦合時(shí)間（皮秒量級(jí)），將會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)。晶圓的高熱量輸入不僅使分離容易偏離所需方向，而且會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致斷裂和不良的解理。因此，在加工碳化硅時(shí)一般采用超短脈沖激光的SD工藝，熱效應(yīng)大大降低。

日本DISCO公司研發(fā)出了一種稱為關(guān)鍵無定形黑色重復(fù)吸收（key amorphous-black repetitive absorption, KABRA）的激光切割技術(shù)，以加工直徑6英寸、厚度20 mm的碳化硅晶錠為例，將碳化硅晶圓的生產(chǎn)率提高了四倍。KABRA工藝本質(zhì)是上將激光聚焦在碳化硅材料的內(nèi)部，通過 “無定形黑色重復(fù)吸收”，將碳化硅分解成無定形硅和無定形碳，并形成作為晶圓分離基點(diǎn)的一層，即黑色無定形層，吸收更多的光，從而能夠很容易地分離晶圓。

被英飛凌收購的Siltectra公司研發(fā)的冷切割（Cold Split）晶圓技術(shù)，不僅能將各類晶錠分割成晶圓，而且每片晶圓損失低至80μm，使材料損失減少了90%，最終器件總生產(chǎn)成本降低多達(dá)30%。冷切割技術(shù)分為兩個(gè)環(huán)節(jié)：先用激光照射晶錠形成剝落層，使碳化硅材料內(nèi)部體積膨脹，從而產(chǎn)生拉伸應(yīng)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(gè)主裂紋，最終將晶圓與剩余的晶錠分開。2019年第三方對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了評(píng)估，測(cè)量分割后的晶圓表面粗糙度Ra小于3μm，最佳結(jié)果小于2μm。

國(guó)內(nèi)大族激光研發(fā)的改質(zhì)切割是一種將半導(dǎo)體晶圓分離成單個(gè)芯片或晶粒的激光技術(shù)。該過程同樣是使用精密激光束在晶圓內(nèi)部掃描形成改質(zhì)層，使晶圓可以通過外加應(yīng)力沿激光掃描路徑拓展，完成精確分離。

目前國(guó)內(nèi)廠商已經(jīng)掌握砂漿切割碳化硅技術(shù)，但砂漿切割損耗大、效率低、污染嚴(yán)重，正逐漸被金剛線切割技術(shù)迭代，與此同時(shí)，激光切割的性能和效率優(yōu)勢(shì)突出，與傳統(tǒng)的機(jī)械接觸加工技術(shù)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括加工效率高、劃片路徑窄、切屑密度高，是取代金剛線切割技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者，為碳化硅等下一代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用開辟了一條新途徑。


先進(jìn)半導(dǎo)體材料已上升至國(guó)家戰(zhàn)略層面

北京第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書顯示，總體來看，我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入成長(zhǎng)期，技術(shù)穩(wěn)步提升，產(chǎn)能不斷釋放，國(guó)產(chǎn)碳化硅（SiC）器件及模塊開始“上機(jī)”，生態(tài)體系逐漸完善，自主可控能力不斷增強(qiáng)，整體競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力日益提升。

2025年目標(biāo)滲透率超過50%。底層材料與技術(shù)是半導(dǎo)體發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)，在2025中國(guó)制造中，分別對(duì)第三代半導(dǎo)體單晶襯底、光電子器件/模塊、電力電子器件/模塊、射頻器件/模塊等細(xì)分領(lǐng)域做出了目標(biāo)規(guī)劃。在任務(wù)目標(biāo)中提到2025實(shí)現(xiàn)在5G通信、高效能源管理中的國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到50%；在新能源汽車、消費(fèi)電子中實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，在通用照明市場(chǎng)滲透率達(dá)到80%以上。

其他國(guó)家如，美、日、歐等國(guó)都在積極進(jìn)行第三代半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略部署，其中的重點(diǎn)是SiC。作為電力電子器件，SiC在低壓領(lǐng)域如高端的白色家電、電動(dòng)汽車等由于成本因素，逐漸失去了競(jìng)爭(zhēng)力。但在高壓領(lǐng)域，如高速列車、風(fēng)力發(fā)電以及智能電網(wǎng)等，SiC具有不可替代性的優(yōu)勢(shì)。

美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家為了搶占第三代半導(dǎo)體技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，通過國(guó)家級(jí)創(chuàng)新中心、協(xié)同創(chuàng)新中心、聯(lián)合研發(fā)等形式，將企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)及相關(guān)政府部門等有機(jī)地聯(lián)合在一起，實(shí)現(xiàn)第三代半導(dǎo)體技術(shù)的加速進(jìn)步，引領(lǐng)、加速并搶占全球第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)。

例如，美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA）、國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃署（DARPA）等機(jī)構(gòu)通過研發(fā)資助、購買訂單等方式，開展SiC、GaN研發(fā)、生產(chǎn)與器件研制；韓國(guó)方面，在政府相關(guān)機(jī)構(gòu)主導(dǎo)下，重點(diǎn)圍繞高純SiC粉末制備、高純SiC多晶陶瓷、高質(zhì)量SiC單晶生長(zhǎng)、高質(zhì)量SiC外延材料生長(zhǎng)這4個(gè)方面，開展研發(fā)項(xiàng)目。在功率器件方面，韓國(guó)還啟動(dòng)了功率電子的國(guó)家項(xiàng)目，重點(diǎn)圍繞Si基GaN和SiC。

行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局

從產(chǎn)業(yè)格局看，目前全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國(guó)、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢(shì)。其中美國(guó)全球獨(dú)大，占有全球SiC產(chǎn)量的70%~80%，碳化硅晶圓市場(chǎng)CREE一家市占率高達(dá)6成之多；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，在全球電力電子市場(chǎng)擁有強(qiáng)大的話語權(quán)；日本是設(shè)備和模塊開發(fā)方面的絕對(duì)領(lǐng)先者。領(lǐng)先企業(yè)包括美國(guó)科銳（Cree）旗下的Wolfspeed、德國(guó)的SiCrystal、日本的羅姆（ROHM）、新日鐵等。

國(guó)內(nèi)目前已實(shí)現(xiàn)4英寸襯底的量產(chǎn)；同時(shí)山東天岳、天科合達(dá)、河北同光、中科節(jié)能均已完成6英寸襯底的研發(fā)；中電科裝備已成功研制出6英寸半絕緣襯底。

盡管全球碳化硅器件市場(chǎng)已經(jīng)初具規(guī)模，但是碳化硅功率器件領(lǐng)域仍然存在一些諸多共性問題亟待突破，比如碳化硅單晶和外延材料價(jià)格居高不下、材料缺陷問題仍未完全解決、碳化硅器件制造工藝難度較高、高壓碳化硅器件工藝不成熟、器件封裝不能滿足高頻高溫應(yīng)用需求等，全球碳化硅技術(shù)和產(chǎn)業(yè)距離成熟尚有一定的差距，在一定程度上制約了碳化硅器件市場(chǎng)擴(kuò)大的步伐。