自1960年代起，以硅為標志的第一代半導體材料一直是半導體行業(yè)產(chǎn)品中使用最多的材料，由于其在通常條件下具備良好的穩(wěn)定性，硅襯底一直被廣泛使用于集成電路芯片領域；但硅襯底在光電應用領域、高頻高功率應用領域中存在材料性能不足的缺點，因此以光通訊為代表的行業(yè)開始使用GaAs和、InP等二代半導體材料作為器件襯底。

SiC和GaN為代表的寬禁帶寬度材料（Eg≥2.3eV）則被稱之為第三代半導體材料。除了寬禁帶寬度的特點，第三代半導體的主要特點在于高擊穿電壓、高熱傳導率、高飽和電子濃度以及高耐輻射能力，這些特性決定了第三代半導體材料在眾多嚴酷環(huán)境中也能正常工作。SiC作為第三代半導體中的代表材料，可以應用于各種領域的高電壓環(huán)境中，包括汽車、能源、運輸、消費類電子等。據(jù)預測，到2025年全球SiC市場將會增加到60.4億美元（ResearchAndMarkets.com）。

第三代半導體SiC晶圓的激光內(nèi)部改質(zhì)切割技術

SiC晶圓傳統(tǒng)上采用刀輪進行切割，但由于SiC的Mohs硬度達到了9以上，需要選用相對昂貴的金剛石材質(zhì)作為刀輪，且刀輪耗材的使用壽命也大大減小。正因為SiC擁有較高的機械強度，使得刀輪耗材的成本更高、切割效率極低。

表一 常見材料的莫氏硬度

目前激光切割SiC晶圓的方案為激光內(nèi)部改質(zhì)切割，其原理為激光在SiC晶圓內(nèi)部聚焦，在晶圓內(nèi)部形成改質(zhì)層后，配合裂片進行晶粒分離。SiC作為寬禁帶半導體，禁帶寬度在3.2eV左右，這也意味著材料表面的對于大部分波長的吸收率很低，使得SiC晶圓與激光內(nèi)部改質(zhì)切割擁有絕佳的相匹配性。

圖一 激光內(nèi)部改質(zhì)切割示意圖

圖二 SiC的吸收圖譜 Choyke (1969)[1]

激光切割難點與技術突破

由于碳化硅自然界中擁有多態(tài)（Polymorphs），例如3C-SiC，4H-SiC，6H-SiC等，其中六方晶系的碳化硅理論上有無數(shù)種多態(tài)可能性。目前行業(yè)內(nèi)選用的碳化硅多態(tài)為4H-SiC。為了獲得想要的低缺陷4H-SiC，SiC晶圓通常需要以4°偏軸在種子晶格上進行晶錠生長。因此，在切割垂直晶圓平邊的方向時，裂紋會與C面軸向[0001]產(chǎn)生4°偏角。使用普通激光切割設備進行切割時，4°的偏角會使材料裂開變得困難，從而使得最終該方向產(chǎn)生嚴重崩邊（chipping）和切割痕跡蜿蜒（meandering）。

圖三 4H-SiC的偏軸示意圖

大族顯視與半導體自主研發(fā)的第三代半導體SiC晶圓激光內(nèi)部改質(zhì)切割設備（圖六），針對晶格結構的方向，對激光器和光路系統(tǒng)進行了升級，配合精準的平臺移動和焦點能量密度控制；針對SiC的晶體學特性壓制了材料的斜裂，從而在垂直平邊的切割方向也能獲得優(yōu)秀的效果，最終產(chǎn)品晶粒兩個方向均無崩邊、無碎屑、無雙晶、無可見蜿蜒（能控制在1μm以內(nèi)），實際效果如下圖（圖四＆圖五）。

圖四 SiC產(chǎn)品切割效果正面圖

圖五 SiC產(chǎn)品切割效果背面圖

該設備為國內(nèi)首臺第三代半導體SiC晶圓激光內(nèi)部改質(zhì)切割設備。自2015年開始，大族顯視與半導體配合半導體行業(yè)客戶需求，自主研發(fā)并生產(chǎn)了該設備，打破了國外技術壟斷，填補了國內(nèi)市場空白。該技術自成型以來，已形成批量銷售，大族顯視與半導體技術團隊以激光切割設備為核心在多個客戶現(xiàn)場提供整套的碳化硅切割解決方案，備受客戶贊譽。

圖六大族第三代半導體內(nèi)部改質(zhì)切割設備

隨著SiC市場規(guī)模的擴大以及終端品質(zhì)要求的提升，SiC晶圓加工行業(yè)面臨更大的機遇和挑戰(zhàn)。大族顯視與半導體作為第三代半導體晶圓激光切割領域的領跑者，將不斷創(chuàng)新、研發(fā)，為半導體行業(yè)提供最專業(yè)的激光加工設備及方案。