在碳化硅生产流程中，碳化硅衬底制备是最核心环节，技术壁垒高，难点主要在于晶体生长和切割。单晶生长后，将生长出的晶体切成片状，由于碳化硅的莫氏硬度为9.2，仅次于金刚石，属于高硬脆性材料，因此切割过程耗时久，易裂片。实现切割损耗小、并且切割出厚度均匀、翘曲度小的高质量SiC晶片是目前面临的重要技术难点。
一、碳化硅晶体切割技术种类
20 世纪 80 年代以前，高硬脆材料一般采用涂有金刚石微粉的内圆锯进行切割。由于内圆锯切割的切缝大、材料损耗多，且对高硬脆材料的切割尺寸有限制，从 20 世纪 90 年代中期开始，切缝窄、切割厚度均匀且翘曲度较低的线锯切割方式逐步发展起来。线锯切割以钢线做刃具，主要分为游离磨料（砂浆线切割）和固结磨料切割（金刚石线锯切割技术）两类。
图 碳化硅晶体和衬底晶片，来源：重投天科半导体
目前，碳化硅晶体的切割技术有：金刚石线切割（固结磨料线锯切割）、砂浆线切割（游离磨料线锯切割）、激光切割。线锯切割技术成熟，是主流切割技术。
1、砂浆线切割
砂浆切割技术指一种切割高硬脆材料的切割工艺技术。该工艺以钢线为基体，莫氏硬度为 9.5 的碳化硅（SiC）作为切割刃料，钢线在高速运动过程中带动切割液和碳化硅混合的砂浆进行摩擦，利用碳化硅的研磨作用达到切割效果。砂浆线切割技术中，砂浆是磨粒的载体，对悬浮于其中的磨粒起到稳定分散的作用，因此需要一定的黏度，同时砂浆还需要带动磨粒随线锯一起运动，因此需要具有较好的流动性，还应具有较好的导热性防止切片温度过高，在实际应用中一般选择聚乙二醇（PEG）作为磨粒的分散剂。
图 砂浆切割原理示意图
砂浆切割技术具有切缝窄、切割厚度均匀等优点，适用于硅材料和SiC切片，但存在加工效率低、磨粒利用率低、对环境不友好等缺点。
图 砂浆切割示意图
2、金刚石线切割
金刚线，或称金刚石线、电镀金刚线，是用电镀的方法在钢线基体上沉积一层金属镍，金属镍层内包裹有金刚石微粉颗粒，从而使金刚石颗粒固结在钢线基体上而制得的一种线性超硬材料切割工具。金刚线切割技术指以金刚线为切割工具，配合专用的切割设备和适合的切割工艺，实现硬脆材料切割加工的技术。
图 金刚线切割原理示意图
图 金刚线切割示意图
※超声复合线锯：超声辅助的金刚线切割
3、激光切割
激光剥离技术是将激光聚焦到晶圆表面以下，在碳化硅晶锭内部不同深度处进行逐层扫描生成单道或者多道改质层，之后，在外张力作用下，改质层裂纹沿垂直于晶圆表面方向扩展，使晶圆由内向外劈裂，从而在碳化硅晶锭上剥离出晶圆。碳化硅的激光切割一般使用皮秒红外激光器作为光源，近红外波长能够更好的透过碳化硅并聚焦在材料内部形成改质区。这种技术具有材料损耗低、加工效率高、出片数量多等优势，有望成为金刚线切割技术的理想替代方案。
图 DISCO KABRA 激光剥离技术
据DISCO官网介绍，其 KABRA 激光剥离技术6英寸SiC晶锭上切割一个晶片需要10min（一个晶锭需要31h），而传统技术则需要3.1h（一个晶锭需要100h），单个晶锭可生产的晶片数量是现有工艺的 1.4 倍。
图 英飞凌冷切割（cold split）技术
2018年，英飞凌耗资1.24亿欧元收购了一家名为SILTECTRA的晶圆切割公司，其核心技术“冷切割（cold split）”，采用低温和激光技术切出晶圆片，相比于锯切割对于材料的损耗几乎可以忽略不计。通过晶锭的切片和背部减薄的切割方法，冷切割技术理论上可以达到传统晶圆处理方法4倍的利用率。不仅如此，冷切割技术还可以用于GaN晶锭的生产过程中。英飞凌目前已经在晶锭的切片过程中开始试产冷切割技术，未来两年会继续把冷切割技术用到背部减薄工艺中去。
图 微射流激光技术工作图和加工装置示意图
二、碳化硅晶体切割设备供应商
公司名字 | 产品 |
日本东洋先进机床有限公司 | 金刚石线切割 |
日本株式会社安永 | 金刚石线切割 |
中国电子科技集团公司第四十五研究所 | 金刚石线切割 |
青岛高测科技股份有限公司（688556） | 金刚石线切割 |
烟台力凯数控科技有限公司 | 金刚石线切割 |
弘元绿色能源股份有限公司 | 金刚石线切割 |
大连连城数控机器股份有限公司 | 金刚石线切割 |
美国PSS集团（Precision Surfacing Solutions） | 金刚石线切割 |
日本DISCO | 激光切割 |
英飞凌 | 激光切割 |
苏州德龙激光股份有限公司 | 激光切割 |
中国电科第二研究所 | 激光切割 |
华工激光 | 激光切割 |
大族激光 | 激光切割 |
西湖仪器（杭州）技术有限公司 | 激光切割 |
西安晟光硅研半导体科技有限公司 | 微射流激光切割 |
日本高鸟（Takatori） | 砂浆线切割 |
湖南宇晶机器股份有限公司 | 砂浆线切割 |
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原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：碳化硅衬底切割技术及供应商名单
