碳化硅（SiC）单晶材料作为第三代半导体材料的代表，具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和迁移率高及抗辐射能力强等优越性能，既可以满足功率器件对耐高温、大功率、高电压的要求，也可以满足射频器件对于高导热和抗辐射等需求，在电动车、新能源、通讯领域具有巨大的应用前景。碳化硅作为衬底材料，由于自身硬度高、加工难度大，采用传统的刀轮切割技术，面临着加工效率低、环境负担重、材料损耗大等问题，导致生产成本高，价格昂贵，难以大规模应用。

碳化硅材料加工难度：

硬度大，莫氏硬度分布在9.2～9.6；

化学稳定性高，几乎不与任何强酸或强碱发生反应；

加工设备尚不成熟。

碳化硅材料的特性

碳化硅是ⅠⅤ-ⅠⅤ族二元化合物半导体，具有强离子共价键，键能稳定，具有优异的力学、化学性能。材料带隙即禁带能量决定器件的诸多性能，包括光谱响应、抗辐射、工作温度、击穿电压等，碳化硅禁带宽度较大。

由于最常用的4H-SiC禁带能量为3.23eV，具有良好的紫外光谱响应特性，用于制作紫外光二极管。SiC临界击穿电场比普通半导体硅和砷化镓大很多，其制作器件具有优异的高耐压特性。

击穿电场和热导率决定器件的最大功率传输能力，SiC的热导率高达5w/(cmk)，高于许多金属，非常适合高温、大功率器件和电路。碳化硅热稳定性好，在~下工作。碳化硅硬度高，耐磨性好，常用于研磨和切割其他材料，这意味着碳化硅衬底切割划片非常困难。

目前用于电子器件制作的碳化硅晶片主要有两种，n型导电晶片厚度为~m，电阻率为0.~0.cm2，主要用于发光二极管、电力电子行业的功率器件高纯半绝缘晶片厚50~m，电阻率cm2，主要用于微波射频、氮化镓晶体管等领域。针对半导体行业应用的SiC晶片切割，研究了几种加工方法的特点和应用。

碳化硅晶片切割划片方法

1、砂轮划片

砂轮切割机通过空气静压电主轴使刀片高速旋转，实现材料强力磨削。所用刀片镀有金刚砂颗粒，金刚砂的莫氏硬度为10级，只比硬度9.5级的SiC稍高，反复低速磨削不仅费时，而且费力，同时也会导致刀具的频繁磨损。例如，mm(4英寸)的SiC晶片，一片一片地切割需要6~8小时，容易成为碎片的原因。因此，这种传统的低效加工方式逐渐被激光切割所取代。

2、激光全划

激光划线是指用高能激光束照射工件表面，使被照射区域局部熔融气化，除去材料，实现切割的过程。激光划线非接触加工，无机械应力损伤，加工方式灵活，无刀具损耗和水污染，设备使用维护成本低。为了防止激光穿透晶片时对支撑膜造成损伤，采用高温烧蚀的UV膜。

目前激光划线设备采用工业激光，波长主要有nm、nm、nm三种，脉冲宽度为纳秒、皮秒、飞秒级。理论上，激光波长越短、脉冲宽度越短，加工热效应越小，有利于精细精密加工，但成本相对较高。nm紫外纳秒激光由于技术成熟、成本低、加工热效应小，应用十分广泛。近年来，nm皮秒激光技术发展迅速，应用于许多新领域，取得了很好的效果。图1、图2分别比较了两种激光对SiC晶片的切割效果。

由图1、图2可见，nm紫外激光加工热效应小，但未完全气化的熔渣粘连堆积在切割道内，切割截面不光滑，附着的熔渣在后续工艺中容易脱落，影响器件性能。1)nm皮秒激光采用大功率，切割效率高，材料去除充分，截面均匀，但加工热效应过大，芯片设计需要保证更宽的切割轨道。

3、激光半切

激光划线适用于理性优良的材料加工，用激光划线到一定深度后，采用裂片方式，产生沿切割道纵向延伸的应力使芯片分离。该加工方式效率高，不需要贴膜去除膜工序，加工成本低。但是，如图3所示，碳化硅晶片的解理性差，不易产生裂片，裂纹面易缺损，横切部分仍存在熔渣粘连现象。

4、激光隐形切割

激光划线将激光聚焦在材料内部，形成改性层后，通过裂片或扩膜分离芯片。表面无粉尘污染，材料几乎无损耗，加工效率高。实现隐形切割的两个条件是材料对激光透明，足够的脉冲能量产生多光子吸收。

碳化硅在室温下的带隙能量Eg约为3.2eV，为5.-19J。nm激光光子能量E=hc/=1.-19J。可见，nm激光光子能小于碳化硅材料的吸收带隙，表现出光学透明的特性，满足不可见的划线条件。实际透射率与材料的表面特性、厚度、掺杂剂种类等因素有关，以厚度m的碳化硅抛光晶片为例，实测1,nm的激光透射率约为67%。使用脉冲宽度极短的皮秒激光，多光子吸收的能量不会转化为热能，只会在材料内部引起一定深度的改性层，改性层是材料内部的裂纹区域、熔融区域或折射率变化区域。通过后续的裂片工艺，晶粒沿改性层分离。

碳化硅材料降解性差，改性层间距不宜过大。试验采用JHQ-全自动划片机和m厚的SiC晶片，切入22层，切入速度mm/s，撕裂截面比较光滑，缺口边小，边缘整齐。如图4所示。

5、水导激光切割

导水激光器是将激光聚焦后导入微型水柱中，水柱直径随喷嘴孔径而异，有~30m多种规格。利用水柱与空气界面全反射的原理，激光导入水柱后，沿水柱的前进方向传播。

水柱可以在稳定的范围内加工，长有效工作距离特别适用于厚材料的切割。传统激光切割过程中，能量的积累和传导是切割道两侧热损伤的主要原因，而水导激光在水柱的作用下，不会迅速吸收每个脉冲剩下的热量并积聚在工件上，因此切割道很干净。

基于这些优点，理论上采用水导激光切割碳化硅是一个很好的选择，但该技术难度大，相关设备成熟度不高，易损喷管制作难度大，不能精确稳定地控制微细水柱，飞溅的水滴就会烧蚀掉芯片因此，该工艺目前不适用于碳化硅晶片的制造过程。

结语

本文分析了目前碳化硅晶片切割的几种工艺方法，结合工艺试验和数据，比较了各自的优劣和可行性。其中激光隐形切割与裂片相结合的加工方法，加工效率高，工艺效果满足生产需要，是碳化硅晶片的理想加工方式。