中国粉体网讯 碳化硅衬底可用于制备耐高温、高压、抗辐射的功率器件、射频器件、探测器件等，将在消费电子领域、新能源汽车、轨道交通等领域得到广泛的应用，具有广阔的应用前景和重要的战略意义。单晶碳化硅晶圆片的制造工艺主要包括晶锭拉伸、晶锭切片等工艺流程，目标是获得一定厚度的高质量碳化硅晶圆片。
碳化硅功率器件制造流程中的关键工艺
然而，碳化硅由于其自身硬度极高、脆性大、化学稳定性良好，导致加工难度较大，因此，碳化硅的切割工艺成为当前研究的热点。目前，碳化硅单晶片的切割方法主要有金刚石圆锯片切割、电火花线切割、线锯切割、激光热应力控制断裂切割技术（激光热裂切割技术）和激光隐形切割技术等。
砂轮切割
砂轮切割原理图
砂轮切割是利用高精密划片机进行晶圆的划切。样品被贴附到蓝膜上，高速旋转的金刚石刀具与SiC样品相互磨削，通过机械应力诱导材料发生脆性断裂，从而实现材料的分离。在切割过程中，刀具以极高的转速（通常为30000~50000rpm）旋转，并在轴向施加一定的进给压力。刀具通常由金刚石与粘结剂组成，表面分布着大量微米级的金刚石颗粒。这些颗粒与SiC表面接触时会产生极高的局部应力，导致材料的内部产生微裂纹。随着刀具的持续进给，这些微裂纹沿特定的晶面扩展并且相互连接，最终形成宏观的断裂，实现材料的切割。切割质量受多种因素的影响：刀具转速、进给速度、冷却液的使用都会对切割效果产生显著的影响。
水射流切割
水射流切割原理图
水射流切割技术是一种基于高压水射流的加工方法，将水加压至超高压，通过微小孔径喷嘴形成高速射流，进而实现对材料的切割。该技术可分为纯水射流切割和磨料水射流切割两种形式，磨料水射流切割通过在水射流中混入磨料颗粒（如石榴石或氧化铝），显著提升了对硬质材料的加工能力。
水射流切割具有以下显著优势：冷加工特性避免了热影响区的形成，适用于对热敏感材料的加工；具有较高的加工灵活性，能够实现复杂几何形状的切割；无污染且低噪音。然而，水射流切割也存在一定的局限性，切割速度相对较慢，设备初期投资较高，对于碳化硅等超硬材料的加工效率有限，容易导致材料脆裂。
水导激光切割
水导激光切割原理示意图
水导激光切割原理是使用一束水射流作为激光的传输媒质，该水射流束垂直于材料表面，激光传输至水射流束内部后，在空气与流束界面形成全反射，激光多次反射后其能量由高斯分布转化为平顶分布，随后作用在工件表面。水导激光切割技术能有效降低激光的热效应，然而，该技术需要引入微水流束，提高了设备制造难度与造价。同时，激光与微水射流束的稳定耦合难度大，设备的稳定运行时间短，维修费用高，设备操作难度较大，实用性较低。考虑到水导激光低实用性与低加工效率，该方法在晶圆切割领域暂时难以获得广泛的应用。
激光烧蚀切割
激光烧蚀切割原理图
激光烧蚀切割方法的加工原理是将光束聚焦于材料表面，材料吸收激光能量，晶格中原子产生受迫震荡，热运动加速，产生热量，当输入能量大于材料烧蚀阈值时，材料受热熔化、气化后被去除。目前而言，激光烧蚀切割扫描速度最大可达1000mm/s，加工速度快，然而，该方法仍以材料去除为主，需将激光扫描区域材料全部气化，过高的热输入往往会引起极大的热影响区、热裂纹等热损伤，降低了切缝质量。
激光热裂切割
激光热裂切割技术是利用激光局部照射产生不均匀的热膨胀，进而产生特殊的拉、压应力场来控制裂纹的扩展过程。这种切割方法属于非接触无材料损失加工，并且具有切割断面质量好、切割效率高、清洁安全无污染等优点。但是激光热裂法加工硬脆性材料也有一定的局限性，主要体现在以下两个方面：一是无法对厚的（＞10mm）不透明材料进行切割；二是只能沿着直线路径切割，当切割路径为曲线、折线或非对称直线图案时存在切割路径偏差问题。为了解决上述问题，科研人员在激光热裂切割原理的基础上进行系统优化或参数调整，形成了双光束热裂切割技术、激光多焦点热裂切割技术、超短脉冲激光热裂切割技术等一系列新的切割方法，促进了该技术在加工领域的广泛应用。
激光隐形切割
激光隐形切割其核心原理是利用特定波长的半透明激光束，通过光学聚焦系统将能量集中于晶圆内部的特定位置，从而形成改质层。该技术主要包含两个关键步骤：改质层的形成与芯片分离。在激光切割阶段，根据被加工材料的物理特性，选择相应波长的激光，通过工艺参数的优化，在晶圆内部形成改质层。改质层的形成伴随着向晶圆正反表面方向延伸的微裂纹的产生。对于具有一定厚度的晶圆，需要通过调整激光焦点的位置，在晶圆内部不同深度处进行多次聚焦扫描，使各改质层相互连接，最终形成完整的改质层网络。在激光改质层形成后，晶圆需要通过机械力实现最终分离。通常采用辊压或拉伸的方式，将改质层处的微裂纹扩展至整个晶圆厚度，从而实现芯片的完全分离。机械分离过程中改质层的均匀性和裂纹控制至关重要，以避免材料崩边的产生。
参考来源：
刘夫等.碳化硅晶圆片划片切割方法综述
邹苗苗.碳化硅晶圆切割方法综述
王进虎.超硬材料碳化硅的切割工艺研究
（中国粉体网编辑整理/初末）
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