作者：胡北辰，張志耀，張紅梅，牛奔
（中國電子科技集團公司第二研究所）

摘要

SiC具備優(yōu)異的物理特性，可顯著提升微波射頻、電力電子等器件的性能與能效，但高昂的襯底成 本影響了SiC的廣泛應(yīng)用。除了長晶速度慢、良率低外，晶體加工也是其價格居高不下的重要原因。激光剝離技 術(shù)結(jié)合激光垂直改質(zhì)與可控晶體剝離，可實現(xiàn)低損耗、高效率、高質(zhì)量的SiC晶體加工。介紹了SiC產(chǎn)業(yè)瓶頸、技 術(shù)難點、激光剝離技術(shù)原理，并重點總結(jié)了激光剝離技術(shù)的研究進展。

0 引言 

SiC半導(dǎo)體具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo) 率高的性能優(yōu)勢，在高功率、高頻率環(huán)境下能保持 較高的效率，并且具有較強的耐高溫能力和抗輻射 能力。SiC已成為大功率微波射頻器件與高電壓電力 電子器件的主要襯底材料，在衛(wèi)星通訊、高壓輸變 電、軌道交通、電動汽車、通訊基站、國防軍工等 領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景（如圖1所示）。據(jù)估算，SiC 基半導(dǎo)體器件可使大數(shù)據(jù)中心能耗降低50%，特高壓 電網(wǎng)損耗降低60%，新能源汽車?yán)m(xù)航里程提高20%以 上，軌道交通功率器件系統(tǒng)損耗降低20%以上，工業(yè) 電機節(jié)能30%。目前，SiC等寬禁帶半導(dǎo)體已被列入 我國“十四五”發(fā)展規(guī)劃，成為在國家層面重點發(fā) 展的關(guān)鍵技術(shù)。 

圖1 SIC半導(dǎo)體材料的應(yīng)用

近年來，全球范圍內(nèi)對SiC材料需求快速增長。根據(jù)Yole全球產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)，SiC同質(zhì)外延電力電子器件 市場規(guī)模有望從2018年的4億美元增加到2027年的 172億美元，復(fù)合年增長率約51%，SiC基GaN外延微 波射頻器件市場規(guī)模也有望從2018年的6億美元增加 到2027年的34億美元，對應(yīng)SiC襯底材料市場規(guī)模從2018年的1.21億美元增長到2024年的11億美元，復(fù)合 年增長率達44%，2027年SiC襯底材料市場規(guī)模將達 到約33億美元。在國內(nèi)4G/5G通信、新能源等行業(yè)旺 盛需求的牽引下，我國在SiC半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域雖起步 較晚，但已形成了較大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的突出瓶頸是高昂的襯底材料成 本，目前單晶襯底材料占器件總成本的50%左右，導(dǎo) 致其現(xiàn)階段僅被用于部分對成本不敏感的領(lǐng)域。以 電力電子領(lǐng)域為例，雖然SiC基器件性能具有顯著優(yōu) 勢，但絕大多數(shù)應(yīng)用場景仍將Si基器件作為首選，目 前SiC在電力電子器件領(lǐng)域的滲透率僅為4.2%~4.5%。除單晶生長過程的生長速度慢、能耗高、良率低 外，SiC材料莫氏硬度高達9.2~9.5，是自然界中僅次 于金剛石的高硬度材料，導(dǎo)致SiC晶體加工速度慢、 原材料損耗大、加工良率低，大幅度地增加了襯底 的成本，并影響襯底的產(chǎn)能提升。

從晶錠到合格襯底片，目前國內(nèi)SiC晶體加工 產(chǎn)線普遍使用的加工流程主要分為磨平、滾圓、切 割、粗研磨、精研磨、機械拋光、化學(xué)機械拋光、 清洗、檢測等多道工序，其中用于SiC晶體切片的 多線切割過程是SiC加工損失的主要來源。如圖2所 示，與切割線直徑相近的SiC材料會被磨削成碎屑 （150~250 μm），稱為鋸口損失（Kerf Loss），而 切割線的高速行走過程還會造成20~50 μm的粗糙起 伏與表面/亞表面結(jié)構(gòu)損傷，必須通過后續(xù)磨拋工藝 去除，總材料損耗量占原材料的30%~50%。此外， 因多線切割過程需使用液體進行磨削、鋸口冷卻與 碎屑沖洗，不可避免地產(chǎn)生大量含硅廢水，廢水中 微米至納米粒徑的顆粒物難于絮凝，回收難度大， 易造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

圖2 多線切割對晶體的損傷示意圖

事實上，多線切割技術(shù)可一次性切割長度400 mm 以上的晶錠，有利于大尺寸晶體加工效率的提升， 但會導(dǎo)致與線徑尺度相近的鋸口損失。因此，多線切割技術(shù)適用于單晶Si、多晶Si、藍寶石等材料成本 低，晶錠橫縱向尺度大的晶體材料，而SiC材料成本 高，晶錠長度短，需將數(shù)個晶錠粘接后進行多線切 割，生產(chǎn)效率低、切割損耗成本高，因此有必要開 發(fā)更適用于SiC材料的晶體加工新方法。 

1 激光剝離技術(shù)原理  

激光剝離技術(shù)是將激光精密加工技術(shù)與晶體剝 離技術(shù)相結(jié)合，預(yù)先在晶體內(nèi)特定位置制造結(jié)合力 較薄弱的改質(zhì)層，有利于剝離工藝中形成確定的晶 體斷裂位置，從而提升了剝離過程的可控性與晶片 的厚度一致性，這對于SiC等高硬度、高脆性、高材 料成本的單晶材料加工尤為重要。 

如圖3所示，常規(guī)的激光加工是利用燒蝕效應(yīng) 或平行改質(zhì)技術(shù)。這類技術(shù)是將材料沿激光入射方 向進行分離，僅可用于晶圓上的芯片分割。激光垂 直改質(zhì)技術(shù)利用可穿透晶體的一定波長的激光，通 過特殊設(shè)計的激光光學(xué)系統(tǒng)，在晶體內(nèi)部極窄的深 度范圍內(nèi)實現(xiàn)高密度光吸收，從而令晶體材料發(fā)生 化學(xué)鍵斷裂與分解、激光誘導(dǎo)電離、熱致開裂等一 系列物理化學(xué)過程。使用激光束在整個晶體表面掃 描，即可形成垂直于激光入射方向的改質(zhì)層。

圖3 激光加工原理示意圖

可控晶體剝離是一種新型晶體加工技術(shù)，通 常使用精準(zhǔn)控制的機械結(jié)構(gòu)或精確設(shè)計的表面應(yīng)力 層，誘導(dǎo)晶體開裂，最終實現(xiàn)晶體表面附近的薄層 完整無損剝離，具有速度快、成本低、化學(xué)危害小 的優(yōu)點。實現(xiàn)激光垂直改質(zhì)后，借助可控晶體剝離 技術(shù)，可完成晶體的整片分割。相較于常規(guī)的晶體 機械加工方式，此技術(shù)從原理上避免了鋸口損失， 且晶體內(nèi)部損傷較小，大大降低了SiC襯底加工過程 的材料損耗。 

激光剝離技術(shù)可將晶錠加工成晶片，是多線切 割的替代技術(shù)。如圖4所示，用于量產(chǎn)的激光剝離 技術(shù)應(yīng)包含激光改質(zhì)、晶體剝離、晶錠加工三個工 藝步驟。首先在晶錠內(nèi)部指定深度使用激光掃描形 成一個完整的改質(zhì)面，降低晶體結(jié)合力；而后利用 機械拉伸、機械扭轉(zhuǎn)、超聲振動、冷卻的方式，使 晶體在改質(zhì)面處斷裂，分割為晶錠與晶片；由于剝 離后的晶錠表面粗糙度較大，對激光的散射效應(yīng)較 強，因此在下一層激光改質(zhì)前需將晶錠表面加工至較光滑的狀態(tài)。上述三個步驟依次循環(huán)，即可將晶 錠連續(xù)加工成晶片。半導(dǎo)體器件制造工藝需在原子 級平滑的表面上進行外延薄膜生長，利用激光剝離 技術(shù)加工的晶片表面粗糙度僅可達到微米級，因此 需進一步通過磨拋加工，方可制成合格襯底片。

圖4 SiC晶體的激光剝離技術(shù)示意圖

與多線切割相比，激光剝離技術(shù)更適合材料 成本高、晶錠長度短的硬脆晶體加工領(lǐng)域，實現(xiàn)晶 體加工成本的大幅下降，并提高加工效率與加工質(zhì) 量。近期日本名古屋大學(xué)天野浩團隊證明激光剝離 技術(shù)可很好地應(yīng)用于GaN單晶襯底及晶體管器件的加 工、，展現(xiàn)了優(yōu)良的技術(shù)可拓展性。因此，激光剝 離裝備被譽為半導(dǎo)體材料制備領(lǐng)域的“光刻機”， 有望成為半導(dǎo)體材料制造產(chǎn)業(yè)中的核心工藝裝備。 

2 激光剝離技術(shù)研究進展   

在不同的加工工藝條件下，超快激光可引起多種 透明材料內(nèi)部的形成結(jié)構(gòu)、成分、折射率變化。在2006年，日本科學(xué)家已能實現(xiàn)以納秒脈沖激光聚焦 Si內(nèi)部，局部加熱可控深度產(chǎn)生高密度位錯，繼而實 現(xiàn)無碎片化的切割技術(shù)。2009年，日本國立德島大 學(xué)報道了由飛秒激光引發(fā)的微型爆裂現(xiàn)象，在SiC中 產(chǎn)生了應(yīng)力層及空隙。2017年日本京都大學(xué)通過特 殊光學(xué)設(shè)計，在晶錠預(yù)定深度聚焦激光掃描，引起 SiC的無定形轉(zhuǎn)化、分解，從而實現(xiàn)切割，所得晶片 均方根粗糙度5 μm。 

晶體剝離技術(shù)方面，早在1985年美國科學(xué)家就 證明了在應(yīng)力層的殘余拉伸應(yīng)力作用下，可從Si和 GaAs晶片上剝離薄層。但是，早期的晶體剝離試 驗過程很難控制，因為當(dāng)應(yīng)力達到由晶片斷裂韌性 確定的閾值時，裂紋會自發(fā)產(chǎn)生并隨機傳播，造成 剝離層厚度不均甚至碎裂。美國IBM公司研發(fā)了一種 可控剝離技術(shù)，該方法設(shè)計了額外的牽引層，用于 施加外力觸發(fā)斷裂，并定向引導(dǎo)裂紋擴展，還建立 了臨界應(yīng)力和剝落層厚度相關(guān)性的理論模型，為工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)。此外，晶圓級的Si、GaN單晶， 以及III-V族太陽能電池、集成電路、LED等半導(dǎo)體 器件均可利用該技術(shù)實現(xiàn)可控剝離。 

在產(chǎn)業(yè)化技術(shù)方面，日本Disco公司與德國 Siltectra公司分別發(fā)布了適用于4~6英寸SiC晶錠整片 剝離的激光剝離技術(shù)，可大幅提高SiC晶體加工效 率與加工質(zhì)量，降低SiC襯底成本。日本Disco公司 研發(fā)了“KABRA（Key Amorphous-Black Repetitive Absorption，關(guān)鍵非晶黑色重復(fù)吸收）”技術(shù)，以激 光誘導(dǎo)SiC非晶態(tài)轉(zhuǎn)化，并通過機械、超聲等方式實現(xiàn) 了SiC晶錠切片，6英寸激光改質(zhì)時間≤15 min，相應(yīng) 設(shè)備已于2018年實現(xiàn)銷售。該公司完成了KABRA技 術(shù)的晶圓加工全流程試驗，并將激光剝離制造的晶 圓進行了肖特基二極管器件驗證，結(jié)果表明激光剝 離技術(shù)可獲得同等的器件性能。德國Siltectra公司提 出了“Cold Split（冷剝離）”技術(shù)，用超快激光在 晶體內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，而后通過聚合物冷卻將晶片 與剩余晶錠分離。2017年11月，Siltectra公司在德國 德累斯頓建立了一條使用Cold Split技術(shù)加工SiC晶體 的試驗線。2018年11月，德國半導(dǎo)體巨頭英飛凌耗資 1.24億歐元收購了Siltectra公司，Cold Split技術(shù)也已 通過英飛凌公司驗證，預(yù)計在2023年整合至批量生產(chǎn)中。 

我國相關(guān)領(lǐng)域起步較晚，技術(shù)積累較少。國內(nèi)中國電子科技集團公司第二研究所、大族激光等單位率先開展試驗探索，具備了SiC晶體激光剝離工藝 與裝備研發(fā)能力，山東天岳、華為、松山湖材料實驗室等機構(gòu)也布局了相關(guān)專利。 

3 激光剝離技術(shù)優(yōu)勢   

激光加工技術(shù)具有自動化程度高和易集成的優(yōu) 勢。日本Disco公司基于KABRA工藝技術(shù)和精密加工 設(shè)備的研發(fā)基礎(chǔ)，研制了具備激光剝離、研磨、拋 光等功能的KABRA!zen型全自動SiC多晶錠并行加工 系統(tǒng)。據(jù)該公司分析[19-20]，若在SiC襯底制造工藝中 使用KABRA!zen系統(tǒng)替代傳統(tǒng)機械加工設(shè)備，按照從 直徑6英寸、厚度20 mm的SiC晶錠加工標(biāo)準(zhǔn)的350 μm 晶片估算，激光垂直改質(zhì)剝離技術(shù)具有較大的優(yōu)勢 （見表1）。

表1 Disco公司激光剝離技術(shù)優(yōu)勢

1）激光剝離技術(shù)可充分利用激光加工設(shè)備的易集成易自動化特性，將多個晶錠的研磨、改質(zhì)切 割、剝離工序并行實施，從而提高加工效率。 

2）激光剝離技術(shù)幾乎無材料損耗，僅需在后續(xù)磨拋工藝中將上下表面共去除約80 μm的材料。而 多線切割工藝中會造成與切割線直徑接近厚度的材料損傷（按180 μm估算），后續(xù)磨拋工藝也需去 除約80 μm的粗糙起伏區(qū)與損傷層，因此使用激光 剝離技術(shù)SiC加工損耗可從260 μm降低至80 μm。對于20 mm厚的SiC晶錠，等量原料的情況下產(chǎn)量提 升44%。 

3）多線切割技術(shù)會導(dǎo)致切割面較大的粗糙度與 亞表面損傷，需要使用粗研磨工藝以去除晶片表面 上的起伏。而激光剝離工藝可將剝離面晶片起伏控 制在極低的水平，因而可省略粗研磨步驟，從而節(jié)約了時間、設(shè)備及人力成本。 

另外，基于高純半絕緣SiC襯底的微波射頻器件制造過程中，為降低寄生電容，并方便制造通孔以 實現(xiàn)共接地，通常需將SiC襯底減薄至100 μm左右， 且襯底厚度需隨器件工作頻率而減小。而在導(dǎo)電型 SiC襯底的電力電子器件制造中，背面減薄也可提 高正向?qū)娏髅芏?、降低正向壓降、降低通態(tài)損耗。目前，襯底背面減薄通過砂輪磨削實現(xiàn)，由于 SiC屬于高硬度脆性材料，磨削法加工效率較低，材料浪費嚴(yán)重，且易導(dǎo)致過大的晶圓翹曲。激光剝離 不僅可實現(xiàn)指定厚度的晶圓減薄，還可實現(xiàn)剝離晶 片的二次利用。據(jù)估算，若采用激光剝離技術(shù)回收 剝離下來的晶片，每片6英寸SiC器件晶圓的制造成本 可節(jié)約近300美元，從而降低SiC器件制造商約30%的 材料成本。

4 前景與展望    

激光剝離技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、材料損耗小的 突出優(yōu)勢，是極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦途w加工技術(shù)。但是，為實現(xiàn)激光剝離工藝與設(shè)備的廣泛推廣，還 有很多待解決的工程問題：

1）對于現(xiàn)有的晶體剝離 方案，其力學(xué)本質(zhì)均為硬脆材料的斷裂過程，此過 程可控性差，需大量工藝優(yōu)化以降低晶片翹曲度及 殘余應(yīng)力；

2）與傳統(tǒng)晶體加工過程不同，激光掃 描與晶體剝離均為逐片處理的過程，其工藝一致性 與穩(wěn)定性有待批產(chǎn)驗證；

3）激光改質(zhì)與剝離單元技 術(shù)有望取代多線切割工序，但其對晶片的加工效果 與多線切割存在差異，為實現(xiàn)批產(chǎn)應(yīng)用，需對晶體 加工前后工序進行調(diào)整與優(yōu)化，提高激光剝離的產(chǎn) 線適用性；

4）SiC半導(dǎo)體器件均工作在高溫、高電 壓、高電流等極端環(huán)境，激光剝離技術(shù)盡管已經(jīng)過 實驗室器件驗證，器件的長期可靠性與穩(wěn)定性仍有 待長周期多場景的考驗。

從長遠來看，激光垂直改質(zhì)剝離技術(shù)必將成為 SiC半導(dǎo)體領(lǐng)域一項技術(shù)革命，該技術(shù)也可應(yīng)用于 GaN、AlN、金剛石等硬脆半導(dǎo)體材料的高效加工， 從而將寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)推向新的高度。

(來源：電子工藝技術(shù))