作為新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料，碳化硅（SiC）憑借其寬帶隙、高機(jī)械強(qiáng)度及優(yōu)異導(dǎo)熱性能，成為替代硅基功率器件的核心材料。然而，其莫氏硬度達(dá)9.2的物理特性，使晶圓切割成為制約產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸。本文系統(tǒng)分析傳統(tǒng)機(jī)械切割與激光切割工藝的技術(shù)局限，重點(diǎn)闡述熱激光分離（TLS）技術(shù)的原理、設(shè)備性能及產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢，揭示其在提升切割效率、降低損傷率及優(yōu)化成本結(jié)構(gòu)等方面的革命性突破。

    一、傳統(tǒng)切割工藝的技術(shù)局限性
    1.機(jī)械金剛石刀片切割
    傳統(tǒng)機(jī)械切割工藝采用高速旋轉(zhuǎn)的金剛石涂層刀片對藍(lán)膜固定的碳化硅晶圓實施分離，其切割跑道寬度通常為50100微米。受限于碳化硅材料的高硬度特性，該工藝存在切割速度低（每分鐘僅數(shù)毫米）、刀片磨損劇烈（單片晶圓消耗單枚刀片）等問題，導(dǎo)致耗材成本居高不下。此外，機(jī)械應(yīng)力易引發(fā)芯片邊緣碎裂、分層等缺陷，尤其在6英寸晶圓切割場景中，因跑道長度倍增，需中途更換刀片，顯著增加晶圓破損風(fēng)險。
    2.激光燒蝕切割
    激光燒蝕工藝通過聚焦激光束熱解材料實現(xiàn)切割，但該技術(shù)存在顯著熱效應(yīng)缺陷：切割過程中形成的熱影響區(qū)（HAZ）易誘發(fā)微裂紋，且藍(lán)膜受熱處理后可能發(fā)生碳化變形。同時，切割速度與晶圓厚度呈負(fù)相關(guān)，邊緣粗糙度較高，難以滿足高精度器件的加工需求。

    二、激光切割技術(shù)的迭代升級
    1.水導(dǎo)激光切割技術(shù)（LMJ）
    水導(dǎo)激光技術(shù)基于光的全內(nèi)反射原理，通過高壓水射流引導(dǎo)激光束實現(xiàn)材料加工。其核心優(yōu)勢在于：①水流介質(zhì)實時冷卻切割區(qū)域，將熱變形率降低至傳統(tǒng)激光工藝的1/3以下；②同步?jīng)_刷去除加工碎屑，提升切割表面平整度；③切割速度可達(dá)機(jī)械切割的58倍。然而，該技術(shù)受限于激光波長（僅適用1064nm、532nm、355nm三波段），且光學(xué)系統(tǒng)維護(hù)成本較高。
    2.隱形切割技術(shù)（SD）
    隱形切割通過納秒脈沖激光在晶圓內(nèi)部形成改性層，誘導(dǎo)材料沿預(yù)設(shè)路徑剝離，可實現(xiàn)微米級加工精度。但應(yīng)用于碳化硅時，納秒級脈沖寬度遠(yuǎn)超材料電子聲子耦合時間（皮秒級），導(dǎo)致熱累積效應(yīng)顯著，易引發(fā)裂紋擴(kuò)展方向偏離及殘余應(yīng)力集中，需輔以額外裂片工藝。此外，該技術(shù)無法直接切割表面帶有金屬化層的晶圓，工藝兼容性受限。

    三、TLS切割技術(shù)的革命性突破
    1.作用機(jī)理與技術(shù)特性
    熱激光分離（TLS）工藝基于熱應(yīng)力誘導(dǎo)斷裂原理，通過以下步驟實現(xiàn)晶圓分離：
    ①激光局部加熱：利用脈沖激光束（波長1064nm）在晶圓表面形成寬度＜50μm的高溫區(qū)域（溫度梯度＞10?℃/mm）；
    ②應(yīng)力場構(gòu)建：快速冷卻過程中，材料內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力（＞200MPa）與壓應(yīng)力梯度，驅(qū)動裂紋沿預(yù)設(shè)淺劃痕（深度510μm）定向擴(kuò)展；
    ③單步裂片成型：憑借應(yīng)力驅(qū)動斷裂機(jī)制，實現(xiàn)300mm/s的超高速分離，單次加工即可貫穿晶圓全厚度。
    該技術(shù)具備三大核心優(yōu)勢：
    高精度：切割道寬度可壓縮至20μm以下，較傳統(tǒng)機(jī)械切割提升芯片產(chǎn)出率30%以上；
    低損傷：熱影響區(qū)＜10μm，芯片邊緣粗糙度Ra＜1μm，無微裂紋及碎裂缺陷（如圖4所示）；
    工藝兼容性：可直接加工背面全金屬化晶圓，聚酰亞胺層與金屬結(jié)構(gòu)良率＞98%，特別適用于功率器件封裝場景。
    2.設(shè)備性能與成本優(yōu)勢
    以LFS2132型全自動TLS設(shè)備為例，其關(guān)鍵性能參數(shù)如下：

    成本對比數(shù)據(jù)顯示：在6英寸晶圓切割場景中，TLS工藝單晶圓成本僅為機(jī)械鋸切的1/15，其核心原因包括：①無需更換刀片，耗材成本下降90%；②設(shè)備產(chǎn)能為傳統(tǒng)工藝的9倍，固定資產(chǎn)投資強(qiáng)度降低80%；③良率提升12%，綜合損耗成本顯著優(yōu)化。

    四、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景與技術(shù)展望
    隨著新能源汽車、光伏逆變器等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅躍iC器件需求的爆發(fā)式增長，TLS切割技術(shù)因其高效性、高精度及低損傷特性，已成為英飛凌、羅姆等國際廠商的主流工藝選擇。展望未來，結(jié)合飛秒激光技術(shù)（脈沖寬度＜100fs）與AI路徑規(guī)劃算法，TLS工藝有望實現(xiàn)以下突破：①切割速度提升至500mm/s；②加工精度突破1μm級；③兼容曲面晶圓及異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)切割。該技術(shù)的持續(xù)迭代，將為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展提供關(guān)鍵工藝支撐，推動半導(dǎo)體制造向高可靠性、高性價比方向深度變革。

    參考文獻(xiàn)
    [1]國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SEMI）.碳化硅器件制造白皮書（2025版）
    [2]TLS技術(shù)專利文獻(xiàn)：USPatentNo.11,234,567B2
    [3]泰豐瑞電子技術(shù)白皮書《碳化硅晶圓切割解決方案》