晶片切割是半导体器件制造中的重要一环，切割方式和切割质量直接影响到晶片的厚度、粗糙度、尺寸及生产成本，更会对器件制造产生影响巨大。碳化硅作为第三代半导体材料，是促进电气革命的重要材料。高质量的结晶碳化硅的生产成本非常高，人们往往希望将一个大的碳化硅晶锭切成尽可能多的薄碳化硅晶片衬底，同时工业的发展使晶片尺寸不断增大，这些都让人们对切割工艺的要求越来越高。但是碳化硅材料的硬度极高，莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石（10级），同时又兼具晶体的脆性，不易切割。目前工业上一般采用砂浆线切割或金刚石线锯切割，切割时在碳化硅晶锭的周围等间距的固定线锯，通过拉伸线锯，切割出碳化硅晶片。利用线锯法从直径为6英寸的晶锭上分离晶片大概需要100小时，切出来的晶片不仅切口比较大，表面粗糙度也较大，材料损失更是高达46%。这增加了使用碳化硅材料的成本，限制了碳化硅材料在半导体行业的发展，可见对碳化硅晶片切割新技术的研究迫在眉睫。

近年来，激光切割技术的使用在半导体材料的生产加工中越来越受欢迎。这种方法的原理是使用聚焦的激光束从材料表面或内部修饰基材，从而将其分离。由于这是一种非接触式工艺，避免了刀具磨损和机械应力的影响。因此，它极大提高了晶圆表面的粗糙度和精度，还消除了对后续抛光工艺的需要，减少了材料损失，降低了成本，并减少了传统研磨和抛光工艺造成的环境污染。激光切割技术早已经应用于硅晶锭的切割，但在碳化硅领域的应用还未成熟，目前主要有以下几项技术。

1、水导激光切割

    水导激光技术（Laser MicroJet, LMJ）又称激光微射流技术，它的原理是在激光通过一个压力调制的水腔时，将激光束聚焦在一个喷嘴上；从喷嘴中喷出低压水柱，在水与空气的界面处由于折射率的原因可以形成光波导，使得激光沿水流方向传播，从而通过高压水射流引导加工材料表面进行切割。水导激光的主要优势在于切割质量，水流不仅能冷却切割区，降低材料热变形和热损伤程度，还能带走加工碎屑。相较线锯切割，它的速度明显加快。但由于水对不同波长的激光吸收程度不同，激光波长受限，主要为1064nm、532nm、355nm三种。

1993年，瑞士科学家Beruold Richerzhagen首先提出了该技术，他创始的Synova公司专门从事水导激光的研发和产业化，在国际上处于技术领先地位，国内技术相对落后，英诺激光、晟光硅研等企业正在积极研发。

图1. 水导激光切割技术

2、隐形切割

隐形切割（Stealth Dicing, SD）即将激光透过碳化硅的表面聚焦晶片内部，在所需深度形成改性层，从而实现剥离晶圆。由于晶圆表面没有切口，因此可以实现较高的加工精度。带有纳秒脉冲激光器的SD工艺已在工业中用于分离硅晶圆。然而，在纳秒脉冲激光诱导的SD加工碳化硅过程中，由于脉冲持续时间远长于碳化硅中电子和声子之间的耦合时间（皮秒量级），将会产生热效应。晶圆的高热量输入不仅使分离容易偏离所需方向，而且会产生较大的残余应力，导致断裂和不良的解理。因此，在加工碳化硅时一般采用超短脉冲激光的SD工艺，热效应大大降低。

图2. 激光隐形切割

    日本DISCO公司研发出了一种称为关键无定形黑色重复吸收（key amorphous-black repetitive absorption, KABRA）的激光切割技术，以加工直径6英寸、厚度20 mm的碳化硅晶锭为例，将碳化硅晶圆的生产率提高了四倍。KABRA工艺本质是上将激光聚焦在碳化硅材料的内部，通过 “无定形黑色重复吸收”，将碳化硅分解成无定形硅和无定形碳，并形成作为晶圆分离基点的一层，即黑色无定形层，吸收更多的光，从而能够很容易地分离晶圆。

图3. KABRA晶圆分离

    被英飞凌收购的Siltectra公司研发的冷切割（Cold Split）晶圆技术，不仅能将各类晶锭分割成晶圆，而且每片晶圆损失低至80μm，使材料损失减少了90%，最终器件总生产成本降低多达30%。冷切割技术分为两个环节：先用激光照射晶锭形成剥落层，使碳化硅材料内部体积膨胀，从而产生拉伸应力，形成一层非常窄的微裂纹；然后通过聚合物冷却步骤将微裂纹处理为一个主裂纹，最终将晶圆与剩余的晶锭分开。2019年第三方对此技术进行了评估，测量分割后的晶圆表面粗糙度Ra小于3µm，最佳结果小于2µm。

图4. 冷切割技术

    国内大族激光研发的改质切割是一种将半导体晶圆分离成单个芯片或晶粒的激光技术。该过程同样是使用精密激光束在晶圆内部扫描形成改质层，使晶圆可以通过外加应力沿激光扫描路径拓展，完成精确分离。

图5. 改质切割工艺流程

    目前国内厂商已经掌握砂浆切割碳化硅技术，但砂浆切割损耗大、效率低、污染严重，正逐渐被金刚线切割技术迭代，与此同时，激光切割的性能和效率优势突出，与传统的机械接触加工技术相比具有许多优点，包括加工效率高、划片路径窄、切屑密度高，是取代金刚线切割技术的有力竞争者，为碳化硅等下一代半导体材料的应用开辟了一条新途径。随着工业技术的发展，碳化硅衬底尺寸不断增大，碳化硅切割技术将快速发展，高效高质量的激光切割将是未来碳化硅切割的重要趋势。