第三代半導體材料逐步實現自主可控，相關技術設備也已“跟上”

南京大學網站4月19日發布《成果推介：大尺寸碳化硅激光切片設備與技術》。該研究成果顯示，南京大學成功研發出大尺寸碳化硅激光切片設備與技術，標志著我國在第三代半導體材料加工設備領域取得重要進展。

南京大學研發的大尺寸碳化硅激光切片設備與技術，在新材料領域特別是第三代半導體材料加工設備方面取得了顯著突破。該技術不僅解決了傳統多線切割技術帶來的高損耗率和長加工周期等問題，還提高了碳化硅器件制造的效率和質量。

傳統多線切割技術在碳化硅晶錠切片加工中，由于碳化硅的高硬度和脆性，導致加工過程中曲翹開裂等問題頻發，材料損耗率高達75%，且加工周期長，產率低。這不僅增加了制造成本，還限制了碳化硅器件制造技術的發展。

針對這些痛點問題，南京大學研發的大尺寸碳化硅激光切片設備采用激光切片技術，顯著降低了損耗并提高了產率。以單個20毫米SiC晶錠為例，采用激光切片技術可生產的晶圓數量是傳統線鋸技術的兩倍以上。此外，激光切片生產的晶圓幾何特性更好，單片晶圓厚度可減少到200um，進一步增加了晶圓數量。

該項目的競爭優勢在于已完成大尺寸原型激光切片設備的研發，并實現了4-6英寸半絕緣碳化硅晶圓的切割減薄、6英寸導電型碳化硅晶錠的切片，目前正在進行8英寸晶錠切片驗證。該設備具有切割時間短、年產晶片數量多、單片損耗低等優點，產片率提升超過50%。

從市場應用前景來看，大尺寸碳化硅激光切片設備是未來8英寸碳化硅晶錠切片的核心設備。目前，這一設備主要依賴日本進口，價格昂貴且存在禁運風險。國內對激光切片/減薄設備的需求超過1000臺，但目前尚無成熟的國產設備銷售。因此，南京大學研發的大尺寸碳化硅激光切片設備具有廣闊的市場前景和巨大的經濟價值。

此外，該設備不僅可用于碳化硅晶錠切割和晶片減薄，還可應用于氮化鎵、氧化鎵、金剛石等其他材料的激光加工領域。


碳化硅激光切割技術

近年來，激光切割技術的使用在半導體材料的生產加工中越來越受歡迎。這種方法的原理是使用聚焦的激光束從材料表面或內部修飾基材，從而將其分離。由于這是一種非接觸式工藝，避免了刀具磨損和機械應力的影響。因此，它極大提高了晶圓表面的粗糙度和精度，還消除了對后續拋光工藝的需要，減少了材料損失，降低了成本，并減少了傳統研磨和拋光工藝造成的環境污染。激光切割技術早已經應用于硅晶錠的切割，但在碳化硅領域的應用還未成熟，目前主要有以下幾項技術。


1. 水導激光切割

水導激光技術（Laser MicroJet, LMJ）又稱激光微射流技術，它的原理是在激光通過一個壓力調制的水腔時，將激光束聚焦在一個噴嘴上；從噴嘴中噴出低壓水柱，在水與空氣的界面處由于折射率的原因可以形成光波導，使得激光沿水流方向傳播，從而通過高壓水射流引導加工材料表面進行切割。水導激光的主要優勢在于切割質量，水流不僅能冷卻切割區，降低材料熱變形和熱損傷程度，還能帶走加工碎屑。相較線鋸切割，它的速度明顯加快。但由于水對不同波長的激光吸收程度不同，激光波長受限，主要為1064nm、532nm、355nm三種。

1993年，瑞士科學家Beruold Richerzhagen首先提出了該技術，他創始的Synova公司專門從事水導激光的研發和產業化，在國際上處于技術領先地位，國內技術相對落后，英諾激光、晟光硅研等企業正在積極研發。


2. 隱形切割

隱形切割（Stealth Dicing, SD）即將激光透過碳化硅的表面聚焦晶片內部，在所需深度形成改性層，從而實現剝離晶圓。由于晶圓表面沒有切口，因此可以實現較高的加工精度。帶有納秒脈沖激光器的SD工藝已在工業中用于分離硅晶圓。然而，在納秒脈沖激光誘導的SD加工碳化硅過程中，由于脈沖持續時間遠長于碳化硅中電子和聲子之間的耦合時間（皮秒量級），將會產生熱效應。晶圓的高熱量輸入不僅使分離容易偏離所需方向，而且會產生較大的殘余應力，導致斷裂和不良的解理。因此，在加工碳化硅時一般采用超短脈沖激光的SD工藝，熱效應大大降低。

日本DISCO公司研發出了一種稱為關鍵無定形黑色重復吸收（key amorphous-black repetitive absorption, KABRA）的激光切割技術，以加工直徑6英寸、厚度20 mm的碳化硅晶錠為例，將碳化硅晶圓的生產率提高了四倍。KABRA工藝本質是上將激光聚焦在碳化硅材料的內部，通過 “無定形黑色重復吸收”，將碳化硅分解成無定形硅和無定形碳，并形成作為晶圓分離基點的一層，即黑色無定形層，吸收更多的光，從而能夠很容易地分離晶圓。

被英飛凌收購的Siltectra公司研發的冷切割（Cold Split）晶圓技術，不僅能將各類晶錠分割成晶圓，而且每片晶圓損失低至80μm，使材料損失減少了90%，最終器件總生產成本降低多達30%。冷切割技術分為兩個環節：先用激光照射晶錠形成剝落層，使碳化硅材料內部體積膨脹，從而產生拉伸應力，形成一層非常窄的微裂紋；然后通過聚合物冷卻步驟將微裂紋處理為一個主裂紋，最終將晶圓與剩余的晶錠分開。2019年第三方對此技術進行了評估，測量分割后的晶圓表面粗糙度Ra小于3μm，最佳結果小于2μm。

國內大族激光研發的改質切割是一種將半導體晶圓分離成單個芯片或晶粒的激光技術。該過程同樣是使用精密激光束在晶圓內部掃描形成改質層，使晶圓可以通過外加應力沿激光掃描路徑拓展，完成精確分離。

目前國內廠商已經掌握砂漿切割碳化硅技術，但砂漿切割損耗大、效率低、污染嚴重，正逐漸被金剛線切割技術迭代，與此同時，激光切割的性能和效率優勢突出，與傳統的機械接觸加工技術相比具有許多優點，包括加工效率高、劃片路徑窄、切屑密度高，是取代金剛線切割技術的有力競爭者，為碳化硅等下一代半導體材料的應用開辟了一條新途徑。


先進半導體材料已上升至國家戰略層面

北京第三代半導體產業技術創新戰略聯盟發布的第三代半導體產業發展白皮書顯示，總體來看，我國第三代半導體產業已進入成長期，技術穩步提升，產能不斷釋放，國產碳化硅（SiC）器件及模塊開始“上機”，生態體系逐漸完善，自主可控能力不斷增強，整體競爭實力日益提升。

2025年目標滲透率超過50%。底層材料與技術是半導體發展的基礎科學，在2025中國制造中，分別對第三代半導體單晶襯底、光電子器件/模塊、電力電子器件/模塊、射頻器件/模塊等細分領域做出了目標規劃。在任務目標中提到2025實現在5G通信、高效能源管理中的國產化率達到50%；在新能源汽車、消費電子中實現規模應用，在通用照明市場滲透率達到80%以上。

其他國家如，美、日、歐等國都在積極進行第三代半導體材料的戰略部署，其中的重點是SiC。作為電力電子器件，SiC在低壓領域如高端的白色家電、電動汽車等由于成本因素，逐漸失去了競爭力。但在高壓領域，如高速列車、風力發電以及智能電網等，SiC具有不可替代性的優勢。

美國等發達國家為了搶占第三代半導體技術的戰略制高點，通過國家級創新中心、協同創新中心、聯合研發等形式，將企業、高校、研究機構及相關政府部門等有機地聯合在一起，實現第三代半導體技術的加速進步，引領、加速并搶占全球第三代半導體市場。

例如，美國國家宇航局（NASA）、國防部先進研究計劃署（DARPA）等機構通過研發資助、購買訂單等方式，開展SiC、GaN研發、生產與器件研制；韓國方面，在政府相關機構主導下，重點圍繞高純SiC粉末制備、高純SiC多晶陶瓷、高質量SiC單晶生長、高質量SiC外延材料生長這4個方面，開展研發項目。在功率器件方面，韓國還啟動了功率電子的國家項目，重點圍繞Si基GaN和SiC。

行業競爭格局

從產業格局看，目前全球SiC產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢。其中美國全球獨大，占有全球SiC產量的70%~80%，碳化硅晶圓市場CREE一家市占率高達6成之多；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產業鏈，在全球電力電子市場擁有強大的話語權；日本是設備和模塊開發方面的絕對領先者。領先企業包括美國科銳（Cree）旗下的Wolfspeed、德國的SiCrystal、日本的羅姆（ROHM）、新日鐵等。

國內目前已實現4英寸襯底的量產；同時山東天岳、天科合達、河北同光、中科節能均已完成6英寸襯底的研發；中電科裝備已成功研制出6英寸半絕緣襯底。

盡管全球碳化硅器件市場已經初具規模，但是碳化硅功率器件領域仍然存在一些諸多共性問題亟待突破，比如碳化硅單晶和外延材料價格居高不下、材料缺陷問題仍未完全解決、碳化硅器件制造工藝難度較高、高壓碳化硅器件工藝不成熟、器件封裝不能滿足高頻高溫應用需求等，全球碳化硅技術和產業距離成熟尚有一定的差距，在一定程度上制約了碳化硅器件市場擴大的步伐。