自1960年代起，以硅為標志的第一代半導體材料一直是半導體行業產品中使用最多的材料，由于其在通常條件下具備良好的穩定性，硅襯底一直被廣泛使用于集成電路芯片領域；但硅襯底在光電應用領域、高頻高功率應用領域中存在材料性能不足的缺點，因此以光通訊為代表的行業開始使用GaAs和、InP等二代半導體材料作為器件襯底。
SiC和GaN為代表的寬禁帶寬度材料（Eg≥2.3eV）則被稱之為第三代半導體材料。除了寬禁帶寬度的特點，第三代半導體的主要特點在于高擊穿電壓、高熱傳導率、高飽和電子濃度以及高耐輻射能力，這些特性決定了第三代半導體材料在眾多嚴酷環境中也能正常工作。SiC作為第三代半導體中的代表材料，可以應用于各種領域的高電壓環境中，包括汽車、能源、運輸、消費類電子等等。據預測，到2025年全球SiC市場將會增加到60.4億美元（ResearchAndMarkets.com）。
SiC晶圓傳統上采用刀輪進行切割，但由于SiC的Mohs硬度達到了9以上，需要選用相對昂貴的金剛石材質作為刀輪，且刀輪耗材的使用壽命也大大減小。正因為SiC擁有較高的機械強度，使得刀輪耗材的成本更高、切割效率極低。
表一 常見材料的莫氏硬度
目前激光切割SiC晶圓的方案為激光內部改質切割，其原理為激光在SiC晶圓內部聚焦，在晶圓內部形成改質層后，配合裂片進行晶粒分離。SiC作為寬禁帶半導體，禁帶寬度在3.2eV左右，這也意味著材料表面的對于大部分波長的吸收率很低，使得SiC晶圓與激光內部改質切割擁有絕佳的相匹配性。
圖一 激光激光內部改質切割示意圖
圖二 SiC的吸收圖譜 Choyke (1969)[1]
由于碳化硅自然界中擁有多態（Polymorphs），例如3C-SiC，4H-SiC，6H-SiC等，其中六方晶系的碳化硅理論上有無數種多態可能性。目前行業內選用的碳化硅多態為4H-SiC。為了獲得想要的低缺陷4H-SiC，SiC晶圓通常需要以4°偏軸在種子晶格上進行晶錠生長。因此，在切割垂直晶圓平邊的方向時，裂紋會與C面軸向[0001]產生4°偏角。使用普通激光切割設備進行切割時，4°的偏角會使材料裂開變得困難，從而使得最終該方向產生嚴重崩邊（chipping）和切割痕跡蜿蜒（meandering）。
圖三 4H-SiC的偏軸示意圖
大族顯視與半導體自主研發的第三代半導體SiC晶圓激光內部改質切割設備（圖六），針對晶格結構的方向，對激光器和光路系統進行了升級，配合精準的平臺移動和焦點能量密度控制；針對SiC的晶體學特性壓制了材料的斜裂，從而在垂直平邊的切割方向也能獲得優秀的效果，最終產品晶粒兩個方向均無崩邊、無碎屑、無雙晶、無可見蜿蜒（能控制在1μm以內），實際效果如下圖（圖四＆圖五）。
圖四 SiC產品切割效果正面圖
圖五 SiC產品切割效果背面圖
該設備為國內首臺第三代半導體SiC晶圓激光內部改質切割設備。自2015年開始，大族顯視與半導體配合半導體行業客戶需求，自主研發并生產了該設備，打破了國外技術壟斷，填補了國內市場空白。該技術自成型以來，已形成批量銷售，大族顯視與半導體技術團隊以激光切割設備為核心在多個客戶現場提供整套的碳化硅切割解決方案，備受客戶贊譽。
圖六 大族第三代半導體激光內部改質切割設備
隨著SiC市場規模的擴大以及終端品質要求的提升，SiC晶圓加工行業面臨更大的機遇和挑戰。大族顯視與半導體作為第三代半導體晶圓激光切割領域的領跑者，將不斷創新、研發，為半導體行業提供最專業的激光加工設備及方案。
【參考文獻】
[1]Choyke, W., 1969. OPTICAL PROPERTIES OF POLYTYPES OF SiC: INTERBAND ABSORPTION, AND LUMINESCENCE OF NITROGEN-EXCITON COMPLEXES. Silicon Carbide–1968, pp.S141-S152.
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