纳飞光电皮秒激光器切割碳化硅衬底的探究应用

衬底是半导体芯片的底层材料，主要起到物理支撑、导热及导电作用。碳化硅具有比传统的硅材料更高的导电性和更强的热稳定性，是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一，广泛应用于太阳能、车载元件、充电桩、功率电源等生活和生产的诸多领域。

碳化硅衬底制造需经过原料合成、晶体生长、晶体切割、晶片研磨加工以及清洗、抛光、检测等诸多环节。切割环节是关键环节之一，由于碳化硅的硬度很大，莫氏硬度为9.5级，且脆性高，使得加工环节的切割难度大、破损率高，有数据显示碳化硅加工环节的良率约为70%，成本占比约50%。因此，切割良品率的提高，有助于降低碳化硅衬底制造的成本，也符合半导体行业对碳化硅加工降本增效的期望。

目前，碳化硅材料的传统切割方案中，处于金刚线切割替代砂浆线切割的进程中，但依旧存在损耗较大、切割耗材成本高等问题。激光切割作为多线切割的替代方案，在精准度、切割效率、损耗、产品良率等方面具有优势，有助于降低碳化硅的成本，从而加速推动以碳化硅为衬底材料的成品在半导体市场的渗透。

皮秒脉宽的超快皮秒激光器是碳化硅衬底材料切割的高效工具。基于市场对碳化硅衬底材料激光切割的需求，纳飞光电以自研的皮秒激光器为光源，广泛开展碳化硅激光切割探索。该皮秒激光器的脉冲宽度在10ps左右，光束质量优异（M²＜1.3），且脉冲稳定性和功率稳定性非常高，均小于1%RMS，超高稳定性能为切割过程提供持久性可靠输出，保证工业级场景切割应用要求，以及切割一致性更高，从而提升良品率。

当激光以皮秒量级的脉冲时间作用到碳化硅材料上时，随着脉冲能量急剧上升，超高峰值功率能轻易地剥离外层电子，使电子脱离原子的束缚，形成等离子体，继而实现材料去除，这是一个冷加工过程。皮秒激光器的冷加工对碳化硅的硬脆特性更为友好，切割时不易崩边，以及裂痕的产生，随着激光束在材料表面的移动，形成宽度很窄的切缝，完成对材料的切割。

同时，激光与材料相互作用的时间很短，仅为10ps左右，离子在将能量传递到周围材料之前就已经从材料表面被烧蚀掉了，不会给周围的材料带来热影响，热影响区非常的小。而且是非接触式的切割，无机械应力，让碳化硅切割的效率高，切缝小，材料利用率高，兼具性能可靠和成本优势，可成为碳化硅金刚线切割技术的理想替代设备。

大尺寸碳化硅衬底有助于实现降本增效，已成主流发展趋势。衬底尺寸越大，单位衬底可生产更多的芯片，因而单位芯片成本越低，同时边缘浪费的减少将进一步降低芯片生产成本。据媒体报道，目前全球碳化硅衬底主流尺寸为6英寸，正在向8英寸衬底过渡中，国内碳化硅衬底主流尺寸则为4英寸并向6 英寸衬底过渡，预计2025~2030年6英寸晶圆国内市场需求将增长至60万片。更大尺寸则意味着更高加工难度，新时期新形势下，纳飞光电将在当前基础上，面向科技前沿的市场需求，加紧科研公关和实验探索，为半导体行业突破发展赋能。