硬度仅次于金刚石，却怕一刀切？碳化硅：激光，你来吧！

碳化硅莫氏硬度9.2～9.5，仅次于金刚石，脆性大、断裂韧性低，兼具优异耐高温、耐腐蚀与抗辐照特性，但加工难度大、成本高昂，需经过切割、剥离、刻蚀、抛光等多道工序，加工质量直接影响功率器件导通损耗、耐压水平与服役寿命。

当前，线切割凭借成本低廉、设备结构简单以及便于批量生产等优势而被广泛采用，并且金刚石切割工具的获取也较为便捷。不过线切割的方法会造成大量的材料损失，且加工效率极低。

线切割造成的材料损失

在线切割过程中，切割线高速运动不仅产生等径线宽的锯口损失，由于线切割制备的晶圆表面粗糙度极大，还需要后续的磨抛等精加工工序对其进行处理，最终累计材料损耗量可达原材料总量的30%~50%。多线切割工艺还需要使用溶液来冷却锯口和清洗碎片，会产生大量含硅废液，其中的微纳级颗粒不易絮凝，难以循环利用，对环境影响较大。

激光剥离：在晶体内部动一场“隐形手术”

激光剥离是碳化硅切片的重要工艺，属于内部改性分层加工技术，核心原理为激光内部聚焦改性+外力裂片分离。

SiC晶体的激光剥离技术示意图

第一阶段为内部改质，利用超短脉冲激光的超高穿透性与聚焦特性，通过精密光路调控将激光焦点聚焦于碳化硅晶圆内部预设深度位置；高能量激光在晶圆内部聚焦后，使局部碳化硅材料发生晶格畸变、相变与微裂纹扩展，形成一层连续、均匀的改性层，改性层力学强度大幅低于基底材料，表面无任何加工痕迹，实现隐形改性；第二阶段为裂片分离，通过机械微张力、气体吹扫或拉伸外力，沿内部改性层精准分离晶圆，完成整片晶圆无损切割分片。

与传统的线切割方式不同，非接触式的激光剥离技术可以有效地避免切割工具损耗、机械应力引起碳化硅晶圆失效的问题，从而实现高质量和高精度的剥离。激光剥离技术显著地提高碳化硅晶圆的加工效率和质量，并降低碳化硅衬底的制备成本，其具有生产效率高、材料损耗小的突出优势。激光剥离具有非常小的改质层厚度，能够显著提高碳化硅晶圆制备时的材料利用率。在碳化硅晶圆上实现高质量和高效率的剥离有望突破技术瓶颈和高成本限制，促进碳化硅器件替代硅衬底的市场应用。

激光剥离技术的环境效应同样显著，传统切割工艺中，切削液与粉尘污染的问题较为严重，而激光剥离作为非接触式工艺，可减少工业废物排放。结合碳化硅器件在能源转换中的高效表现，该技术从制造端和应用端共同助力全球碳中和目标。

全球竞速：激光剥离技术发展现状

碳化硅晶圆正向大尺寸方向发展，激光剥离切割技术得到大规模推广。激光波长、脉冲能量、聚焦深度、扫描间距是决定改性层连续性、均匀性的核心参数。532nm、1064nm超快激光对碳化硅穿透性优异，聚焦光斑更小，改性层厚度可精准控制在10~30μm，改性裂纹定向扩展，不向器件功能区扩散；通过偏振态动态调控、光束整形技术，可优化改性层形貌，提升切割平整度，有效抑制晶圆裂片翘曲。

国内研究聚焦于大尺寸晶圆批量加工一致性、超薄晶圆（50~100μm）低应力切割、窄间距晶粒切割技术优化。已实现8英寸碳化硅晶圆全程自动化激光剥离切割，优化工艺条件下切割道宽度可缩小至20μm以内，晶粒良品率超98%，单晶圆加工效率较传统工艺提升30%以上，解决了传统单次改性无法适配厚晶圆加工的难题。

来源：烁科晶体

在晶体剥离技术方面，早在1985年美国科学家就证明了在应力层的残余拉伸应力作用下，可从Si和GaAs晶片上剥离薄层。但是，早期的晶体剥离试验过程很难控制，因为当应力达到由晶片断裂韧性确定的阈值时，裂纹会自发产生并随机传播，造成剥离层厚度不均甚至碎裂。

美国IBM公司研发了一种可控剥离技术，该方法设计了额外的牵引层，用于施加外力触发断裂，并定向引导裂纹扩展，还建立了临界应力和剥落层厚度相关性的理论模型，为工艺优化提供指导。此外，晶圆级的Si、GaN单晶，以及III-V族太阳能电池、集成电路、LED等半导体器件均可利用该技术实现可控剥离。

在产业化技术方面，德国Siltectra的冷剥离技术、日本Disco的激光改质工艺，可将SiC切片材料损耗控制在60μm以内，已实现8英寸晶圆量产；欧美厂商垄断紫外准分子光源，长期主导Micro-LED外延片界面剥离装备市场。

近年来国内进步显著，华中科大、中电科科研团队攻克了SiC内部改性与裂纹定向控制技术，大族、华工等企业实现紫外激光剥离设备国产化，国产设备已进入LED与功率器件产线验证。目前国产6英寸SiC剥离工艺指标接近国际水平，但8英寸大尺寸整片能量均匀性较差，N型碳化硅裂纹跑偏问题仍未完全解决，高功率紫外激光器、高精度光学模组仍依赖进口。

参考来源：

胡北辰等.SiC单晶材料的激光剥离技术研究进展

张馨丹等.碳化硅激光加工研究

邓逸飞.碳化硅单晶衬底激光剥离技术研究与装备设计