行业领域

新一代信息技术产业

需求背景

近年来，以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料在新能源汽车、光伏储能、智能电网、轨道交通等战略性新兴产业中需求持续增长。碳化硅具有高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率等优异性能，成为制作高温、高频、大功率电子器件的理想选择。然而，碳化硅衬底成本占器件总成本的50%以上，其中材料本身占比约70%，严重制约了碳化硅功率器件的规模化应用。一直以来，行业主流采用多线切割技术进行碳化硅衬底的切割加工。由于碳化硅单晶材料具有高硬度、高脆性、高化学稳定性等特性，导致其极难加工。以6英寸碳化硅衬底为例，成品厚度约350 μm，而单片总材料损耗高达280~300 μm，相当于材料损耗率在46%左右。同时，无法满足新能源汽车、光伏等产业对碳化硅衬底低成本、大规模供应的迫切需求。发展高效、低损耗的碳化硅衬底加工工艺，增强我国第三代半导体关键材料的自主供给能力，已成为关乎国家战略性新兴产业发展全局的重大课题。

目前，激光剥离技术凭借非接触式加工、高精度和高灵活性的优势，成为碳化硅切片领域的研究热点。该技术通过高能光束在材料内部同一深度位置辐照加工形成连续的改质层，诱导上下两部分材料分离，可显著减少材料损失并提升切割效率。深圳平湖实验室已实现SiC激光剥离单片总损耗≤ 75 μm、单片成本降低约26%；北京晶飞半导体已成功实现12英寸碳化硅晶圆的激光剥离。然而，现有技术在改质层深度均匀性控制、大尺寸晶圆热损伤抑制、剥离效率与规模化产线集成等方面仍存在显著不足。据行业调研，当前激光剥离设备在8英寸及以上尺寸晶圆的全幅面改质层深度偏差仍较大，热影响区控制有待进一步优化。因此，研发大尺寸碳化硅晶圆、实现全幅面改质层高精度控制的高效低损伤激光剥离技术与装备，对我国第三代半导体产业的降本增效和自主可控具有重要意义。

需解决的主要技术难题

1. 大尺寸SiC晶圆改质层深度与均匀性精准控制：SiC具有各向异性光学吸收和力学响应（不同晶型差异），随晶圆尺寸增至8~12英寸，激光扫描路径长，离焦效应明显，改质层厚度在全幅面内偏差可达±10 μm以上。需开发动态聚焦与光束整形（如平顶光束、多焦点分光）技术，减小深度偏差，并确保改质层连续无断点。

2. 激光诱导热损伤与微裂纹抑制：SiC激光分解产生非晶硅和石墨，虽有利于裂纹扩展，但热影响区（HAZ）过大会导致表面损伤，影响后续外延质量。采用皮秒或飞秒激光可降低热扩散，但需优化能量密度（通常需高于SiC烧蚀阈值，约1~5 J/cm²）和脉冲串模式，将HAZ控制在≤ 150 nm，同时避免改质层附近产生贯穿性微裂纹。

3. 剥离界面残留物与表面完整性：剥离后SiC表面可能残留非晶硅或石墨层，粗糙度升高，影响二次利用或外延再生长。需通过优化激光参数与扫描策略，结合干法/湿法后清洗，实现剥离面粗糙度Ra ≤ 0.5 nm，无残留物，且衬底面型（TTV、Bow、Warp）符合标准。

期望实现的主要技术目标

a. 可剥离晶圆尺寸：≥ 8英寸（兼容6英寸、8英寸、12英寸）

b. 单片总材料损耗（含改质层和分离损耗）：≤ 50 μm（优于当前先进值75 μm）

c. 单片剥离时间（含上下料）：≤ 10分钟

d. 改质层深度全幅面控制精度：≤ ±3 μm

e. 热影响区（HAZ）厚度：≤150 nm

f. 剥离后表面粗糙度：Ra≤0.5 nm

g. 剥离良率：≥ 99.5%（6英寸）/ ≥ 99%（8英寸及以上）

h. 剥离后衬底面型：TTV ≤ 5 μm，Bow ≤ 30 μm，Warp ≤ 50 μm

i. 单片成本降低（相比传统线切割）：≥ 35%

j. 剥离界面残留物：经标准清洗后无SiC分解残余物

k. 设备兼容性：兼容4H/6H SiC，可扩展至AlN等其他硬脆材料