山东大学团队在金刚石线切割技术上的突破

未来产链 2026-01-14 17:55

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随着第三代宽禁带半导体材料的快速发展，碳化硅（SiC）以其高击穿电场、优异电子饱和速度和出色热导率，已成为高温、高频、高功率电子器件的核心衬底材料。然而，随着SiC晶圆向12英寸大尺寸演进，金刚石线切割作为主流切片技术虽显著提升了切割效率和产能，但高速切割过程引入的表面粗糙度增加、线痕深度加剧及亚表面损伤（SSD）问题日益突出，直接导致后续抛光去除量增大、材料利用率下降，并影响器件电学性能。优化切割工艺参数、降低表面损伤已成为实现大尺寸SiC晶圆高良率、低成本制造的关键瓶颈。

近日，山东大学新一代半导体材料研究团队针对12英寸4H-SiC晶圆金刚石线切割过程中的表面损伤开展了系统研究，通过工艺参数优化显著降低了切割诱导损伤，为大尺寸SiC晶圆高效低损伤切片提供了实用技术路径。研究成果以“Study on Surface Damage of 12-Inch Silicon Carbide Wafers During Diamond Wire Cutting”为题，发表于2025年IEEE固态照明与中国国际论坛暨宽禁带半导体国际论坛。

研究发现在高线速（2600～2800 m/min）条件下，C面粗糙度（约100 nm）和线痕深度显著高于Si面（粗糙度大多低于90 nm），主要源于C面以塑性变形主导的累积损伤机制（高速磨粒犁耕挤压形成塑性层，碎屑二次划伤甚至引发局部塑-脆转变），而Si面损伤以细小随机脆性断裂为主；两面中心区域因浆料流动受限和碎屑堆积，损伤均更严重。形貌分析显示Si面以细密切割条纹和均匀小尺度剥落为主（Z向起伏±0.4 μm），C面则呈现大面积塑性剥落坑和明显周期性起伏（Z向起伏±0.7 μm）。通过降低10%进给速度的优化工艺，所有测量点粗糙度和线痕深度均显著下降，Si面脆性裂纹深度有效抑制，C面塑性变形层厚度明显减小，表面更平滑均匀。

上述结果表明，在高线速金刚石线切割条件下，通过合理调控工作台进给速度，可在基本保持产能的前提下大幅提升12英寸4H-SiC晶圆表面完整性，减少后续抛光材料去除量，提高制造良率和材料利用效率。该研究揭示了冷却液动力学与断裂模式转变的主导作用，为工业规模大尺寸SiC晶圆低损伤切片提供了科学指导和实用优化策略，在高功率半导体制造领域具有广阔应用前景。

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