单片耗时从一天降至15分钟

一把“光刀”切出新型芯片大市场

7月21日，硅来半导体（武汉）有限公司洁净室，工程师检查完成切片、研磨的碳化硅晶圆。（湖北日报全媒记者 魏铼 摄）

湖北日报讯 （记者李源、通讯员朱凌燕、实习生邢亦圩）加工设备的陶瓷底座上，放着一块直径8英寸、厚1厘米的碳化硅晶锭。工作人员点击电脑屏幕，设备启动运行，激光头沿着晶锭边缘做往复运动。15分钟后，一片500微米厚的碳化硅晶圆便完成切割。

7月21日，中国光谷华中科技大学科技园创新基地，硅来半导体（武汉）有限公司（以下简称“硅来”）洁净室里，生产线产能拉满，一片片碳化硅晶圆陆续下线。

碳化硅是第三代化合物半导体材料，与传统单晶硅相比，碳化硅制成的芯片可在高压、高温下稳定工作。随着新能源汽车充电电压越来越高、充电后续航里程越来越长，碳化硅成为新能源汽车行业“新宠”。

碳化硅从原材料变为芯片，要经历晶锭生长、晶圆切割、晶圆抛光、光刻、封装测试等流程。能否又好又快地将晶锭切割成晶圆，关乎碳化硅芯片全产业链整体效能。

过去，切割碳化硅晶锭靠的是一根直径100微米的金刚线，其过程就像用刀切萝卜。在一片1厘米厚的碳化硅晶锭上，使用金刚线可以切出10片500微米厚的碳化硅晶圆，但每切1片需用时1天，晶锭损耗率高达50%。

一块碳化硅晶锭的价格可达6位数，这意味着切出来的晶圆越多，单片成本越低，企业产品竞争力越强。

随着我国新能源汽车产业高速发展，碳化硅芯片需求量大幅提升，金刚线切割法费时费料的弊端日渐显现，使用新技术替代迫在眉睫。

近年来，激光剥离碳化硅晶圆技术应运而生。激光被誉为“最快的刀”，但作用在碳化硅晶锭时不是传统意义上的“切”，而是在晶锭内部密集聚焦10亿次，用能量改变碳化硅结构，将晶圆从晶锭上“剥下来”。形象地讲，就像太阳把人晒脱一层皮。

要确保一片晶圆厚度均匀，10亿个聚焦点都得打在相同的深度，这对激光精密控制提出巨大挑战。

为此，硅来自主研发了一款混合光源激光系统，经过上万次试验，为其匹配具备专利技术的“自由曲面晶片”。

在一系列创新技术加持下，这台设备变成“三头六臂”的哪吒，可将激光聚焦深度精密控制在100微米到1000微米区间，满足不同厚度碳化硅晶圆生产需求。这套系统从硬件到软件都实现100%自主可控。

经过验证，硅来在1厘米厚的晶锭上可以切出15到16片500微米厚的晶圆，单片切割时间仅需15分钟。相比金刚线切割法，单片切割损耗从500微米降至75微米，晶锭损耗率降至15%，单片晶圆成本下降超过20%，良率超过99%。其技术指标，与国家第三代半导体技术创新中心深圳平台研发的同类技术不相伯仲，均达到国际领先水平。

今年5月，硅来首条碳化硅晶圆切割生产线在光谷投产，年产能预计超过3万片。目前，硅来已经与国内多家碳化硅产业链龙头企业形成合作，未来计划在汉新建四五条生产线，年产值有望超过10亿元。

统计显示，湖北以光谷为主体，已聚集碳化硅所在的化合物半导体领域企业50多家，长飞先进、先导稀材等一批百亿龙头项目落地，3万多名创新人才聚集，已构建起从研发、中试到量产的产业生态，形成覆盖材料、器件到封装检测的完整产业链。