單片耗時(shí)從一天降至15分鐘 一把“光刀”切出新型芯片大市場(chǎng)

7月21日，硅來(lái)半導(dǎo)體（武漢）有限公司潔凈室，工程師檢查完成切片、研磨的碳化硅晶圓。（湖北日?qǐng)?bào)全媒記者 魏錸 攝）

湖北日?qǐng)?bào)訊 （記者李源、通訊員朱凌燕、實(shí)習(xí)生邢亦圩）加工設(shè)備的陶瓷底座上，放著一塊直徑8英寸、厚1厘米的碳化硅晶錠。工作人員點(diǎn)擊電腦屏幕，設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)行，激光頭沿著晶錠邊緣做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。15分鐘后，一片500微米厚的碳化硅晶圓便完成切割。

7月21日，中國(guó)光谷華中科技大學(xué)科技園創(chuàng)新基地，硅來(lái)半導(dǎo)體（武漢）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“硅來(lái)”）潔凈室里，生產(chǎn)線產(chǎn)能拉滿，一片片碳化硅晶圓陸續(xù)下線。

碳化硅是第三代化合物半導(dǎo)體材料，與傳統(tǒng)單晶硅相比，碳化硅制成的芯片可在高壓、高溫下穩(wěn)定工作。隨著新能源汽車充電電壓越來(lái)越高、充電后續(xù)航里程越來(lái)越長(zhǎng)，碳化硅成為新能源汽車行業(yè)“新寵”。

碳化硅從原材料變?yōu)樾酒?，要?jīng)歷晶錠生長(zhǎng)、晶圓切割、晶圓拋光、光刻、封裝測(cè)試等流程。能否又好又快地將晶錠切割成晶圓，關(guān)乎碳化硅芯片全產(chǎn)業(yè)鏈整體效能。

過(guò)去，切割碳化硅晶錠靠的是一根直徑100微米的金剛線，其過(guò)程就像用刀切蘿卜。在一片1厘米厚的碳化硅晶錠上，使用金剛線可以切出10片500微米厚的碳化硅晶圓，但每切1片需用時(shí)1天，晶錠損耗率高達(dá)50%。

一塊碳化硅晶錠的價(jià)格可達(dá)6位數(shù)，這意味著切出來(lái)的晶圓越多，單片成本越低，企業(yè)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力越強(qiáng)。

隨著我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，碳化硅芯片需求量大幅提升，金剛線切割法費(fèi)時(shí)費(fèi)料的弊端日漸顯現(xiàn)，使用新技術(shù)替代迫在眉睫。

近年來(lái)，激光剝離碳化硅晶圓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。激光被譽(yù)為“最快的刀”，但作用在碳化硅晶錠時(shí)不是傳統(tǒng)意義上的“切”，而是在晶錠內(nèi)部密集聚焦10億次，用能量改變碳化硅結(jié)構(gòu)，將晶圓從晶錠上“剝下來(lái)”。形象地講，就像太陽(yáng)把人曬脫一層皮。

要確保一片晶圓厚度均勻，10億個(gè)聚焦點(diǎn)都得打在相同的深度，這對(duì)激光精密控制提出巨大挑戰(zhàn)。

為此，硅來(lái)自主研發(fā)了一款混合光源激光系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)上萬(wàn)次試驗(yàn)，為其匹配具備專利技術(shù)的“自由曲面晶片”。

在一系列創(chuàng)新技術(shù)加持下，這臺(tái)設(shè)備變成“三頭六臂”的哪吒，可將激光聚焦深度精密控制在100微米到1000微米區(qū)間，滿足不同厚度碳化硅晶圓生產(chǎn)需求。這套系統(tǒng)從硬件到軟件都實(shí)現(xiàn)100%自主可控。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，硅來(lái)在1厘米厚的晶錠上可以切出15到16片500微米厚的晶圓，單片切割時(shí)間僅需15分鐘。相比金剛線切割法，單片切割損耗從500微米降至75微米，晶錠損耗率降至15%，單片晶圓成本下降超過(guò)20%，良率超過(guò)99%。其技術(shù)指標(biāo)，與國(guó)家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心深圳平臺(tái)研發(fā)的同類技術(shù)不相伯仲，均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

今年5月，硅來(lái)首條碳化硅晶圓切割生產(chǎn)線在光谷投產(chǎn)，年產(chǎn)能預(yù)計(jì)超過(guò)3萬(wàn)片。目前，硅來(lái)已經(jīng)與國(guó)內(nèi)多家碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈龍頭企業(yè)形成合作，未來(lái)計(jì)劃在漢新建四五條生產(chǎn)線，年產(chǎn)值有望超過(guò)10億元。

統(tǒng)計(jì)顯示，湖北以光谷為主體，已聚集碳化硅所在的化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域企業(yè)50多家，長(zhǎng)飛先進(jìn)、先導(dǎo)稀材等一批百億龍頭項(xiàng)目落地，3萬(wàn)多名創(chuàng)新人才聚集，已構(gòu)建起從研發(fā)、中試到量產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，形成覆蓋材料、器件到封裝檢測(cè)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。