碳化硅（SiC）的硬脆特性导致传统线锯切割存在效率低、损耗大、无法实现大尺寸加工等难题，严重制约了12 inch 衬底技术及相关产业的发展。新型激光切片技术采用超快激光在 SiC 晶体内部聚焦实现非接触式切割，提供了全新的解决方案；但是，12 inch SiC 晶体存在应力大、翘曲大、缺陷多等问题，导致激光切片难度很高。针对12 inch 4H-SiC 晶体，本团队采用激光焦点实时修正、深度球差补偿等关键技术，结合皮秒激光加工与超声剥离，获得了厚度为 680 μm 的 12 inch 4H-SiC 晶片。测试结果表明，切割后晶片的总厚度偏差（TTV）小于 10 μm，翘曲度为-14.07 μm，表面粗糙度在 3.25 μm 到 3.93 μm 之间，首次实现了 12 inch SiC 晶体的高质量均匀切片。
碳化硅（SiC）作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有卓越的物理、化学和电学性能。这些突出特性使得 4H-SiC 在高温、高压和高频等极端环境下具有显著优势，已被广泛应用于制造金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、肖特基二极管和双极结型晶体管等器件。然而，SiC 的硬度高、脆性大，而且断裂韧性相对较低，这给 SiC 晶圆的加工带来了极大挑战。近年来，游离磨料浆料线锯与固结金刚石线锯已成为 SiC 晶圆切片的主流切割技术，并已被广泛应用于规模化生产。然而，这些传统线锯切割方法易使晶片产生微裂纹与损伤，严重影响后续器件的制造与性能，而且难以满足 8~12 inch 大尺寸晶片的加工要求。
激 光 切 片 技 术 作 为 一 种 非 接 触 式 加 工 方 法 ，为4H-SiC 晶圆的制备提供了全新的解决方案。这种技术利用激光在材料内部形成改性层，使材料内部结构发生连续变化，从而实现晶片分离。与传统线锯切割相比，激光切片不仅具有效率高、损耗低、良率高的特点，而且适配大尺寸晶片切割。国外对该技术的研究起步较早：2017 年，京都大学的 Kim 等利用飞秒激光双脉冲技术成功实现了薄晶圆的切片；2018 年，日本 Disco 公司提出了一种名为 KABRA 的新型 SiC 晶圆切片技术并推出了激光切片设备。国内对该技术开展研究的主要单位有山东大学、中国科学院半导体研究所、广东工业大学等。2022 年，中国科学院半导体研究所的林学春课题组研究了皮秒激光诱导的多光子过程以及改性 4H-SiC 的结构组成；2023 年，山东大学的王荣堃课题组指出，优异的表面质量可以有效减轻激光切片中的表面损伤；2023 年，广东工业大学的谢小柱课题组系统地研究了激光工艺参数对改性层形貌的影响；2024 年，江苏大学的王思博等提出光束偏振态对晶圆切割效率和切割质量具有重要影响，并通过空间光调制器动态调控激光光束的偏振态实现了晶圆的高效、高质量切割；2025 年，中国科学院宁 波 材 料 技 术 与 工 程 研 究 所 的 王 宏 伟 等采 用532 nm 纳秒激光诱导单晶 4H-SiC 内部形成改性层，并基于热-应力有限元仿真揭示了改性层与裂纹的形成机制；2025 年，山东大学的王荣堃课题组研究了晶体取向和氮掺杂浓度对激光切片的影响，并成功地对 6 inch 和 8 inch n 型 SiC 晶锭进行了切片。上述研究涵盖了激光切片技术中的关键问题，显著优化了改性层的结构，提升了晶片的表面质量，并有效减少了切片过程中的损伤。此外，研究人员还提出了连续波激光辅助切割、微裂纹生成控制和超声振动辅助激光剥离等创新技术，极大地提高了 SiC 晶片的切割效率与加工质量。
然而，目前针对 12 inch SiC 晶体的激光切片技术还鲜有报道，并且该技术尚存在诸多待突破的难点。首先，12 inch SiC 晶锭的磨削工艺还不成熟，相较于8 inch 晶锭，其加工面型精度较差，总厚度偏差（TTV）通常超过了 10 μm，这会导致激光焦点在晶体内部有较大的偏移，从而导致晶片出现难分离、易裂片等问题。其次，由于大尺寸晶体生长技术还不完善，晶体存在应力大、缺陷多、掺杂均匀性差等问题，导致整个晶体的加工一致性差，剥离过程中晶片的损耗增加。同时，晶片大（300 mm）且薄（<700 μm），在剥离过程中存在易裂片、崩边等问题。再者，12 inch 晶片的激光切割面型控制难度大，TTV、翘曲度（BOW）、弯曲度（WARP）等参数在晶体质量和加工参数变化时易发生大幅波动，极大地降低了后续磨抛工序的良品率。目前，上述难点尚缺乏有效的解决方法，已成为制约大尺寸 SiC 激光切片技术发展的核心瓶颈。为此，本团队提出了深度球差补偿和实时焦点修正的激光切割方法，通过优化激光参数和超声剥离技术，成功实现了12 inch 4H-SiC 晶体的高效激光切片与剥离。该技术为大尺寸 SiC 晶片的高质量制备提供了新思路，同时为激光与材料相互作用机制研究提供了重要参考。
2.1 基于空间光调制器的球差补偿原理
当激光光束从折射率为 n1的介质进入折射率为 n2的样品内部，并且 n1与 n2有明显差异时，界面上的折射会使原本理想的聚焦过程发生偏离，从而引发焦点畸变与球差。
如图 1 所示，在高数值孔径（NA，在公式中记为ξNA）物镜条件下，或者样品的折射率与物镜浸入介质相差甚大时，这种折射差异所带来的球差和离焦问题尤为显著。具体表现为：从物镜出射的不同角度分布的光线在界面处发生不同程度的折射偏折，在样品内无法完美地会聚到同一点，从而导致焦点光斑发生扭曲并被拉长。由于球差与离焦都依赖于光线出射角度分布，当数值孔径越大、折射率差越大时，该畸变就越显著，焦点光斑会在轴向与横向维度上发生扭曲并被拉长，甚至在样品更深处产生次级聚焦峰或环形失配。将光线的光路长度差视为其离开物镜的角分布的函数，而物镜瞳平面中的相位需要消除界面引起的像差，因此该函数［19］可以写为
在实际加工过程中，由于离焦可以通过调节载物台高度予以消除，因此，只需要针对球差作进一步的相位修正，即可显著优化光场分布。此时，去除离焦项后的相位表达式主要由球差构成，即
在 4H-SiC 激光切片加工过程中采用数值孔径为0.67 的物镜。激光自空气入射至 4H-SiC 晶体内部，空气的折射率 n1≈1，4H-SiC 晶体的折射率 n2≈2.6。以SiC 晶体表面为起点，定义实际加工过程中 z 轴位移台相对于晶体表面的位移量为外部距离（即 dnom）。本研究通过空间光调制器加载球差补偿图像进行校正，首先对相位分布进行 2π 周期化处理，将所有超过 2π 的相位折返至［0，2π）主值区间。经过数值计算，得到了图 2 所示的空间光调制器预补偿相位图。
为了系统地研究高数值孔径光束在 4H-SiC 中的聚焦行为，本研究以德拜近似（Debye‒Wolf 矢量积分）为核心，建立包含物镜阿贝正弦条件、空气-SiC 折射率失配球差相位和高斯振幅展宽的矢量光场模型。先在极坐标下通过高精度积分获得焦平面的复振幅，然后用标量 Fresnel分步傅里叶法进行光束传播，得到光强与相位的二维分布。为了验证球差补偿对聚焦效果的影响，使用切割深度为 230 μm 时对应的球差补偿，通过仿真得到了图 3 所示的不同的切割深度（210、220、230、240、250 μm）下材料内部光斑的二维分布图。可以清晰地观察到，随着切割深度不断增加，光斑在晶体中的位置不断加深，并且在设置切割深度为 230 μm时，光斑焦长最短。
具体焦长和切割深度数据如图 4 所示。结果表明：在预设切割深度为 230 μm 时，光斑焦长达到最小值 84 μm；随着预设切割深度从 230 μm 逐渐变浅或者变深，光斑焦长都逐渐恶化，在预设切割深度为 250 μm时，光斑焦长达到最大值 97 μm。更大的焦长会导致切割刀痕深度增加，从而导致后续磨削过程中材料损耗增加。经过模拟得到了图 5 所示的结果。当预设切割深度与补偿深度存在偏差时，4H-SiC 晶片的实际深度偏差绝对值会逐渐增大；当预设切割深度存在-20 μm 的偏差时，晶片的实际深度偏差绝对值达到最大值 60 μm。这一实际深度偏差绝对值会导致晶片的 TTV 变大，并且当误差过大时，会使晶片出现分层现象。综上所述，球差补偿对于预设切割深度的准确性要求很高。如果预设切割深度与补偿深度存在较大偏差，将会导致剥离晶片的刀痕深度增加以及磨削损耗增大、晶片面型变差、晶片分层等问题。因此，在 12 inch4H-SiC 晶体的激光切片过程中，需要采用实时焦点高度修正及精准补偿等技术，以保证晶体的高质量加工。
2.2 材料准备和实验方法
激光加工前，通过精确定位使[1100]或[112 0] 晶向与 x 轴平行。皮秒激光垂直入射至 4H-SiC 的碳面，并聚焦于其内部平面。激光扫描方向与 x 轴平行，扫描速度可调范围为 0~800 mm/s。本实验采用的加工参数 设 置 如 下 ：激 光 功 率 为 5 W ，脉 冲 重 复 频 率 为100 kHz，扫描速度为 400 mm/s，加工步长为 200 μm，预设切割深度为 230 μm，实际光斑聚焦深度为 680 μm。将激光加工后的 12 inch 4H-SiC 晶体置于装满水的水槽中，使用频率在 20~50 kHz 范围内可调的超声波进行超声处理，超声探头与晶体表面的距离为 1 cm（如图 7（b）所示），最终实现 12 inch 4H-SiC 晶体的成功切片（如图 7（c）所示）。
3.1 剥离后晶片厚度和翘曲分析
4H-SiC 晶体经激光切片后，使用彩色激光同轴位移计（Keyence，CL-L015）配合二维运动平台过圆心扫描晶片表面，获得晶片表面的高度起伏曲线，将高度起伏曲线进行拟合得到图 8。然后，将晶片硅面朝上，使用机械测厚仪（Mitutoyo 543-561DC）进行测量，得到图 9 所示的晶片各个位置的厚度值，最终得到晶片的 TTV 小于 10 μm，该值远远小于晶片表面起伏在晶体内部导致的厚度偏差。
图 8 展示了剥离后晶片的表面翘曲形态。测试结果显示，该剥离晶片的翘曲度为-14.07 μm，呈现中间凹陷的面型特征，且弯曲方向与激光扫描方向垂直。沿 0°方向（垂直于晶片大边，即激光扫描方向）的高度曲线起伏最小，相对高度偏差在 5 μm 以内。这一结果从侧面印证了焦点补偿算法在对晶锭内部进行加工时可以有效降低沿激光扫描方向的高度偏差。沿 90°方向（垂直于晶片小边，即激光扫描进给方向）的高度曲线起伏最大，表面相对高度偏差达 23 μm。进一步分析表明，该方向上多条激光扫描线之间存在应力累积效 应 ：边 缘 区 域 的 应 力 累 积 作 用 较 强 ，高 度 偏 差 达17 μm；中间区域的应力累积作用较弱，高度偏差在5 μm 以内。这一现象为后续更精细的激光加工控制提供了重要依据。
上述数据验证了激光焦点实时修正系统能够很好地抑制由晶体本身较高的 TTV 导致的加工不良现象。
3.2 剥离后晶片的白光干涉测试
采 用 三 维 共 聚 焦 白 光 干 涉 轮 廓 仪（Sensofar SNeox）对切割后的晶片表面进行表征分析。图 10 展示了不同位置剥离表面的三维形貌，其中，A 位置为晶片中心，B 位置为晶片小面区域，C~F 为晶片边缘区域。A 区域作为晶片的中心区域，其锯齿形结构排布得最为均匀，并且同一条激光加工线痕附近的区域都非常平整，没有出现锯齿断面的情况。对于小面区域 B，激光线痕周围的锯齿面出现了断面分层。出现这种情况的原因可能是小面区域对激光的折射率不同，导致激光在小面区域的补偿出现偏差。该区域不规则的锯齿面可能会导致减薄过程中发生裂片，需要单独对小面进行焦点补偿。观察边缘区域 C~F，可以发现同一激光加工线痕附近的锯齿面非常平整规则。4H-SiC 晶片各区域均呈现出较为规整的剥离台阶结构，该结构的形成主要归因于激光照射引发的局部热应力诱导4H-SiC 晶锭（0001）晶面产生裂纹。这些裂纹沿激光扫描路径以进给间距为周期规律分布，呈现出明显的锯齿状排列特征。观测图 10 所示的白光干涉图像和断面曲线可以发现激光加工所形成的线痕位于锯齿面高度方向的中间位置，这表明激光焦点经过光学整形后，在晶体平面内具有良好的能量均匀性，并且能在扫描轨迹两侧诱导出对称扩展的裂纹。剥离晶片表面在垂直激光加工方向上所表现出的起伏特征，主要源于激光线痕与层间裂纹扩展之间的复杂耦合作用。由于激光线痕和层间裂纹并非完全共面，裂纹传播路径在垂直方向上产生了不同程度的偏离，反映出其间复杂的相互作用机制。整体而言，4H-SiC 晶片在不同位置处的剥离表面形貌差异不大，切割界面平整均匀。这表明所采用的激光切割工艺具有良好的稳定性与一致性，能够实现高质量、高均匀性的晶片切割。
使用参考文献［13］中提到的轮廓算术平均偏差公式计算粗糙度 Sa，计算公式为
式中：A 是测试区域的面积；| z ( x，y) |是位置( x，y) 处高度偏差的绝对值，通常是表面和参考平面之间的距离。4H-SiC 样品剥离表面的粗糙度测量值如表 1 所示。在晶片中心，表面粗糙度最小，为 3.25 μm，平均台阶高度也最低，为 11.4 μm。在小面位置以及 4 个边缘位置，表面粗糙度最大为 3.93 μm，最大平均台阶高度为 15.7 μm，平 均 台 阶 高 度 相 较 于 中 心 区 域 高 0.8~4.3 μm。晶片切割面整体质量均匀，均形成了良好的裂纹扩展结构，各位置的粗糙度偏差较小。综上，深度球差补偿和激光焦点实时修正系统能够实现 12 inch 4H-SiC 晶体的高质量均匀切割。
本团队针对 12 inch 4H-SiC 晶体的激光切片技术进行了研究，探讨了大尺寸晶体表面起伏对激光加工效果的影响，并通过激光焦点实时修正系统减小了表面起伏带来的加工副作用，最终实现了 12 inch 4H-SiC晶片的高质量剥离，晶片 TTV 小于 10 μm，表面翘曲度仅为-14.07 μm。白光干涉测试结果表明，晶片边缘 和 中 心 区 域 粗 糙 度 为 3~4 μm，平 均 台 阶 高 度 在16 μm 以 内 ，实 现 了 12 inch 4H-SiC 晶 片 的 高 质 量剥离。
来源：中国激光
作者：车林林 1，2，陈秋 1，2，李碧雪 1，2，张建飞 1，2，范浩宇 1，2，张兴 1，2，胡秀飞 1，2，李庆雨 1，2，张百涛 1，2，杨祥龙 1，2，王荣堃 1，2*，陈秀芳 1，2**，徐现刚 1，2
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