碳化硅（SiC）作为第三代半导体的关键材料，由于其优异的物理性能（如宽带隙、高击穿电场强度、高导热性、高电子饱和率以及强抗辐射性）在电力电子和高频器件中具有巨大潜力[1]。与氮化镓（GaN）半导体相比，SiC具有更优越的导热性和击穿场强，在高温高压工作条件下具有明显优势。得益于其低导通损耗、高电压承受能力等特性，基于SiC的器件（包括绝缘栅双极晶体管（IGBT）、肖特基势垒二极管（SBD）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）已成为智能电网、新能源汽车、轨道交通和微机电系统等领域不可或缺的组件[2]、[3]。然而，SiC器件的高制造成本仍然是一个主要挑战，其中加工步骤显著增加了总体成本。因此，提高SiC器件的制造质量和效率已成为工业界和学术界的研究重点。
SiC器件的制造过程分为前端（如SiC衬底制备、外延生长、光刻、蚀刻和离子注入）和后端（如晶圆减薄、切割以及封装和测试）工艺。根据这些工艺的特点，它们被归类为“加成”和“减法”工艺。“加成”工艺涉及向晶圆添加材料的步骤，包括晶体生长、外延生长、薄膜沉积、离子注入、金属化和封装（图1a-d）。相比之下，“减法”工艺是指从晶圆上去除材料的步骤，包括切片、抛光、光刻、化学机械抛光（CMP）、减薄和切割（图1a-d）。
目前，脉冲激光技术主要应用于“减法”工艺，并逐渐取代传统方法，带来了更高的效率、更好的质量和更低的成本（图1e）。SiC晶圆的衬底减薄和切片是关键技术[4]，脉冲激光切片技术正在逐步得到应用[5]。行业基准目前的目标是最终晶圆厚度约为100 μm，并严格控制厚度均匀性在±3.0 μm的范围内，同时保持器件的结构完整性。精确减薄以去除晶圆背面的多余材料不仅满足所需的尺寸公差和机械强度要求，还能显著提升器件性能。减薄后，必须通过脉冲激光切割技术将晶圆分割成单个芯片[5]。减小晶圆上的切割宽度可以提高利用率并显著降低成本，但缩小宽度会引入技术挑战。此外，单个芯片在最终测试前需要进行封装。作为CoWoS（芯片堆叠在衬底上）封装的关键组成部分，高纵横比对于硅通孔（TSVs）的性能至关重要。通孔的制造越来越多地采用脉冲激光钻孔技术实现[6]。研究表明，直线TSVs可以增加中介层的占地面积并延长信号传输路径。相比之下，高纵横比的曲线TSVs允许在更紧凑的结构中实现更高密度的互连和更短的布线，从而显著提高散热效果并减小整体封装尺寸。然而，传统的SiC晶圆钻孔、开槽、切割和减薄方法存在若干局限性。
在SiC晶圆的钻孔和开槽过程中，常见的传统技术包括机械加工、电火花加工（EDM）、感应耦合等离子体（ICP）蚀刻、反应离子蚀刻（RIE）和光电化学蚀刻。这些技术在微孔加工时常常遇到纵横比不足和加工效率低的问题。特别是机械加工容易对衬底造成损伤且精度有限[7]。EDM产生的热效应会损害表面质量[8]。ICP和RIE的蚀刻速率较低（<1 μm/分钟）。
在SiC晶圆的切割和减薄（切片）过程中，传统加工方法包括金刚石刀片锯切、传统自由磨料线锯切、现代固定磨料（金刚石）线锯切、线电火花加工（WEDM）和磨料水射流切割[12]。其中，金刚石刀片锯切由于会产生高机械应力、表面损伤和边缘缺口，主要用于低精度应用，如晶体截断和石材加工[13]。传统自由磨料线锯切设备成本低，但切割速度慢、切口宽（>200 μm）且厚度变化大，不适合需要高精度的厚大晶圆[14]。现代金刚石线锯切切割速度相对较快、切口窄（<150 μm）且环境性能良好，是目前主要的切片工艺，但仍会导致表面粗糙、有明显的线痕和表面损伤、工具磨损[15]。WEDM通过火花侵蚀去除材料，无需机械接触，适用于硬导电材料，但其效率低（<0.5 mm²/分钟）和热影响区会导致重铸层和微裂纹，限制了其应用[16]。磨料水射流切割不会引起热变形，适用于多种材料，但其切口宽（>0.5 mm）和精度低（±0.1 mm）使其无法满足精确切割的要求[17]。
总体而言，没有一种传统方法能够同时实现效率、精度和成本的最佳平衡。混合加工技术（如电化学辅助线锯切[18]、金刚石线-电火花复合切割[19]和超声辅助金刚石线锯切[20]通过多能量协同作用提升了性能。然而，传统方法往往存在工具磨损严重、表面质量差和效率低的问题，无法满足晶圆减薄的需求。因此，将高硬度SiC晶圆切割成仅几百微米厚的芯片仍然是一个重大挑战。
脉冲激光技术在加工硬脆材料时具有明显优势，因为它们具有高精度、非接触性和可控的损伤[21]。它们已成为加工SiC晶圆的理想工具。自20世纪60年代以来，脉冲激光、SiC晶圆和脉冲激光技术都取得了显著进展（图2）。脉冲激光工艺主要分为两类：作用于晶圆表面的激光烧蚀工艺和在晶体内进行的激光隐身工艺（图1e）。近年来，这些技术已被广泛用于半导体晶圆（如Si、GaN和SiC）的钻孔、切割和切片[22]、[23]，实现了高效率、低表面损伤和高精度。然而，SiC晶圆的脉冲激光加工仍面临一些挑战，包括对激光-材料相互作用机制的理解不完全、材料改性和去除机制不明确、对裂纹扩展和连接性的控制不足、加工精度与效率之间的矛盾需求以及工艺窗口狭窄。
本文全面回顾了SiC晶圆的微纳制造技术。探讨了纳秒和超快激光加工的机制和工艺，分析了不同脉冲宽度的优缺点，并强调了该领域的最新进展。具体来说，第2节介绍了SiC晶圆激光加工的基本机制，第3节讨论了激光钻孔和开槽工艺的发展，第4节探讨了激光切割的机制和进展，第5节阐述了激光切片的原则和技术进步，第6节提供了结论和未来展望。通过阐明激光技术在SiC晶圆微纳制造中的潜力和前景，本文旨在为研究人员提供宝贵的见解和更深入的理解，从而推动SiC晶圆技术的发展。
