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用于SiC材料纳秒激光切片技术
4H-SiC的应用受到晶片生产成本高的限制，这主要是由于其固有的硬度和脆性。线锯法通常用于4H-SiC晶圆的大规模生产，但它也带来了一些挑战，例如明显的表面损伤、开裂等。这些问题导致切片过程中的良率低和大约50%的材料损失，最终增加了4H-SiC晶圆的成本并限制了其更广泛的应用。激光切片技术已成为解决4H-SiC材料加工挑战的潜在解决方案，特别是在克服传统多线切割方法的局限性方面。该技术可以显著提高加工效率并减少材料损失，为传统机械切割提供了一种有前途的替代方案。
据报道，激光切片可以比最先进的线切割技术多生产44%的晶圆。该过程包括将脉冲激光聚焦在4H-SiC内部，以形成由Si、C和非晶态SiC混合物组成的改性层。激光切片具有多种优势，特别是对于大、硬和脆的4H-SiC锭，包括不产生机械应力、非直接接触以及高加工精度。激光照射后，使用机械拉伸、聚合物冷却、超声波振动或类似方法沿改性层分离4H-SiC。
目前，纳秒、皮秒和飞秒激光等短脉冲激光被广泛用于激光切片技术。其中，纳秒激光因其相对较低的成本和出色的稳定性而被广泛采用。尽管纳秒激光照射产生热效应会导致改性层，从而在4H-SiC材料内形成大裂纹。
图1：激光切割技术示意图
图2存在一个碳化、发黑的改性区（颜色发黑的区域）。当激光输出功率达到70%时，改性层两侧出现了由微裂纹光学干涉引起的彩色条纹。当激光输出功率增加时，改性区的宽度增加，裂纹也会变得更宽。如图2b-e所示。当激光输出功率为100 %时，裂纹宽度达到约217μm，如图2f所示。然而，在高激光输出功率下，容易产生大热应力和损伤。为了最大限度地减少热损伤，在后续实验中将激光输出功率设置为80%。
图2：不同激光输出功率下，沿[1-100]方向扫描的单线激光照射4H-SiC晶片俯视图
激光扫描速度决定了激光切片的效率。扫描速度越快，扫描时间越短，切片效率越高。扫描速度会影响内部光斑沿扫描方向的重复率。扫描速率的影响如图3所示。光斑重复率η代表晶体内部能量的沉积。在较低的扫描速度下，如50 mm/s（η = 0.167），斑点的重叠更高，材料内部积累和吸收更多激光能量，产生裂纹并相互连接（彩色条纹均匀连续）。对于超过120 mm/s（η = − 1）的较高扫描速度，由于斑点重叠减少，改性层为锯齿形，彩色条纹更窄。当扫描速度为200 mm/s（η = -2.33）时，改性层成为离散点。不同扫描速度下裂纹的SEM图像如图3所示。很明显，裂纹宽度随着扫描速度的增加而减小。综合考虑，80 %的激光输出功率和80 mm/s的扫描速度更合适。
图3：不同扫描速率下，沿[1-100]方向扫描的单线激光照射4H-SiC晶片俯视图
在激光切片过程中，微裂纹的形成、扩展和互连是完成4H-SiC切片的关键。激光的照射导致4H-SiC分解成非晶碳和非晶硅。在上述单线扫描过程中，斑点重叠会产生微裂纹，并在垂直于扫描方向扩展到150μm。除了热应力外，改性层的体积膨胀也会对微裂纹的产生影响。为了进一步扩展微裂纹，多线重叠扫描用于横向扩展改性层是一种可行的方法。在图4a中，由于单线激光扫描引起的体积膨胀和热应力而产生微裂纹。当扫描线数（N）增加时，体积膨胀和热应力增加会导致微裂纹横向传播得更广。
图4：不同扫描线数下，沿[1-100]方向扫描的激光照射4H-SiC晶片俯视图
在上述研究中，详细研究了激光输出功率、扫描速度和扫描线数对微裂纹产生和扩展的影响。为了有效地切割4H-SiC，激光切片后需要将裂纹相互连接。组间距（D），即相邻修改区域之间的距离，是关键参数。图5显示了不同组间距D的激光切片后光学图片。在这里，扫描线数设置为4，扫描速度为80 mm/s，激光输出功率为80 %。如图5d-e所示，当组间距大于600μm时，彩色条纹是不连续的，这意味着裂纹彼此之间没有连接。SEM图像显示了D = 600μm和700μm处裂纹之间的连接状态（图6f），这与光学照片一致。较大的组距导致裂纹无法相互连接，这增加了后续4H-SiC切片的难度。
图5：不同组间距下，沿[1-100]方向扫描的激光照射4H-SiC晶片俯视图
通过控制激光输出功率和扫描线数，获得相当宽的微裂纹，并采用适当的组间距使裂纹连接。该策略降低了改性区的比率，从而降低了切片的难度；同时减少了切片过程污染；保持了较高的生产速度。最后，在优化参数下，从6英寸N型4H-SiC硅锭上成功切成厚度约为500μm的4H-SiC晶片，抛光后的4H-SiC晶片表现出低TTV、WARP、BOW值和低应力状态。
参考资料：
X. Yu , W. Wu , B. Li,et al.Crack control for efficient nanosecond-laser slicing of large-size 4H-SiC crystals.Applied Surface Science,2025, 697, 163014. (doi:10.1016/j.apsusc.2025.163014)