碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料中的典型代表，因其出色的導(dǎo)熱性、耐磨性和抗腐蝕性能而得到廣泛應(yīng)用。它具備高禁帶寬度、高電子飽和速率以及高臨界擊穿電場等優(yōu)點。這些特性使得SiC單晶在多個領(lǐng)域中發(fā)揮關(guān)鍵作用，包括半導(dǎo)體襯底、微電子器件、電力電子器件以及光電子領(lǐng)域，尤其適用于高溫、高壓和高輻射等惡劣環(huán)境。SiC已成為國防軍工、6G通信、新能源汽車等重要行業(yè)轉(zhuǎn)型升級中的核心材料。

目前，SiC單晶襯底的典型加工工藝包括：單晶生長、退火、定向、磨平面、滾圓、磨邊、切割、倒角、研磨、拋光及清洗。切割是加工中的關(guān)鍵步驟，切割后晶片的彎曲度（Bow）、翹曲度（Warp）和總厚度變化（TTV）等參數(shù)會直接影響后續(xù)的研磨和拋光工序。當(dāng)前，生產(chǎn)線上常用的切割方法是往復(fù)式多線切割，但由于SiC材料成本較高、晶錠長度較短，通常需要將多個晶錠粘接后進(jìn)行切割，這種方式效率低且材料損耗較大，導(dǎo)致SiC器件成本高昂，其中單晶襯底材料占據(jù)了SiC器件成本的50%。

為了解決這一問題，激光垂直改質(zhì)剝離技術(shù)應(yīng)運而生，被認(rèn)為是應(yīng)對“超越摩爾”材料加工挑戰(zhàn)的革命性方法。該技術(shù)能夠顯著提高加工效率，減少材料損耗，彌補(bǔ)多線切割的不足。目前，僅有日本Disco公司與德國Siltectra公司掌握了面向SiC晶錠批量加工的激光剝離技術(shù)，這兩家公司采用的技術(shù)路線有所不同。Disco公司開發(fā)了激光誘導(dǎo)晶體內(nèi)部非晶態(tài)轉(zhuǎn)化的KABRA技術(shù)，并通過機(jī)械手段實現(xiàn)晶片剝離；而Siltectra公司提出的冷切割技術(shù)利用高數(shù)值孔徑激光在晶體內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，隨后通過冷卻過程實現(xiàn)晶片與剩余晶錠的分離。國內(nèi)部分機(jī)構(gòu)，如清華大學(xué)、中科院半導(dǎo)體研究所、大族激光等，已在半導(dǎo)體晶圓激光精密開槽和隱切技術(shù)方面開展了研究，但激光剝離技術(shù)在國內(nèi)仍處于基礎(chǔ)研究階段，尚未實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

國外兩公司激光剝離流程圖 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)級超快激光具有極高的峰值功率密度（>1014 W/cm²）、極短的脈沖寬度（幾十飛秒到10皮秒）以及極高的重復(fù)頻率（~1 MHz），這些特性使得它在加工過程中對材料的損傷和熱影響區(qū)域極小。

如果能夠通過超快激光在SiC單晶內(nèi)部形成改質(zhì)層，并結(jié)合機(jī)械剝離工藝，就可以替代現(xiàn)有的切割方法，減少材料損耗、降低成本并縮短加工時間。

超快激光垂直改質(zhì)加工原理

激光剝離的基礎(chǔ)技術(shù)是激光垂直改質(zhì)。與激光燒蝕、激光平行改質(zhì)等傳統(tǒng)的激光加工原理不同，激光垂直改質(zhì)技術(shù)采用高功率激光，使晶體內(nèi)部發(fā)生高密度光吸收，進(jìn)而引發(fā)化學(xué)鍵斷裂、相變、激光誘導(dǎo)電離以及熱致開裂等物理化學(xué)過程。該技術(shù)最終在平行于激光傳播方向上形成損傷層壓縮，同時在垂直于激光傳播方向上實現(xiàn)裂紋的擴(kuò)展。

激光加工模式示意圖 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

在超快激光垂直改質(zhì)加工中，SiC晶體內(nèi)部是否能夠產(chǎn)生理想的裂紋擴(kuò)展，取決于多個因素。這些因素包括激光能量密度、激光掃描路徑、光束整形、掃描深度和掃描速度等。這些參數(shù)的優(yōu)化直接決定了裂紋擴(kuò)展的效果以及加工的成功率。

中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所的研究人員通過設(shè)置不同的工藝參數(shù)研究碳化硅晶體內(nèi)部裂紋拓展情況，尋找適合于超快激光改質(zhì)的最佳工藝參數(shù)。

研究人員將碳化硅切割面表面清洗干凈，C面朝上放在工作臺面，根據(jù)晶體折射率與激光光路結(jié)構(gòu)計算出適宜的深度，設(shè)定激光加工的能量、頻率、掃描路徑和加工速度，同時開啟控件光調(diào)制器加載光束整型全息圖，在4度偏角情況下的激光掃描路徑對切割片進(jìn)行掃面加工，得到激光垂直改質(zhì)后的樣品。然后采用機(jī)械頂升剝離方法，將激光改制后的碳化硅小樣件進(jìn)行機(jī)械剝離，剝離出預(yù)定厚度的碳化硅剝離樣片。

激光掃描路徑 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

試驗參數(shù)的選取以及對于改質(zhì)效果的影響

1 激光能量

激光能量的選取范圍是10～100 μJ。當(dāng)使用激光能量太小時，掃描之后SiC片的上下表面不會損傷，但觀察到樣件內(nèi)部沒有明顯的裂紋。當(dāng)使用激光能量太大時，掃描加工后會損傷SiC片的上表面。所以激光能量的選取不是越大越好，合理選取激光能量對于能否使SiC片內(nèi)部產(chǎn)生理想的擴(kuò)展裂紋至關(guān)重要。

2 掃描路徑

激光掃描路徑是激光改質(zhì)工藝的重要影響因素。經(jīng)過激光掃描可在晶錠的切斷預(yù)定面上形成高密度的改質(zhì)層和裂痕。通過分析不同掃描方式下表面粗糙度、剝離力、剝離成功率等重要指標(biāo)，可獲得更適合4°偏角晶體的掃描方式。本文采用交替掃描方式，通過改變掃描間距和間隔，掃描區(qū)域整體變寬。當(dāng)整體寬度調(diào)整為100 μm、120 μm、200 μm時，改質(zhì)后都可以看到明顯裂紋，且上下表面沒有損傷。當(dāng)整體寬度調(diào)整為400 μm時，雖然可以看到一些裂紋，但裂紋不明顯，不能相連。因此，這種條件下選擇整體寬度為100～200 μm時，效果比較好。

3 光束整形

光場調(diào)控可以將激光器發(fā)出的單光束整形成條形、方形、圓形、環(huán)形等形狀。產(chǎn)生全息圖的算法有很多種類，主要分成迭代算法和非迭代算法。非迭代算法是一次性計算出全息圖，這種算法雖然運算速度快，但是衍射效率低、多光束均勻性差；迭代算法主體思想為，由于通常不能給出目標(biāo)光場的確切解析式，故一次不能計算出所需的目標(biāo)相位表達(dá)式，使用迭代算法生成全息圖可以得到更為均勻的目標(biāo)光場。

4 掃描深度

掃描深度非常重要。如果深度過淺，那么SiC的上表面就容易損傷；深度過深，那么SiC的下表面就容易損傷或者剝離后的SiC厚度會超過所要求的厚度。對于N型SiC片，當(dāng)掃描深度距離SiC片的表面為80～120 μm時，加工后SiC片的上表面會損傷，下表面不會損傷；當(dāng)掃描深度為150～200 μm時，加工后SiC片的上表面時而損傷時而不損傷，下表面不會損傷；當(dāng)掃描深度大于200 μm時，加工后SiC片的上表面不會損傷，而下表面會損傷。因此，掃描深度與SiC片的表面的距離應(yīng)該控制在150～200 μm之間。

結(jié)論

超快激光加工作為一種非接觸式加工技術(shù)，不需要使用輔助材料，材料損耗低，并且具備極強(qiáng)的可控性，可以在特定區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)規(guī)則或不規(guī)則的加工操作，同時避免對材料產(chǎn)生二次損傷。

通過采用超快激光垂直改質(zhì)技術(shù)處理SiC單晶材料，能夠在晶體內(nèi)部實現(xiàn)高密度光吸收，引發(fā)化學(xué)鍵斷裂、相變、激光誘導(dǎo)電離和熱致開裂等物理化學(xué)變化，最終在垂直于激光入射方向上形成改質(zhì)層。隨后，通過結(jié)合機(jī)械剝離工藝，可以實現(xiàn)晶體的高效切片。

超快激光垂直改質(zhì)技術(shù)有效避免了傳統(tǒng)加工方式中的鋸口損失，顯著提高了材料的利用率，降低了襯底生產(chǎn)的成本。

文章來源：DT半導(dǎo)體

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