MHz突发模式飞秒激光切割n型4H-SiC晶圆：从裂纹的产生到扩展

《CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology》：MHz burst-mode femtosecond laser slicing of n-type 4H-SiC wafer: From initiating to propagating cracks

本研究采用MHz burst-mode飞秒激光切割4H-SiC晶圆，探究子脉冲能量与数量（N）对内部改性、切割面粗糙度（Sz）及分离抗张强度的影响。实验表明双脉冲（N=2）在相同总能量（8μJ）下，切割面粗糙度降低65%（Sz≈21μm），但需更高抗张强度（2.9MPa vs 1.9MPa）。机理揭示高/低子脉冲能量分别调控裂纹启动与扩展的动态平衡，导致粗糙度与抗张强度的负相关关系。

　　

陈宇伟|郭家凡|王逸晨|程忠伟

国立阳明交通大学机械工程系，新竹市大学路1001号，300

摘要

碳化硅（SiC）作为第三代半导体的关键材料，被广泛应用于高功率和高频电子领域。然而，对于具有4°轴偏移晶体方向的n型4H-SiC晶圆切片仍具有挑战性。本研究探讨了使用飞秒激光进行MHz脉冲模式切割4H-SiC的过程，重点研究了子脉冲能量和子脉冲数量（N）对材料内部结构、切片表面粗糙度以及切割后材料的抗拉强度的影响。在脉冲间隔为56 ns（约18 MHz）的情况下，双脉冲操作（N = 2）在相同脉冲能量（8 μJ）下产生的粗糙度明显低于单脉冲操作（N = 1；粗糙度分别为Sz≈21 μm和Sz≈60 μm），但所需的抗拉强度略高（分别为2.9 MPa和1.9 MPa）。研究提出了一种机制，解释了高子脉冲能量与低子脉冲能量在引发裂纹与裂纹扩展之间的平衡关系，从而解释了观察到的粗糙度与抗拉强度之间的权衡。

引言

碳化硅（SiC）作为一种代表性的第三代半导体，具有宽禁带、高热导率和高电子迁移率，能够在高温高压等极端条件下稳定工作。由于4H-SiC的硬度很高，传统的机械加工方法存在固有的局限性；因此，激光加工成为了一种可行的替代方案[1]、[2]、[3]。DISCO（日本）公司推出了KABRA工艺用于SiC的激光切割[4]，该工艺利用纳秒激光通过聚焦光学系统将光束集中到SiC内部，形成改性层并伴随产生横向微裂纹；随后通过超声波辅助使这些裂纹扩展并连接，从而实现晶圆切割。

最近的研究还将超快激光应用于半绝缘（SI）和n型4H-SiC的切割。Han等人[5]使用皮秒激光（1064 nm）在SI 4H-SiC内部引发多光子微爆炸，将材料分解为非晶态Si和C，并生成微裂纹。由于SI 4H-SiC是轴对称的，横向微裂纹更容易形成，从而使得切片表面粗糙度低至1.8 μm。Zhang等人[6]使用超快激光（1030 nm）对SI 4H-SiC进行内部改性，发现飞秒脉冲（290 fs）很少产生微裂纹，而8–15 ps的皮秒脉冲则会产生横向微裂纹。改性层和横向微裂纹主要局限于焦点附近；在更高脉冲能量下，焦点上方会出现簇状结构，下方则形成自聚焦缺陷。比较无微裂纹层、单层微裂纹层和多层微裂纹层的样品，只有单层微裂纹层能够实现稳定切割，所需的抗拉强度为4.2 MPa。

Yao等人[7]使用皮秒激光（1064 nm）研究了沿$\left(1\stackrel{?}{1}00\right)$和$\left(11\stackrel{?}{2}0\right)$方向的SiC和n型4H-SiC的内部改性行为。结果表明，沿$\left(1\stackrel{?}{1}00\right)$方向的横向微裂纹比沿$[11\stackrel{?}{2}0$方向的更长；此外，$\left(1\stackrel{?}{1}00\right)$方向的切割产生的分离应力也更低。切割后的切片表面粗糙度为Sz≈ 35 μm，最小抗拉强度为1.79 MPa。Kim等人[8]采用基于Mach–Zehnder原理的双脉冲方案，生成了间隔为1 ps的飞秒脉冲对，成功切割了n型4H-SiC晶圆，材料损失为< 24 μm，切片表面粗糙度为Sz≈ 5 μm，所需抗拉强度为< 1 MPa。

关于使用脉冲模式激光切割4H-SiC的文献仍然较少；然而，这种方法已在其他透明材料（如GaAs[9]和蓝宝石[10]）中得到验证。Wang等人[9]在GaAs中证明，脉冲模式能有效抑制焦前等离子体，从而将激光能量集中到焦点处并实现材料内部改性。Gedvilas等人[10]在蓝宝石中发现，脉冲模式能够保持稳定的近高斯焦点，并在垂直和水平方向上产生错位的裂纹，形成适合高速切割的纵向锯齿状图案。

本研究使用脉冲模式飞秒激光探讨了切割n型4H-SiC的可行性。参数设计考虑了两个因素：子脉冲数量（N）和子脉冲能量。研究了裂纹影响区域的表面形态和横截面特征；在不同内部改性条件下，评估了切割所需的抗拉强度和切片表面粗糙度。分析进一步阐明了脉冲模式飞秒加工中高子脉冲能量与低子脉冲能量对n型4H-SiC内部微裂纹形成的影响，并明确了切片表面粗糙度与切割所需抗拉强度之间的相关性。

实验装置

飞秒激光实验系统（图1(a)）使用了一个波长为1030 nm的光源（FS-MM，mRadian Inc.），脉冲持续时间为221 fs，光束直径为2 mm（1/e2），最大平均功率为4.8 W，并支持MHz脉冲模式。输出光束通过扩束器扩展到5.3 mm，然后通过导向镜路由，并通过50×物镜（NA 0.65）聚焦到4H-SiC样品上以引发内部改性。在空气中的1030 nm波长下，衍射极限焦点直径为

切割前的样品形态

图5展示了样品A（N = 1）和样品D（N = 2）在内部改性后及切割前的情况。图5(a)、(c)为样品内部的顶视图显微镜（OM）图像；图5(b)、(d)为相应的横截面显微镜图像。在图5(a)中，N = 1的条件下，扫描路径周围出现了许多孤立的亮带，表明横向微裂纹分布较粗糙，反射不规则。在图5(c)中，N = 2的条件下，对比度更加均匀

结论

使用双脉冲（N = 2）脉冲模式的飞秒激光对n型4H-SiC晶圆进行了切割。通过调整子脉冲能量和子脉冲数量（N），发现无论在高子脉冲能量还是低子脉冲能量设置下，脉冲模式加工都能降低切割所需的抗拉强度并减少切片表面粗糙度。在相同的子脉冲能量（8 μJ）下，双脉冲脉冲模式（N = 2）操作使切片表面粗糙度降低了65%（Sz：60–21 μm），但所需的抗拉强度更高

作者贡献

作者的贡献如下：

类别1 构思：陈宇伟、王逸晨、郭家凡、程忠伟

数据采集和/或解释：陈宇伟、王逸晨、郭家凡

类别2 手稿起草：陈宇伟、郭家凡、程忠伟

对稿件重要内容的严格审稿：程忠伟

类别3 批准发表稿件版本：陈宇伟、王逸晨、郭家凡、程忠伟

CRediT作者贡献声明

陈宇伟：撰写——原始草稿、方法论、实验设计、数据整理。 程忠伟：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、方法论、资金申请、构思。 王逸晨：软件开发、方法论、实验设计。

郭家凡：撰写——原始草稿、项目管理、方法论、构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：程忠伟表示获得了中华人民共和国国家科学技术委员会的财政支持。

致谢

本工作得到了中华人民共和国国家科学技术委员会的支持，合同编号为NSTC 113–2221-E-A49–051和NSTC 114–2221-E-A49–069。