晶体取向对4H-SiC激光刻蚀和切割的影响

《Optics & Laser Technology》：Impact of crystal orientation on laser scribing and cleaving of 4H-SiC

采用紫外纳秒激光在4H-SiC的[1120]和[1100]晶向上进行刻划并配合三点弯曲测试，发现晶向显著影响微沟槽的深度、宽度、粗糙度和材料去除率，而Si-/C面影响较小。机理分析表明，[1120]晶向因表面法线倾斜4°，导致无刻蚀锥角，而[1100]晶向则有4°锥角，且断裂表面微裂纹密度和初始角度差异显著。

　　在半导体材料的研究与应用中，4H-碳化硅（4H-SiC）因其优异的物理和化学特性，逐渐成为研究热点。作为一种宽禁带半导体材料，4H-SiC具备高热导率、高电子迁移率以及较高的击穿电场等性能，使其在功率电子、光电子、微波器件以及新能源汽车、卫星通信等领域展现出广阔的应用前景。然而，4H-SiC的加工过程仍面临诸多挑战，特别是在切割工艺方面。传统的机械切割方式虽然成熟，但存在效率低、热影响大、工具磨损严重等问题。因此，研究更高效的加工方法成为当前的重要课题。

在这一背景下，激光切割技术因其非接触、高灵活性和可控性等优势，被广泛应用于4H-SiC的加工过程中。特别是纳米秒激光，因其稳定性、成本效益以及对材料的高适应性，成为研究的主流方向。然而，纳米秒激光切割在实现过程中仍需多次扫描，这可能导致显著的热损伤，包括裂纹、再熔层等缺陷。为了减少这些热效应，研究者提出了一种激光划线与机械分离相结合的方法，即激光划线与裂解技术。该技术通过在材料表面雕刻微沟槽，随后施加机械载荷使材料沿沟槽发生断裂，从而实现高精度切割。

本研究采用紫外纳米秒激光进行4H-SiC的划线与裂解，并结合三点弯曲测试来评估切割效果。通过实验观察和理论分析，探讨了晶向和Si-/C面对于激光划线与裂解过程的影响。研究结果表明，晶向对微沟槽的深度、宽度、粗糙度以及材料去除率（MRR）具有显著影响，而Si-/C面对这些结果的影响相对较小。具体而言，当激光沿[112?0]晶向划线时，微沟槽的宽度、深度和MRR均较大，同时在断裂过程中表现出更密集和更长的微裂纹，以及更大的微裂纹初始角度和明显的裂解台阶。相比之下，沿[110?0]晶向划线的4H-SiC则表现出较浅的微沟槽和较低的MRR，其断裂表面的微裂纹较少，裂纹初始角度也较小。

此外，研究还发现，沿[112?0]晶向切割的4H-SiC样品未表现出任何切割锥角（kerf taper angle），而沿[110?0]晶向切割的样品则出现了4°的切割锥角。这一现象可以归因于4H-SiC晶片的法向量与[112?0]晶向之间的夹角，该夹角使得材料在切割过程中具有更好的断裂控制能力。通过分析晶向对断裂行为的影响，可以进一步优化激光划线与裂解工艺，提高切割精度和效率。

在材料和方法部分，实验采用了4英寸N型4H-SiC晶片，厚度为350微米，通过精确切割制备成10毫米×10毫米的方形样品。为了研究不同晶向和表面对于激光划线与裂解的影响，实验在相同的激光参数下，沿Si-[112?0]、Si-[110?0]、C-[112?0]和C-[110?0]四种晶向进行划线。通过扫描电子显微镜（SEM）对不同处理方式下的微沟槽进行观察，并结合三点弯曲测试对切割效果进行评估。实验结果表明，不同晶向对微沟槽的形态和特性产生明显差异，而Si-/C面的影响则相对较小。

进一步的理论分析表明，4H-SiC的晶向结构在激光划线过程中对材料的去除机制和裂纹扩展路径具有重要影响。由于晶向之间的原子排列不同，激光在不同晶向上的作用会产生不同的热效应和机械响应。例如，沿[112?0]晶向划线时，由于晶面的结构特性，激光能量更容易集中在特定区域，导致更大的材料去除率和更显著的裂纹形成。而在[110?0]晶向划线时，晶面的结构相对均匀，使得材料的去除更加平缓，裂纹的扩展也较为分散。

在实际应用中，激光划线与裂解技术的优势在于其非接触性和高精度。与传统的机械切割相比，该技术能够显著减少热积累，降低材料损失，并实现更小的切割宽度（约20微米）。此外，该技术对于复杂形状和曲面的切割具有更好的适应性，适用于大规模生产。然而，为了进一步提高切割效率和精度，需要深入研究晶向和表面特性对激光划线与裂解过程的影响，从而优化加工参数。

研究结果还表明，不同晶向对微沟槽的3D形态和截面曲线产生显著影响。例如，沿[112?0]晶向划线的微沟槽在宽度和深度上均较大，且其底部的粗糙度较高。而在[110?0]晶向划线的微沟槽则相对浅，底部的粗糙度较低。这种差异可能与晶向之间的晶格结构和原子排列有关，导致激光在不同晶向上的作用方式不同。此外，微沟槽的底部形态也受到激光参数的影响，如激光功率、扫描速度和脉冲宽度等。

在断裂行为方面，三点弯曲测试的结果表明，沿[112?0]晶向切割的4H-SiC样品更容易发生断裂，并且其断裂载荷和断裂位移均较大。同时，断裂表面的形态显示出更密集和更长的微裂纹，以及更大的裂纹初始角度。这种现象可能与晶向的力学特性有关，例如，[112?0]晶向的晶格结构可能更容易在外部载荷作用下发生断裂，而[110?0]晶向的结构则相对稳定。此外，切割锥角的差异也可能是由于晶向与激光束方向之间的夹角不同，导致材料在切割过程中的热应力分布不同。

在结论部分，本研究通过实验和理论分析，系统地探讨了晶向和Si-/C面对激光划线与裂解过程的影响。研究结果表明，晶向对微沟槽的深度、宽度、粗糙度以及材料去除率具有显著影响，而Si-/C面对这些结果的影响相对较小。具体而言，沿[112?0]晶向划线的微沟槽表现出更大的宽度和深度，以及更高的材料去除率，这可能与晶向的结构特性有关。同时，沿[112?0]晶向切割的样品未表现出任何切割锥角，而沿[110?0]晶向切割的样品则出现了4°的切割锥角，这可能与晶向与激光束方向之间的夹角有关。

此外，研究还发现，不同晶向对微沟槽的底部形态和截面曲线产生显著影响。例如，沿[112?0]晶向划线的微沟槽在底部显示出更粗糙的表面，而在[110?0]晶向划线的微沟槽则相对平滑。这种差异可能与晶向的原子排列和晶格结构有关，导致激光在不同晶向上的作用方式不同。同时，微沟槽的3D形态也受到激光参数的影响，如激光功率、扫描速度和脉冲宽度等。

在实际应用中，激光划线与裂解技术的优势在于其非接触性和高精度。与传统的机械切割相比，该技术能够显著减少热积累，降低材料损失，并实现更小的切割宽度（约20微米）。此外，该技术对于复杂形状和曲面的切割具有更好的适应性，适用于大规模生产。然而，为了进一步提高切割效率和精度，需要深入研究晶向和表面特性对激光划线与裂解过程的影响，从而优化加工参数。

本研究的实验和理论分析结果表明，晶向对激光划线与裂解过程具有重要影响，而Si-/C面的影响相对较小。这一结论对于优化4H-SiC的加工工艺具有重要意义。通过理解不同晶向对材料去除率和裂纹扩展路径的影响，可以更好地控制激光划线与裂解过程，提高切割效率和精度。同时，通过分析Si-/C面对于微沟槽和断裂行为的影响，可以进一步优化加工参数，提高材料的利用效率。

在实际应用中，激光划线与裂解技术的优化不仅有助于提高4H-SiC的切割效率，还能够减少热损伤和材料损失。因此，该技术在半导体制造领域具有广阔的应用前景。通过深入研究晶向和表面特性对激光划线与裂解过程的影响，可以为未来的加工工艺提供理论支持和实践指导。此外，该技术的研究成果也为其他宽禁带半导体材料的加工提供了参考。

综上所述，本研究通过实验和理论分析，揭示了晶向和Si-/C面对激光划线与裂解过程的影响机制。研究结果表明，晶向对微沟槽的深度、宽度、粗糙度以及材料去除率具有显著影响，而Si-/C面对这些结果的影响相对较小。此外，沿[112?0]晶向切割的4H-SiC样品表现出更密集和更长的微裂纹，以及更大的微裂纹初始角度和明显的裂解台阶，而沿[110?0]晶向切割的样品则表现出较浅的微沟槽和较低的材料去除率。这些发现为优化4H-SiC的加工工艺提供了重要的理论依据和实验数据支持。