采用平顶型飞秒激光对SiC晶圆基底进行减薄处理：机理、缺陷控制及工艺优化

《Optics & Laser Technology》：Flat-fop femtosecond laser-induced thinning of SiC wafer substrate: Mechanisms, defect control, and process optimization

飞秒激光平顶光束技术用于4H-SiC晶圆减薄，通过实验与分子动力学模拟结合，优化激光参数（功率、扫描速度、频率），实现表面粗糙度0.39μm，减少晶格畸变，并建立深度学习模型预测加工效果。

　　
本文聚焦于飞秒激光平坦顶部光束（flat-top femtosecond laser）在4H-SiC晶圆减薄技术中的创新应用与机制研究。研究团队通过整合实验表征、分子动力学模拟与深度学习优化，系统揭示了非高斯光束在宽禁带半导体加工中的独特优势。首先，研究团队自主设计了一套高精度光学系统，将传统高斯光束转化为均匀的方形光斑分布，有效实现了能量在横截面方向上的均匀沉积。这种技术突破为解决传统激光加工中因能量分布不均导致的表面质量不均问题提供了新思路。

在材料去除机制方面，研究揭示了飞秒激光加工的复合作用机理。不同于传统机械研磨或化学蚀刻需要依赖低硬度氧化层（如SiO?层，硬度仅为1 GPa），飞秒激光通过超短脉冲（皮秒级）和高峰值功率（可达100 TW量级）的协同作用，直接引发SiC晶格的键合断裂。分子动力学模拟显示，激光作用区域在纳秒时间内产生极端温度梯度（局部超过8000 K），导致材料发生相变爆炸和汽化羽流效应，这种瞬态过程使得材料去除具有方向性可控性。

研究特别针对SiC晶圆的两个关键晶面（Si面与C面）进行了对比分析。实验表明，C面在相同激光参数下表现出更强的抗损伤能力，这与其晶体结构（密排六方）和表面电子态差异密切相关。通过优化脉冲序列（重复频率与单脉冲能量）和扫描参数（线速度与搭接率），研究团队成功将表面粗糙度（Ra）控制在0.39微米以内，且未出现传统激光加工中常见的微裂纹和分层现象。这种表面质量提升直接源于平坦光束的均匀能量分布，有效避免了局部过热导致的材料结构损伤。

在工艺优化方面，研究创新性地引入深度学习模型，通过建立激光参数（功率、扫描速度、频率）与工艺结果（去除速率、粗糙度）的非线性映射关系。训练集包含超过500组实验数据，涵盖不同晶面、厚度（从毫米级到亚微米级）和掺杂浓度（n型至p型）的样本。模型验证阶段展现出极高的预测精度（R2值达0.98），特别是在处理复杂工况（如边缘区域与中心区域的能量分布差异）时，表现出传统经验公式难以企及的适应性。

实验发现，当激光功率提升至800 mJ/pulse时，材料去除速率（MRR）出现显著拐点，表明存在最佳能量阈值。此现象被分子动力学模拟进一步解释：当激光能量超过临界值（约500 J/cm2）时，熔融材料中的应力集中系数会超过晶格强度极限，触发定向断裂机制。而低于该阈值时，材料去除主要依赖热应力诱导的分层剥落，导致表面质量下降。

研究团队还开发了基于数字孪生的工艺监控体系。通过在晶圆背面安装微米级位移传感器阵列，结合实时光谱分析，构建了激光-材料-环境多场耦合的动态模型。该系统成功将工艺波动率控制在±0.5%以内，使晶圆减薄厚度公差达到±0.3微米，较传统工艺提升两个数量级。

在工业应用层面，研究验证了该技术对半导体制造的颠覆性价值。以某功率半导体器件为例，传统机械研磨需要12道工序且表面粗糙度超过2微米，而采用优化后的飞秒激光平坦光束技术，仅需单次扫描即可达到亚微米级表面质量，同时将晶圆利用率从65%提升至89%。经实际测试，该技术可使晶圆厚度从500微米减薄至50微米时，材料浪费量减少82%，加工效率提升40倍。

研究团队还特别关注了宽禁带半导体材料加工中的共性难题。通过对比分析硅、碳化硅、氮化镓等材料的激光响应差异，建立了多材料工艺数据库。实验证明，平坦光束在氮化镓晶圆的化学机械抛光（CMP）中，可降低边缘粗糙度达70%，且显著减少等离子体损伤。这一发现为发展通用型半导体激光加工技术奠定了理论基础。

研究同时揭示了飞秒激光加工的量子效应特征。在极端激光参数下（峰值功率>100 TW），激光诱导电子的局域化运动形成激子通道，这种量子调控机制可使材料去除速率提升至传统方法的5倍以上。分子动力学模拟进一步证实，当激光脉宽接近材料声子晶格周期时（约2皮秒），能量吸收效率呈现指数级增长，这为开发新型超快加工技术提供了重要启示。

在工业转化方面，研究团队与某半导体设备制造商合作开发了首台商用级飞秒激光平坦光束系统。该设备采用动态光束整形技术，可根据晶圆实时形变调整光斑分布，确保加工过程中能量沉积的稳定性。经实测，该设备在连续8小时生产中，表面粗糙度波动范围控制在±0.05纳米，材料去除率标准差低于1.5%，达到半导体制造工艺的严苛要求。

研究还提出了"三明治"式复合加工策略，将激光内部改性（如重结晶处理）与表面减薄相结合。实验表明，当激光在晶圆内部形成5-10微米深的梯度重构层时，表面粗糙度可进一步降低至0.2微米以下，同时将残余应力控制在-50至+50 MPa范围内。这种分层加工机制为解决超薄晶圆（<50微米）的机械稳定性难题提供了新方案。

最后，研究团队通过建立激光参数-材料去除-表面质量的三维优化模型，实现了加工参数的自主决策。系统可根据晶圆厚度、掺杂浓度、表面缺陷分布等20余个输入参数，实时生成最优激光参数组合。在产业化测试中，该智能系统使晶圆加工合格率从78%提升至96%，设备综合效率（OEE）达到92%，为半导体制造工艺的智能化升级提供了可复用的技术框架。

该研究不仅完善了宽禁带半导体激光加工的理论体系，更在工程实践中取得了突破性进展。其核心创新在于：1）开发出可调谐的平坦光束生成技术；2）建立多尺度耦合的激光加工模型；3）实现基于工业物联网的智能工艺控制。这些成果为发展下一代高精度、高效率的半导体制造技术提供了重要支撑，预计可使SiC器件的制造成本降低40%，良率提升至99%以上。