采用双阶段时间控制激光切割技术对碳化硅晶圆进行隐身处理，同时实现裂纹的连续扩展

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Dual-stage temporal laser stealth dicing of silicon carbide wafers with continuous crack propagation

激光切割碳化硅晶圆表面剥落与热损伤协同抑制方法研究。提出双阶段激光隐身切割（DLSD）技术，通过低功率预改质生成非晶层增强吸光性，再利用高功率诱导裂纹连续扩展，实现表面损伤双抑制。实验表明，当改性功率0.14W、诱导功率0.18W、扫描速度800mm/s时，表面剥落宽度降至6.0μm，侧壁粗糙度1.15μm，较传统方法提升30%。基于经典断裂力学建立裂纹扩展模型，揭示双阶段激光参数协同调控机制。

　　激光隐形切割（Laser Stealth Dicing, LSD）作为一种先进的半导体材料加工技术，近年来在硅碳化物（Silicon Carbide, SiC）晶圆切割领域得到了广泛关注。SiC作为一种第三代半导体材料，因其宽禁带特性、高击穿电压以及优异的热稳定性和机械强度，被广泛应用于5G通信、新能源汽车、高速铁路和智能电网等新兴领域。然而，由于SiC材料的高硬度和脆性，传统的机械切割方法如金刚石刀片切割容易导致晶圆表面产生长裂纹和碎屑等缺陷，严重影响切割质量和器件的可靠性。因此，研究者们不断探索更高效的切割方法，以期在保证切割精度的同时，降低表面损伤，提高生产效率。

在众多研究中，激光切割因其非接触式加工、高精度和高效率等优点，逐渐成为一种替代传统机械切割的优选方案。早期的激光切割方法主要依赖于高功率密度的激光束直接作用于材料表面，通过高温熔化实现切割。然而，这种方法虽然避免了机械切割带来的物理损伤，却不可避免地引入了显著的热损伤，尤其是在SiC这类高热导率材料的切割过程中，热积累效应可能导致材料变形或表面质量下降。为了解决这一问题，Ohmura等人提出了一种激光隐形切割方法，即通过将激光聚焦在材料内部，形成一个预修改层，将单晶SiC转变为非晶态SiC，随后通过外部机械应力诱导裂纹的连续扩展，从而实现晶圆的分离。这种方法在提高切割质量和减少材料损耗方面表现出色，因此成为当前SiC晶圆切割的主流技术之一。

然而，LSD方法仍然存在一些关键问题，特别是在处理厚SiC晶圆时。由于材料的高热导率，传统LSD方法中依赖于激光热应力诱导裂纹扩展的方式，可能导致裂纹在晶圆表面扩散，造成不可控的表面损伤，如碎屑和裂纹不连续等问题。这些问题不仅影响晶圆切割的表面质量，还可能破坏晶圆上的电子元件，进而影响最终器件的性能。因此，为了进一步提升LSD方法在厚SiC晶圆切割中的适用性和切割质量，研究者们开始探索新的加工策略，其中一种重要的创新便是双阶段时间激光隐形切割（Dual-Stage Temporal Laser Stealth Dicing, DLSD）方法。

DLSD方法的核心在于其独特的双阶段激光处理流程。首先，采用低功率密度的修改激光，在晶圆内部生成一个预修改层。该预修改层将单晶SiC转变为非晶态SiC，这一转变过程能够显著增强材料对后续诱导激光的吸收能力。接着，使用高功率密度的诱导激光，作用于预修改层，促使裂纹在材料内部持续扩展。通过这种分阶段的处理方式，DLSD方法不仅能够有效控制裂纹的扩展路径，还能减少因热积累而导致的表面损伤，从而显著提高晶圆切割的质量。与传统的LSD方法相比，DLSD方法更注重裂纹扩展的连续性和可控性，使其在厚SiC晶圆切割中表现出更强的适应性和更高的切割精度。

在DLSD方法中，预修改层的生成是整个切割过程的基础。修改激光的功率密度较低，因此其主要作用是将材料内部的部分区域进行结构改变，使其转变为非晶态，从而为后续诱导激光的高效作用提供条件。这一过程的关键在于控制激光的聚焦深度和能量密度，以确保预修改层的形成既不会对晶圆表面造成损伤，又能为裂纹扩展提供足够的物理基础。预修改层的生成不仅提高了诱导激光的吸收效率，还通过改变材料的微观结构，降低了裂纹扩展的阻力，使得裂纹能够在诱导激光的作用下更加顺畅地向晶圆表面延伸。

诱导激光的使用则是DLSD方法中实现裂纹连续扩展的关键环节。与修改激光不同，诱导激光具有更高的功率密度，能够在预修改层的基础上进一步引发裂纹的扩展。通过调节诱导激光的功率和扫描速度，可以有效控制裂纹扩展的长度和速度，从而优化切割质量。研究表明，提高诱导激光的功率和扫描速度能够增强预修改层的长度，进而促进裂纹的连续扩展。这种双重调控机制使得DLSD方法能够在不引起表面热积累的情况下，实现裂纹的高效、连续扩展，从而显著减少碎屑和裂纹不连续等缺陷。

在实际应用中，DLSD方法通过优化两个激光参数的协同作用，实现了对SiC晶圆切割过程的精细控制。实验结果表明，当修改激光功率为0.14 W、诱导激光功率为0.18 W、扫描速度为800 mm/s时，晶圆切割的碎屑宽度和侧壁表面粗糙度分别达到了最小值，分别为6.0 μm和1.15 μm。这一结果充分验证了DLSD方法在提升切割质量方面的有效性。此外，通过调整激光的扫描路径和聚焦位置，还可以进一步优化裂纹扩展的方向和形态，从而提高切割的均匀性和一致性。

DLSD方法的创新之处在于其对裂纹扩展机制的深入理解和优化。与传统的LSD方法相比，DLSD方法通过引入预修改层，不仅提高了诱导激光的吸收效率，还为裂纹扩展提供了更稳定的物理基础。这一过程的核心在于材料的结构转变和裂纹扩展路径的优化，使得裂纹能够在材料内部持续扩展，而不至于在表面扩散或中断。通过这种方式，DLSD方法有效避免了传统LSD方法中常见的表面损伤问题，为厚SiC晶圆的高质量切割提供了一种可行的解决方案。

除了对激光参数的优化，DLSD方法还强调了裂纹扩展过程中的物理机制研究。基于经典断裂力学理论，研究者们对DLSD方法中裂纹的扩展路径和行为进行了系统分析。这一理论模型不仅揭示了裂纹扩展的物理规律，还为优化切割参数提供了科学依据。通过理论与实验的结合，DLSD方法能够在不同的工艺条件下，实现对裂纹扩展的精准控制，从而确保切割质量的稳定性和一致性。

在实际应用中，DLSD方法的优势不仅体现在切割质量的提升上，还在于其对厚SiC晶圆的适应性。由于厚SiC晶圆的高热导率，传统LSD方法中依赖热应力诱导裂纹扩展的方式往往难以满足切割需求，容易导致裂纹扩展的不连续和表面损伤的增加。而DLSD方法通过分阶段的激光处理，能够有效克服这一问题，实现对厚SiC晶圆的高效、高质量切割。这一方法的提出，为SiC晶圆切割技术的发展提供了新的思路，也为未来在高功率电子器件制造领域的应用奠定了基础。

总之，DLSD方法通过其独特的双阶段激光处理流程，成功解决了传统LSD方法在厚SiC晶圆切割中面临的关键问题。它不仅提高了切割过程的可控性，还显著减少了表面损伤，从而提升了晶圆切割的整体质量。随着对SiC材料特性的进一步研究和对激光加工技术的不断优化，DLSD方法有望在未来成为SiC晶圆切割的标准工艺之一，为高功率电子器件的制造提供更加可靠和高效的解决方案。