基于裂纹扩展控制的SiC激光切割技术

《Optics & Laser Technology》：SiC laser slicing based on crack propagation control

硅 carbide激光切割中，裂纹扩展方向受激光写入晶向影响，沿[11?0]晶向写入可实现裂纹沿解理面连通，使脱层应力最低且表面粗糙度最优。实验与相场模拟结合验证了该晶向对抑制纵向裂纹和优化切割质量的关键作用。

　　

肖明阳|叶云霞|刘洋|王杰|杜宇航

江苏大学机械工程学院，镇江212013，中国

摘要

碳化硅（SiC）激光切割是一种有前景的替代传统线锯切割的方法，然而激光改性引起的分层现象的物理机制尚未完全理解。在这项工作中，从裂纹扩展的角度研究了SiC的激光诱导分层现象。模拟了皮秒激光改性过程中的裂纹演变，揭示了激光直写方向对裂纹连通性的影响，并通过实验验证了直写方向和间距对分层拉伸应力和分层表面粗糙度的影响。沿[11$\stackrel{￣}{2}$0]晶体学方向的扫描可以实现沿解理面的完全裂纹连接，从而获得最低的拉伸应力和最光滑的分层表面。这些结果为高效、高质量的SiC激光切割提供了指导。

引言

功率电子设备的快速发展对实现高质量和高效率的硬质脆性宽禁带材料（如碳化硅）的切割带来了重大挑战[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。由于SiC晶体的强共价键和明显的各向异性，晶圆分离通常伴随着严重的亚表面损伤、裂纹不稳定性以及材料损失，使得切割成为制造过程中最脆弱的步骤之一[6]、[7]。随着晶圆直径的增大和厚度的减小，传统的机械切割方法在保持工艺稳定性和表面完整性方面面临越来越大的困难[8]、[9]。虽然传统的线锯切割在工业生产中得到了广泛应用，但它不可避免地会引入高机械载荷，导致广泛的亚表面损伤、较大的切口损失以及切割效率降低，特别是对于大直径的SiC晶圆[10]。这些限制促使人们探索能够将材料去除与机械力解耦的替代非接触方法。在这方面，超快激光切割受到了越来越多的关注[11]，因为它能够在最小的外部应力下对SiC进行局部内部改性，从而提高剥离过程的可控性和晶圆厚度的均匀性[12]、[13]。

碳化硅的激光切割技术主要沿着两个方向发展：多能量协同处理和激光诱导改性过程的优化。在多能量协同复合处理领域，Swoboda等人提出了“COLD SPLIT”技术。在这种方法中，首先使用激光在SiC锭体内创建一个改性层；随后利用碳化硅与粘合聚合物在低温下的热膨胀系数差异来诱导热应力，从而实现晶圆分离[14]。Geng等人提出了一种结合飞秒激光辐照与带隙选择性光电化学剥离的新方法，实现了4H-SiC晶圆的高效低损耗分离[15]。Lv等人创新性地引入了超声波振动，有效促进了改性层内微裂纹的扩展，显著降低了层间键合强度，从而扩展了激光辅助技术[16]。关于激光诱导改性过程的机制和调控，研究越来越深入地探讨了光场控制和裂纹调控等方面。Du等人采用多焦点全息光束技术在改性平面上更均匀地分布激光能量，有效抑制了纵向裂纹的扩展并降低了剥离过程中的拉伸应力[17]。Yan等人提出利用时间形状的超快脉冲簇来抑制预聚焦等离子体屏蔽效应，从而实现了碳化硅（SiC）晶圆的高精度低损耗激光切割[18]。Sun等人揭示了激光偏振对SiC内部损伤演变的影响[19]。Fan等人系统测量了单晶碳化硅沿不同晶体学方向的断裂韧性，并提出了一种基于晶体学各向异性的激光切割优化策略，实现了从“损伤抑制”到“引导裂纹扩展”的转变[20]。Wang等人通过多光束协同处理明确指出，裂纹倾向于沿(0001)基面解理面优先扩展[21]。Youn等人从工艺实验的角度证明，将激光直写方向与特定的晶体学方向匹配可以引导裂纹沿预定义路径扩展，从而显著降低剥离应力并提高切割表面质量[22]。

尽管一些研究观察到了晶体学方向对剥离行为的影响，但对于像SiC这样的各向异性晶体材料，晶体结构和方向如何影响激光诱导改性的物理机制尚未完全阐明。特别是，激光写入（改性）阶段裂纹是如何产生和扩展的，以及这如何随后控制剥离过程，目前仍不清楚。为了实现更容易剥离且表面粗糙度更低的SiC切片，有必要基于对激光诱导改性机制、相互作用规律和裂纹扩展行为的深入理解，开发有效的控制SiC分离的方法。

为了解决上述问题，本研究模拟了激光诱导改性过程中的裂纹扩展物理过程，从基础角度研究了激光直写方向对裂纹扩展的影响，并阐明了背后的裂纹扩展机制。通过使用不同的激光直写方向和改性间距进行实验验证，确定了最佳直写方向为[11$\stackrel{￣}{2}$0]。沿此方向进行激光写入可以实现对机械剥离所需的最小拉伸应力，并降低剥离后SiC的表面粗糙度，从而显著提高剥离效率和质量。

材料与实验方法

本研究中使用的n型4H-SiC晶圆厚度为600 μm，其[11$\stackrel{￣}{2}$0]晶体学方向相对于水平面倾斜了4°。晶圆的两侧经过抛光，以达到小于5 nm的表面粗糙度。然后将晶圆切割成10 mm × 10 mm的正方形样品。其中一个正方形的一边与[11$\stackrel{￣}{2}$0>方向在水平面上的投影成角度θ；分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，用于激光切割

数值建模

在COMSOL中采用了相场方法来模拟激光辐照在碳化硅中引起的裂纹扩展过程，揭示了这一过程中的裂纹空间分布。相场模型的详细计算程序和模拟方法在补充材料中提供。具体的模拟结果如图2所示。

图2(a)展示了直接写入情况下的裂纹扩展相场模拟结果

裂纹扩展方向

图4显示了采用0°、45°和90°激光直写方向改性的SiC样品的横截面形态。具体的加工参数如下：激光脉冲宽度为10 ps，重复率f = 200 kHz，单脉冲能量为75 μJ，写入速度为200 mm/s，改性线间距s = 40 μm，激光焦点位于SiC晶圆顶面下方140 μm处。分别沿0°、45°和90°直写方向的样品被切割

结论

本研究探讨了SiC激光剥离过程中涉及的裂纹扩展机制。采用相场方法模拟了激光辐照在SiC中引起的裂纹扩展过程。数值模拟为激光直写方向对裂纹扩展的影响提供了理论解释，揭示了直写方向如何影响SiC的激光剥离行为。

CRediT作者贡献声明

肖明阳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证。叶云霞：监督，项目管理，调查，资金获取，概念化。刘洋：资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，正式分析，概念化。王杰：验证，调查。杜宇航：验证，调查。

资助

江苏省前沿科技研发计划（BF2024046）；国家自然科学基金（52405483）；江苏省自然科学基金（BK20240855）；2023年镇江市科技创新基金项目（SS2023009）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

肖明阳完成了实验设计及论文撰写；叶云霞和刘洋提供了关于实验和论文写作的建议；王杰和杜宇航协助了实验程序。