《Optics & Laser Technology》：Pulsed laser-assisted slicing of semi-insulating 4H-SiC with multi-scale pulse widths from femtoseconds to nanoseconds
编辑推荐：
罗光豪|邹菊|陈卓|Salah ud Din|刘洲|程启毅|佘文静|李江林|康春雷|杨勇|周海峰|曾玉强|吴永波|郭亮中国深圳南方科技大学机械与能源工程学院，邮编518055摘要脉冲激光辅助切割是一种高效且材料损失低的4H-SiC晶圆从锭材中剥离的方法。激光脉冲宽度在4H-SiC
罗光豪|邹菊|陈卓|Salah ud Din|刘洲|程启毅|佘文静|李江林|康春雷|杨勇|周海峰|曾玉强|吴永波|郭亮
中国深圳南方科技大学机械与能源工程学院，邮编518055
摘要
脉冲激光辅助切割是一种高效且材料损失低的4H-SiC晶圆从锭材中剥离的方法。激光脉冲宽度在4H-SiC内部诱导微裂纹方面起着重要作用，这些微裂纹有助于后续的外力剥离过程。为了探讨脉冲宽度对切割质量的影响，使用了从飞秒到纳秒不等的多种脉冲宽度对4H-SiC进行加工，并从形态、成分和剥离力等方面对样品进行了表征。此外，还通过模拟克尔效应和等离子体诱导的散焦现象来解释了改性结果。同时，结合线间距的优化，对每种脉冲宽度的加工效率和剥离样品质量进行了全面评估。根据本研究的参数，400 fs到5 ps的脉冲宽度无法保证样品的完整剥离。当脉冲宽度增加到10 ps时，样品的焦平面下方会形成额外的损伤层。而在700 ps、1.3 ns和2 ns的情况下，加工效率提高，剥离应力降低，但剥离表面的粗糙度增加，这会影响后续抛光过程中的材料去除量。在实际应用中，应选择适当的脉冲宽度以平衡效率和材料损失。
引言
由于4H-SiC具有优异的综合性能[1]、[2]、[3]，它被广泛用于制造高温、高电压和高频电子设备。然而，4H-SiC的加工，尤其是从锭材中剥离晶圆，仍然是限制其应用的瓶颈之一。脉冲激光辅助切割技术在4H-SiC晶圆制造中逐渐得到应用[4]、[5]。该技术利用激光束在4H-SiC内部形成微裂纹，然后通过外力使裂纹扩展，从而实现晶圆与锭材的分离[6]。与传统的金刚石线切割方法[7]、[8]、[9]相比，这种方法可以提高效率并减少材料损失，从而提高4H-SiC晶圆的生产产量[10]、[11]、[12]。
脉冲激光辅助切割4H-SiC已在多个不同的参数范围内取得进展，但大多数研究仅考察了狭窄的脉冲宽度范围。Kim等人[13]研究了780 nm激光脉冲宽度（从220 fs到6 ps）对4H-SiC加工层形貌的影响。随着脉冲宽度的增加，改性区域的高度增加，而宽度在2 ps时达到饱和。此外，研究发现，两个220 fs脉冲之间的可调延迟与单个脉冲相比产生了明显的差异。相同的能量在单个脉冲下不足以造成损伤，但在分成两个脉冲后会导致结构变化并产生明显的裂纹。当延迟小于20 ps时，改性区域的尺寸几乎保持不变，沿激光传播方向的延伸也很小。这项工作强调了在切割过程中调节4H-SiC与激光相互作用时间的重要性。Yan等人[14]开发了一种低损耗的4H-SiC切割方法，使用通过双折射产生的时域整形超快激光脉冲序列（每个脉冲500 fs）。通过调整脉冲序列的总能量和子脉冲数量，他们在激光焦点附近实现了可控的能量沉积，制备出了厚度为16.5 μm的改性层，表面粗糙度为0.604 μm。在皮秒级别，一些研究小组报道了利用微爆炸进行切割的方法。Yamada等人[15]使用1030 nm的10 ps激光研究了4H-SiC在不同晶体方向上的裂纹传播情况，成功剥离了1 cm × 1 cm的4H-SiC样品，表面粗糙度为36 μm。Han等人[16]使用1064 nm的12.6 ps激光在4H-SiC中产生了多光子诱导的微爆炸，通过控制激光焦点附近的微爆炸层，产生了瞬态高温，将4H-SiC分解为非晶态的Si和C。通过优化参数，成功剥离了1 cm × 1 cm的4H-SiC样品。Zhang等人[17]研究了1030 nm激光脉冲宽度从290 fs增加到15 ps时的效果，发现扫描轨迹从不清晰逐渐变为连续且均匀。在纳秒级别，Liu等人[18]提出了一种基于双激光诱导微裂纹生成和生长的技术，利用25 ns的脉冲宽度实现了4H-SiC的非接触式低损耗切割，将500 μm厚的4H-SiC样品切割成两块250 μm厚的晶圆。Yu等人[19]使用9.7 ns、532 nm的激光研究了大型4H-SiC晶块的切割，并通过多线重叠扫描策略实现了高效的6英寸晶圆切割。
尽管已有许多研究探讨了脉冲激光辅助切割4H-SiC的加工参数的影响，但跨多个脉冲宽度范围的系统研究仍然有限。与其他严格控制参数的比较研究对于明确脉冲宽度的作用至关重要，脉冲宽度在很大程度上决定了脉冲激光的峰值功率和激光-物质相互作用机制。在本研究中，设计了一组控制实验，脉冲宽度范围为400 fs → 1 ps → 5 ps → 10 ps → 180 ps → 700 ps → 1.3 ns → 2 ns → 3.5 ns。研究结果表明，脉冲宽度决定的吸收模式影响了改性层的形态和数量。此外，脉冲宽度是控制裂纹传播长度、剥离应力以及剥离后样品表面粗糙度的主要因素，这些因素共同决定了该切割技术的整体性能。本研究旨在建立跨尺度的加工框架，并阐明加工效率与材料损失之间的权衡，从而指导该技术的脉冲宽度选择。
章节片段
实验设备和样品
图1(a)展示了多脉冲宽度激光加工系统的示意图。为了实现多种脉冲宽度，首先使用了一台中心波长为1030 nm的光纤激光器（FemtoYL，YSL Photonics），其脉冲宽度范围为400 fs到10 ps。此外，还选用了一台波长为1064 nm的光纤激光器（IPG Photonics）和主振荡器功率放大器（MOPA）激光器（YDFLP-20-M8-S-R，JPT），能够产生更长的脉冲宽度，包括180 ps、700 ps、1.3 ns、2 ns和3.5 ns。
脉冲宽度对4H-SiC内部扫描轨迹的影响
为了研究脉冲宽度对4H-SiC激光加工的影响，选择了400 fs到3.5 ns的九种脉冲宽度以及2 μJ到12 μJ的脉冲能量进行线扫描测试，同时保持其他参数大致不变（1030 nm和1064 nm的波长足够接近）。4H-SiC晶圆的内部直接由脉冲激光进行加工，使用激光的光学成像模块对X-Y平面内的扫描轨迹进行了表征。
结论
在本研究中，我们分析了脉冲宽度对4H-SiC内部改性和剥离的影响。通过在不同脉冲宽度范围（400 fs-3.5 ns）和脉冲能量下的系统实验，填补了飞秒-纳秒过渡区域的数据空白。此外，我们还对克尔效应和等离子体诱导的散焦进行了模拟，阐明了激光在4H-SiC内部的能量分布。在我们的实验参数下，400 fs到5 ps的脉冲宽度无法保证...
CRediT作者贡献声明
罗光豪：撰写——初稿撰写，正式分析，数据整理。邹菊：软件开发，数据整理。陈卓：实验研究，正式分析。Salah ud Din：资源提供。刘洲：资源提供，数据整理。程启毅：正式分析，数据整理。佘文静：软件开发。李江林：软件开发，数据整理。康春雷：监督指导，资源提供。杨勇：监督指导，资源提供。周海峰：资源提供。曾玉强：监督指导，资源提供。吴永波：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了深圳市半导体专用设备工程技术研究中心（XMHT20230111003）建设项目、深圳市基础研究一般计划（JCYJ20240813100419026）、南方科技大学的高水平专项资金（G03034K003）、深圳市科技计划（JCYJ20241202125303005）以及深圳市高等教育机构稳定支持计划项目（20231120094333001）的支持。
