《Materials Today Communications》：Enhanced Slicing Efficiency and Quality of Large-Scale 4H-SiC via Ultrasonic-Assisted Laser Processing
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研究人员采用皮秒（5 ps）与纳秒（25 ns）绿光激光沿4H-SiC碳面（C-face）[1?00]方向诱导内部改性，评估超声辅助切片制备晶圆的可行性。系统分析比较了激光改性前后SiC的晶体结构、力学性能、裂纹形貌、元素组成、抗拉强度、表面粗糙度及形貌。结果
研究人员采用皮秒（5 ps）与纳秒（25 ns）绿光激光沿4H-SiC碳面（C-face）[1?00]方向诱导内部改性，评估超声辅助切片制备晶圆的可行性。系统分析比较了激光改性前后SiC的晶体结构、力学性能、裂纹形貌、元素组成、抗拉强度、表面粗糙度及形貌。结果表明，纳秒激光较皮秒激光引发更充分的相变，硬度和杨氏模量（Young’s modulus）降幅更大；纳秒处理下裂纹连接更连续、扩展更宽，抗拉强度降至皮秒处理的约七分之一。皮秒激光则诱发自聚焦行为，改性更深但研磨材料去除量增加。激光诱导微裂纹充当内部光学界面，使后续脉冲发生反射与透射，导致裂纹加深与材料损失增加。6英寸与8英寸SiC晶圆均在10分钟内经超声辅助成功分离，且几何质量优良。该研究建立了一种面向大尺寸SiC晶圆的高效超声辅助激光切片方法，为替代金刚石线锯（diamond wire sawing）进行大功率半导体衬底量产提供了可行路径。
研究背景与动机
4H-SiC作为第三代半导体，具备宽禁带、高热导率与高电子迁移率，适用于高温高压场景。随着电动汽车与AI基础设施发展，晶圆向8英寸大尺寸演进以提升良率与降本。然而4H-SiC极高硬度使传统金刚石线锯效率低下，材料损失超50%、耗时长。激光切片因高效、切缝损失低受关注，但超大尺寸（8英寸）下裂纹非均匀扩展与残余应力易致翘曲（bow）、总厚度偏差（TTV）恶化。已有研究多聚焦小样或6英寸，皮秒/飞秒等超快激光热扩散小、纳秒激光热积累强，脉冲宽度如何调控裂纹连接与分离质量仍待厘清。该文发表于《Materials Today Communications》，旨在系统比较皮秒与纳秒绿激光对6/8英寸4H-SiC内部改性及超声辅助分离的影响，明确深裂纹形成机制并示范工业级切片路径。
主要关键技术方法
研究人员选用台湾锗基化合物半导体公司N型4H-SiC晶锭（Ra≤3 nm，偏轴4°），切为1×1 cm2试片与10 mm厚晶锭分别用于参数优化与切片验证。激光系统为TRUMPF TruMicro 5280皮秒绿激光（5 ps，515 nm）与Spectra-Physics Talon GR40纳秒绿激光（25 ns，532 nm），经扩束至2.8 mm、NA 0.42物镜聚焦至约1.2 μm光斑；沿C-face深550 μm、能80 μJ、按[1?00]方向扫描（皮秒行距80 μm、纳秒250 μm）。表征手段含光学显微镜（OM）、扫描电镜能谱（SEM-EDS）、微拉曼（532 nm激发）、纳米压痕测硬度/杨氏模量、拉伸试验测分离强度、共焦显微测粗糙度、Camtek MicroProf 300测TTV/LTV/bow/warp。分离采用DELTA DC900H高频超声清洗机以水为介质振动裂片，后机械研磨抛光。
研究结果
3.1 脉冲宽度对SiC加工的影响
3.1.1 对相变与力学性能的影响：拉曼显示改性区出现480 cm?1（a-Si）、880 cm?1（a-SiC）及1350/1590 cm?1无定形碳D/G带，结晶峰衰减。纳米压痕表明未处理C-face硬度45.16 GPa、杨氏模量556.64 GPa；皮秒处理后降至15.21 GPa/460.26 GPa，纳秒降至6.15 GPa/235.48 GPa。纳秒因热积累强、熔凝循环完整，相变更彻底。
3.1.2 对裂纹形貌与化学计量比的影响：SEM显示皮秒裂纹宽约320 nm，纳秒约1.2 μm；EDS表明改性区C原子百分比由54.05%降至15.72%（皮秒）与9.52%（纳秒），Si升至84.28%/90.48%。机制为SiC分解后Si优先汽化逃逸，碳富集与晶格膨胀促微裂。
3.2 脉冲宽度对改性SiC裂纹演化与性能分析
3.2.1 内部裂纹扩展与自聚焦行为：OM观察[0001?]、[1?100]、[11?20]面。皮秒裂纹短且不连，但下方显自聚焦成丝（Kerr效应与等离子体散焦竞争），Z轴多焦点致后续研磨去除增多；纳秒裂纹连续贯通，[11?20]面主裂宽约5.1 μm，利于切片。
3.2.2 抗拉强度与表面形貌评估：拉伸强度皮秒2.56±0.18 MPa，纳秒0.33±0.14 MPa（降至约1/7）。共焦显示皮秒表面Sa 3.02±2.21 μm、Sz 26.07±2.18 μm，纳秒Sa 4.08±2.68 μm、Sz 33.82±3.56 μm且显4°偏轴周期纹；纳秒低模量高延性更易超声分离。
大尺寸验证：6/8英寸晶锭改性后入超声场≤10分钟完整裂片，经研磨后TTV、LTV、bow、warp均满足衬底要求。
讨论与结论翻译
讨论指出，激光诱导微裂纹形成内部光学界面，使后续脉冲反射透射、裂纹自深化并伴材料过损；皮秒自聚焦增深改性但增研磨耗，纳秒热致连续改性与宽裂更利超声剥离。结论：纳秒绿激光在4H-SiC中引发更完整非晶化与连续裂纹网，抗拉强度较皮秒处理降低七倍，超声辅助可在10分钟内完成6/8英寸晶圆分离且几何品质优；皮秒虽改性深但自聚焦致研磨损失上升。该高效超声辅助激光切片法为大功率SiC衬底替代金刚石线锯量产提供新方案。
