碳化硅 (SiC) 是一种宽带隙半导体，具备优异的热学和光电性能，被广泛认为是高压、低损耗电力电子器件的理想材料。其带隙范围在2.3到3.3eV之间，而SiC功率器件的击穿电场强度比第一代半导体高出近10倍，这使得它在大功率和高压设备中占据关键地位。此外，SiC能自然氧化生成二氧化硅，使得基于MOS的全系列大功率电子器件的制造成为可能。凭借其高硬度、耐高温、耐腐蚀等卓越的物理化学稳定性，SiC还展现了宽光谱透过率和光学非线性等丰富的光电性能，广泛应用于微光学领域。
然而，正是因为SiC拥有这些优异特性，如高硬度和高透光性，其制备过程相比其他材料更加复杂和困难。目前，SiC晶圆的制造能力仍然无法满足工业需求，如何实现高效且高质量的大规模SiC晶圆生产仍是一个技术瓶颈。在切片工艺上，传统电镀金刚石线切片技术面临着切口损失大、环境污染严重、表面质量不佳等一系列挑战。除此之外，切割速度较慢，且线锯在加工过程中容易因振动引发亚表面损伤或边缘碎裂。
近些年，激光切片技术发展迅速，旨在解决切口损失大和表面质量差等问题。飞秒激光切片技术将切口损失厚度降至24µm以下，且能够获得无破损的完整表面。利用皮秒激光诱导多光子吸收微爆炸切割SiC晶圆，成功将切口损失降至2µm以下，且表面粗糙度控制在1.8µm。张泽等人提出了碳化硅双光束异步切割技术，该方法避免了传统隐形切割中的机械断裂过程，能够获得无碎片的SiC晶圆。李宇航等人则结合了激光切片和抛光技术，减少了损伤缺陷，虽然切片表面呈现粗糙与光滑相间的外观，且河流形貌周围较为粗糙，但平均表面粗糙度已超过890nm。耿文浩等通过结合飞秒激光辐照与带隙选择性光电化学剥离，实现了4H-SiC晶片的高效切片，尽管光电化学 (PEC) 蚀刻过程中光生空穴可以在HF溶液的辅助下选择性氧化和腐蚀改性层，但其效率较低且存在一定的环境污染问题。
由于SiC晶圆的抗压和抗拉强度随着尺寸增大而减小，因此对机械外力十分敏感。采用拉伸机进行激光加工后的SiC晶圆剥离切片时，可能会导致损伤和碎裂，此外，接触式切片还会造成晶圆表面的污染。目前的激光切片技术在SiC内部产生了一层厚度为10-100µm 的改性层，降低了SiC的连接强度，从而加大了切口损失。
近日，厦门大学的科研团队介绍了一种基于双激光诱导微裂纹生成和扩展的新技术，成功实现了非接触、低切口损失的SiC晶片切片。该技术将500µm厚的SiC样品无损伤地切片成两片厚度为250µm的晶片，且表面粗糙度控制在200nm以下。这为 SiC 晶片微裂纹的生长与互连调控提供了理论依据，并确保了切片后的表面质量。
科研人员采用纳秒激光对材料内部进行重叠扫描，如下图所示。激光脉冲持续时间为25ns，波长为1064nm，重复频率为10kHz，聚焦光斑尺寸约为10μm。首先，高能量密度的脉冲激光束（即第一激光束）聚焦在SiC材料内部，产生多个微裂纹，从而增强了材料对激光能量的吸收并削弱了SiC的键合强度。接下来，较低能量密度的脉冲激光束（第二激光束）扫描SiC，进一步促使微裂纹的生长，并操控微裂纹的互连来完成晶圆切片过程。
全激光加工引起的微裂纹产生和生长控制示意图 图源：公开网络
结果与讨论
下图展示了高能量密度脉冲激光束辐照SiC后产生微裂纹的机制。激光加热SiC至超过 3200K，使其熔化、汽化并产生强热应力，导致材料内部形成液相和气相SiC。随着温度升高至 3500K，SiC分解为 Si 和 C，Si 蒸发显著，C 形成富碳区域，进而在SiC内部产生多个微裂纹。实验显示，SiC晶片透过率从加工前的68%降至11.6%，这表明缺陷增强了激光能量吸收并削弱了材料结合力。
(a) 第一次脉冲激光烧蚀形成微裂纹的机理和 SiC 内部微裂纹的横截面视图。(b) 产生微裂纹的 SiC 晶片的顶视图。(c) SiC 内部多个微裂纹和未裂纹区域的横截面视图。图源：公开网络
微裂纹的产生、扩展与连通是SiC切片的关键。第一束激光通过高能量密度沉积产生微裂纹，热应力使其沿 <0001> 方向生长。扫描后形成的微裂纹长度为约500μm，但尚不足以分离晶片。为此，第二束低能量激光照射促使微裂纹进一步生长和连通，最终实现 SiC 晶片的分离。
在第二阶段中，激光产生的温度梯度导致SiC内部不同区域的拉应力和压应力，进而促进微裂纹的扩展。高温下的SiC分解生成非晶碳和非晶硅，硅蒸气膨胀产生微爆炸，加剧了微裂纹的扩展。最终通过第二束脉冲激光，多个微裂纹连通，实现晶片分离。
全激光加工的关键在于精确控制第二束低能量脉冲激光，使微裂纹连通，从而实现高质量的切片。第一束高能量激光生成的微裂纹作为分离引导线，而第二束低能量激光则促使微裂纹吸收能量，继续扩展和连通。与传统电镀金刚石线相比，这种激光加工方式显著降低了SiC切口损失。研究表明，激光扫描次数越多，微裂纹的宽度和长度逐渐增加，直至微裂纹完全连通，形成平整的分离层。最终，采用这种方法可成功分离500μm厚的SiC晶片，并且切片厚度均匀（250 μm），同时切口损失仅为915nm，显著优于传统方法。
(a) 第二次脉冲激光照射下微裂纹生长和互连的示意图。(b) 微裂纹宽度与激光扫描次数的关系。(c) 在 2.2 J/cm 2的低激光能量密度下，从孤立微裂纹演变为连续微裂纹（N 为激光扫描次数）。图源：公开网络
最后，根据优化的激光参数，科研团队成功将500µm厚度的SiC晶片切成两片厚度为250µm的部分，且切片表面粗糙度降至186nm，切口损失缩小到915nm。然而，对于某些应用领域，如实现高质量光学表面，仍然需要更低的表面粗糙度（低于50nm）。通过进一步优化激光加工参数，有望提升表面质量，突破50 nm以下粗糙度的限制。
当前面临的主要挑战在于脉冲激光引发的热应力较大，导致微裂纹在扩展时产生脆性断裂，而非塑性变形。要实现50nm以下的表面粗糙度，关键在于精确控制激光的热应力，使SiC材料达到塑性变形的临界状态，从而形成纳米裂纹。通过产生宽度在30nm以下的纳米裂纹，便能够实现更低的粗糙度。
为实现这一目标，可能需要采用创新的方法。例如，使用双正交偏振脉冲激光辐照技术，能够最小化剪切应力，并控制纳米裂纹的生成和生长，从而获得高质量的分离表面并满足对更高光学表面质量的需求。
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