激光助力碳化硅材料高效电离背后的秘密

超短脉冲激光技术作为一种高精度、非接触式加工技术，以其极短的脉冲宽度和高能量密度在微纳米加工领域展现出独特的优势。与传统激光相比，超短脉冲激光的脉冲持续时间通常在皮秒（ps）到飞秒（fs）级别，能够极大限度地减少材料的热影响区，避免因长时间的热积累导致材料变形或损伤。正因如此，超短脉冲激光技术在硬脆性材料的加工中具有巨大的潜力，特别是在碳化硅这种极难加工的材料领域。

从21世纪初开始，超短脉冲激光技术便迅速发展，并在高精密加工领域中崭露头角。特别是在半导体和光电材料加工中，超短脉冲激光可以通过其高能量密度和极短的作用时间，实现对材料内部的精密改性和切割，避免传统切割工艺中出现的裂纹和表面粗糙等问题。该技术不仅能提高切割精度，还能够通过在材料内部形成的微损伤层，确保切割质量的同时降低材料的损耗。

在这一背景下，超短脉冲激光辅助碳化硅（SiC）晶圆切片工艺逐渐成为关注的焦点。利用超短脉冲激光可以精确聚焦在SiC晶体内部，形成均匀的损伤层，再通过后续的裂解方式（如冷裂解或热裂解）实现晶圆的精确切割。这一技术的优越性不仅体现在高精度和高效率的加工过程中，还能够大幅降低切缝损耗和表面粗糙度，提高切片的质量和一致性。然而，尽管超短脉冲激光辅助SiC晶圆切片的工艺优势已得到一定认可，关于其切片过程中的具体物理机理及损伤层的形成原理仍需要进一步深入研究和探讨。

   超短脉冲激光辅助碳化硅晶圆切片工艺原理

超短脉冲激光辅助SiC晶圆切片的工艺流程如下图所示。首先，激光通过精确的轨迹扫描，在SiC晶锭的预定厚度处形成均匀且致密的损伤层，同时保持材料表面不受损。该损伤层的形成伴随着微裂纹的生成，横向（X、Y轴）和纵向（Z轴）裂纹共同作用，使材料的力学性能减弱。随后，通过冷裂解、热裂解、化学裂解或机械裂解等方法进行晶圆剥离。

超短脉冲激光辅助 SiC 晶圆切片工艺 图源：公开网络

需要指出的是，隐形切割技术与激光辅助切片技术存在相似之处，两者都是通过激光在材料内部进行结构修饰，但隐形切割侧重于垂直于激光传播方向的损伤层扩展，而激光辅助切片则强调在入射方向和扫描轨迹上的精密控制。超短脉冲激光加工是整个工艺的关键环节，其操作过程如下图所示。

激光在材料内部加工及微裂纹形成示意图 图源：公开网络

在加工过程中，激光束必须精确聚焦在材料内部的指定位置，以确保后续加工的准确性。通过三维移动平台的精密控制，激光束沿X、Y、Z三个方向移动，按照预设轨迹完成对材料的精细加工。这一过程对操作的精确性要求极高，因为任何微小的偏差都可能影响最终的加工效果，导致结果不理想。

超短脉冲激光与材料相互作用的过程复杂且多层次，通常可以分为三个主要阶段。第一阶段，激光与材料表面相互作用，表现为反射、折射和吸收等光学特性，而材料的物理状态未发生明显变化。第二阶段，随着激光能量的增加，材料特性开始发生变化，激光束的聚焦和散焦行为变得显著，光束强度和质量受到影响。最后，激光能量在材料中沉积并引发永久性结构变化，形成损伤层。

   超短脉冲激光与碳化硅相互作用的电离过程

超短脉冲激光与半导体材料的相互作用机制与金属材料不同，主要原因在于半导体中缺乏大量自由电子。当激光作用于金属时，自由电子首先吸收光子能量并迅速加热，随后通过与其他电子的碰撞传递能量，最终使晶格加热并引发材料相变及等离子体生成。然而，在半导体材料中，电离过程主要通过光电离和冲击电离两种机制发生。光电离包括多光子电离和隧穿电离，其中多光子电离是电子通过同时吸收多个光子跨越束缚能，跃迁至导带成为自由电子；隧穿电离则发生在激光强度极高时，电子通过畸变的库仑势垒隧穿并释放出来。当激光强度超过 10⁹ W/cm² 时，半导体材料会经历非线性吸收过程，激光光子足以克服束缚能，电子被激发至导带，形成自由电子，这些自由电子进一步引发雪崩电离，导致材料内部电子密度迅速增加，最终形成等离子体。

光电离机制示意图 图源：公开网络

相比之下，冲击电离机制是通过自由电子吸收多个光子并获得足够的动能后，与价电子碰撞，释放出更多的低能电子，形成连锁反应，即雪崩效应。随着激光强度的增加，自由电子密度呈指数增长，并在低于 10¹² W/cm² 的激光强度下，引发半导体材料的烧蚀。雪崩电离的效率受到激光光子吸收速率与电子能量损失的竞争影响，因此该过程不仅与激光强度成线性正比，也取决于自由电子密度。超短脉冲激光通过这些复杂的电离和能量传递机制，能够在极短的时间内对半导体材料产生深远影响，广泛用于高精密的材料加工领域。

雪崩电离示意图 图源：公开网络

在经过第一阶段的电离和电子加热后，大量自由电子在半导体材料内部积累，使其暂时表现出类似金属的特性。自由电子与晶格的相互作用可能引发材料的相变，主要包括热相变和非热相变两种机制。热相变机制通常发生在晶格温度超过材料熔点时，表现为熔化或气化的过程。而非热相变则与等离子体膨胀相关，不依赖于晶格的加热。超短脉冲激光辐射下，材料中的自由电子迅速电离，等离子体密度随之快速增加，等离子体振荡频率逐渐接近激光频率，最终触发非热相变。根据Stoian等人的研究，库仑爆炸是主导非热相变的关键机制，它通过快速膨胀的等离子体作用，直接影响材料的相变过程。

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