学术研究报告：全激光加工实现低切口损耗与高表面质量的碳化硅切片技术

作者及机构
本研究的通讯作者为Hong Minghui（厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院及福建省能源材料科学与技术创新实验室），第一作者为Liu Xiangfu（厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院）。研究成果于2024年10月21日发表在光学领域知名期刊《Optics Express》（Vol. 32, No. 22）上，论文标题为《Micro-cracks generation and growth manipulation by all-laser processing for low kerf-loss and high surface quality SiC slicing》。

学术背景

碳化硅（SiC）作为第三代宽禁带半导体（wide-bandgap semiconductor），因其高热稳定性、高击穿电场强度（breakdown electric field strength）和优异的光电特性，在高压功率电子器件和微光学领域具有重要应用。然而，SiC的高硬度（莫氏硬度9.2）和化学稳定性使其加工面临巨大挑战。传统电镀金刚石线切割（electroplated diamond wire slicing）存在切口损耗（kerf-loss）大（约440 μm）、表面质量差、效率低等问题。尽管已有飞秒激光（femtosecond laser）和皮秒激光（picosecond laser）切割技术尝试降低切口损耗（<24 μm），但仍存在热影响区大或环境污染等问题。本研究提出了一种创新的“双激光诱导微裂纹生成与生长调控”技术，旨在实现非接触、低切口损耗（ μm）和高表面粗糙度（<200 nm）的SiC切片。

研究流程与方法

1. 实验设计与激光系统

研究采用双光束纳秒激光系统：
- 第一束高能量密度激光（脉冲宽度25 ns，波长1064 nm，重复频率10 kHz，光斑尺寸10 μm）用于在SiC内部生成微裂纹（micro-cracks），通过热应力诱导材料局部蒸发和分解，形成缺陷以增强后续激光能量吸收。
- 第二束低能量密度激光（相同波长但能量密度降低）用于调控微裂纹的扩展与互联，最终实现晶圆分离。

实验对象为半绝缘4H-SiC晶圆（厚度500 μm），切割成10 mm×5 mm样品，通过三维平移台控制激光扫描路径（沿[0001]晶向）。

2. 微裂纹生成机制（State I）

高能量激光照射导致SiC局部温度超过其分解阈值（3500 K），产生以下物理过程：
- 热力学相变：SiC分解为无定形碳（amorphous carbon）和硅蒸气（silicon vapor），后者因蒸发（2600 K）形成空腔，产生宽度约915 nm的微裂纹（图2c）。
- 能量吸收增强：微裂纹使SiC在1064 nm波长的透射率从68%降至11.6%，显著提升后续激光能量吸收效率。

3. 微裂纹扩展与互联（State II & III）

第二束激光通过热应力调控微裂纹生长：
- 定向扩展：低能量激光在微裂纹尖端产生热膨胀应力