这篇文档属于类型a，是一篇关于单晶4H-SiC（碳化硅）激光切割与抛光混合工艺的原创性研究论文。以下是针对该研究的学术报告：
作者及发表信息
本研究由Yuhang Li、Zhe Zhang、Qi Song等来自中国科学院微电子研究所微电子仪器设备研发中心和长春理工大学中国纳米操纵与制造国际研究中心的团队合作完成，发表于Journal of Materials Science & Technology期刊2024年第184卷（235–244页）。
学术背景
研究领域：本研究属于半导体材料加工与表面工程领域，聚焦于单晶4H-SiC的激光精密加工技术。
研究动机：传统线锯切割（wire-sawing）和机械研磨（mechanical grinding）技术存在材料损耗高（>200 μm）、表面缺陷多等问题，制约了4H-SiC在集成电路和功率电子器件中的应用。激光加工技术因其非接触、高精度和低损伤特性，被视为潜在替代方案。
研究目标：开发一种结合激光切割（laser slicing）和激光抛光（laser polishing）的混合工艺，以提升材料利用率、降低表面损伤，并揭示加工过程中的表面形貌与纳米结构演化机制。
研究流程与方法
1. 激光切割（Laser Slicing）
- 研究对象：4英寸4H-SiC晶圆，厚度350 μm，晶向偏角4°。
- 设备与参数：采用纳秒脉冲激光（波长532 nm，单脉冲能量14.2 μJ），通过内部聚焦形成改性层（modified layer）。
- 关键步骤：
- 改性层形成：激光在晶圆内部引发爆炸孔（exploding hole）和微裂纹，通过热应力诱导剥离。
- 剥离力测试：使用万能试验机测量剥离改性层所需外力（约3.6 MPa）。
- 创新方法：通过微拉曼光谱（micro-Raman）分析改性层的残余应力，发现拉伸与压缩应力共存（-381至594 MPa）。
2. 激光抛光（Laser Polishing）
- 研究对象：激光切割后的4H-SiC表面（平均粗糙度Sa 0.89 μm）。
- 设备与参数：采用飞秒激光（波长517 nm，脉冲能量0.3 J），通过表面重熔和烧蚀实现平坦化。
- 关键发现：
- 表面纳米结构：观察到激光诱导周期性表面结构（LIPSS，周期~321 nm）和纳米颗粒沉积。
- 相变分析：XRD和HRTEM证实抛光表面存在非晶相（amorphous phase）和立方相3C-SiC，晶格间距从0.251 nm（4H-SiC）扩展至0.265 nm。
3. 表征技术
- 形貌分析：SEM、3D激光共聚焦显微镜（LSCM）量化表面粗糙度（抛光后Sa降至0.22 μm）。
- 结构表征：HRTEM显示改性层为非晶带（厚度4.7–8.2 nm），抛光层为3C-SiC与SiO2混合相。
- 元素分布：EDS显示抛光表面氧含量增加，形成SiO2相（XRD峰23.0°）。
主要结果
- 材料利用率提升：混合工艺减少75%的材料损耗（传统技术损失>50%）。
- 表面质量优化：抛光后粗糙度降低至Sa 0.22 μm，优于机械研磨（Sa 1.8–5 μm）。
- 相变机制：
- 激光切割导致4H-SiC部分非晶化，晶格膨胀（0.261–0.265 nm）。
- 飞秒抛光引发Si-C键解离（Si-C bonding dissociation）和相分离（phase separation），形成3C-SiC和SiO2。
- 残余应力控制：改性层的应力分布通过拉曼光谱精确量化，为后续化学机械抛光（CMP）提供指导。
结论与价值
科学意义：
- 揭示了激光加工中4H-SiC的表面重构机制，包括非晶化、晶格畸变和相变。
- 提出了通过激光参数调控表面应力与形貌的方法。
应用价值：
- 为高价值晶体（如GaN、金刚石）的加工提供新思路。
- 在航空航天和半导体产业中，可替代传统高损伤工艺，提升器件性能。
研究亮点
- 工艺创新：首次将纳秒激光切割与飞秒激光抛光结合，实现“低损伤-高平坦”一体化加工。
- 表征深度：通过多尺度分析（HRTEM、Raman、EDS）阐明相变与应力演化关系。
- 工业潜力：材料利用率达传统技术的4倍，表面质量满足功率器件要求。
其他有价值内容
- 热力学模拟：研究推测飞秒激光抛光中冷却速率>10^13 °C/s，导致非平衡相变。
- 局限性：抛光后表面仍存在浅波纹（高度波动1.12–6.46 μm），需进一步优化激光扫描路径。
此研究为宽禁带半导体材料的精密加工提供了理论依据和技术范例，未来可拓展至其他硬脆材料的超精密制造。