超短脈沖激光技術(shù)作為一種高精度、非接觸式加工技術(shù)，以其極短的脈沖寬度和高能量密度在微納米加工領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)激光相比，超短脈沖激光的脈沖持續(xù)時間通常在皮秒（ps）到飛秒（fs）級別，能夠極大限度地減少材料的熱影響區(qū)，避免因長時間的熱積累導(dǎo)致材料變形或損傷。正因如此，超短脈沖激光技術(shù)在硬脆性材料的加工中具有巨大的潛力，特別是在碳化硅這種極難加工的材料領(lǐng)域。

從21世紀(jì)初開始，超短脈沖激光技術(shù)便迅速發(fā)展，并在高精密加工領(lǐng)域中嶄露頭角。特別是在半導(dǎo)體和光電材料加工中，超短脈沖激光可以通過其高能量密度和極短的作用時間，實現(xiàn)對材料內(nèi)部的精密改性和切割，避免傳統(tǒng)切割工藝中出現(xiàn)的裂紋和表面粗糙等問題。該技術(shù)不僅能提高切割精度，還能夠通過在材料內(nèi)部形成的微損傷層，確保切割質(zhì)量的同時降低材料的損耗。

在這一背景下，超短脈沖激光輔助碳化硅（SiC）晶圓切片工藝逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)。利用超短脈沖激光可以精確聚焦在SiC晶體內(nèi)部，形成均勻的損傷層，再通過后續(xù)的裂解方式（如冷裂解或熱裂解）實現(xiàn)晶圓的精確切割。這一技術(shù)的優(yōu)越性不僅體現(xiàn)在高精度和高效率的加工過程中，還能夠大幅降低切縫損耗和表面粗糙度，提高切片的質(zhì)量和一致性。然而，盡管超短脈沖激光輔助SiC晶圓切片的工藝優(yōu)勢已得到一定認(rèn)可，關(guān)于其切片過程中的具體物理機(jī)理及損傷層的形成原理仍需要進(jìn)一步深入研究和探討。

超短脈沖激光輔助碳化硅晶圓切片工藝原理

超短脈沖激光輔助SiC晶圓切片的工藝流程如下圖所示。首先，激光通過精確的軌跡掃描，在SiC晶錠的預(yù)定厚度處形成均勻且致密的損傷層，同時保持材料表面不受損。該損傷層的形成伴隨著微裂紋的生成，橫向（X、Y軸）和縱向（Z軸）裂紋共同作用，使材料的力學(xué)性能減弱。隨后，通過冷裂解、熱裂解、化學(xué)裂解或機(jī)械裂解等方法進(jìn)行晶圓剝離。

超短脈沖激光輔助 SiC 晶圓切片工藝 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

需要指出的是，隱形切割技術(shù)與激光輔助切片技術(shù)存在相似之處，兩者都是通過激光在材料內(nèi)部進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，但隱形切割側(cè)重于垂直于激光傳播方向的損傷層擴(kuò)展，而激光輔助切片則強(qiáng)調(diào)在入射方向和掃描軌跡上的精密控制。超短脈沖激光加工是整個工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其操作過程如下圖所示。

激光在材料內(nèi)部加工及微裂紋形成示意圖 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

在加工過程中，激光束必須精確聚焦在材料內(nèi)部的指定位置，以確保后續(xù)加工的準(zhǔn)確性。通過三維移動平臺的精密控制，激光束沿X、Y、Z三個方向移動，按照預(yù)設(shè)軌跡完成對材料的精細(xì)加工。這一過程對操作的精確性要求極高，因為任何微小的偏差都可能影響最終的加工效果，導(dǎo)致結(jié)果不理想。

超短脈沖激光與材料相互作用的過程復(fù)雜且多層次，通?？梢苑譃槿齻€主要階段。第一階段，激光與材料表面相互作用，表現(xiàn)為反射、折射和吸收等光學(xué)特性，而材料的物理狀態(tài)未發(fā)生明顯變化。第二階段，隨著激光能量的增加，材料特性開始發(fā)生變化，激光束的聚焦和散焦行為變得顯著，光束強(qiáng)度和質(zhì)量受到影響。最后，激光能量在材料中沉積并引發(fā)永久性結(jié)構(gòu)變化，形成損傷層。

超短脈沖激光與碳化硅相互作用的電離過程

超短脈沖激光與半導(dǎo)體材料的相互作用機(jī)制與金屬材料不同，主要原因在于半導(dǎo)體中缺乏大量自由電子。當(dāng)激光作用于金屬時，自由電子首先吸收光子能量并迅速加熱，隨后通過與其他電子的碰撞傳遞能量，最終使晶格加熱并引發(fā)材料相變及等離子體生成。然而，在半導(dǎo)體材料中，電離過程主要通過光電離和沖擊電離兩種機(jī)制發(fā)生。光電離包括多光子電離和隧穿電離，其中多光子電離是電子通過同時吸收多個光子跨越束縛能，躍遷至導(dǎo)帶成為自由電子；隧穿電離則發(fā)生在激光強(qiáng)度極高時，電子通過畸變的庫侖勢壘隧穿并釋放出來。當(dāng)激光強(qiáng)度超過 10 ⁹ W/cm²時，半導(dǎo)體材料會經(jīng)歷非線性吸收過程，激光光子足以克服束縛能，電子被激發(fā)至導(dǎo)帶，形成自由電子，這些自由電子進(jìn)一步引發(fā)雪崩電離，導(dǎo)致材料內(nèi)部電子密度迅速增加，最終形成等離子體。

光電離機(jī)制示意圖 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

相比之下，沖擊電離機(jī)制是通過自由電子吸收多個光子并獲得足夠的動能后，與價電子碰撞，釋放出更多的低能電子，形成連鎖反應(yīng)，即雪崩效應(yīng)。隨著激光強(qiáng)度的增加，自由電子密度呈指數(shù)增長，并在低于10¹² W/cm²的激光強(qiáng)度下，引發(fā)半導(dǎo)體材料的燒蝕。雪崩電離的效率受到激光光子吸收速率與電子能量損失的競爭影響，因此該過程不僅與激光強(qiáng)度成線性正比，也取決于自由電子密度。超短脈沖激光通過這些復(fù)雜的電離和能量傳遞機(jī)制，能夠在極短的時間內(nèi)對半導(dǎo)體材料產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，廣泛用于高精密的材料加工領(lǐng)域。

雪崩電離示意圖 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

在經(jīng)過第一階段的電離和電子加熱后，大量自由電子在半導(dǎo)體材料內(nèi)部積累，使其暫時表現(xiàn)出類似金屬的特性。自由電子與晶格的相互作用可能引發(fā)材料的相變，主要包括熱相變和非熱相變兩種機(jī)制。熱相變機(jī)制通常發(fā)生在晶格溫度超過材料熔點(diǎn)時，表現(xiàn)為熔化或氣化的過程。而非熱相變則與等離子體膨脹相關(guān)，不依賴于晶格的加熱。超短脈沖激光輻射下，材料中的自由電子迅速電離，等離子體密度隨之快速增加，等離子體振蕩頻率逐漸接近激光頻率，最終觸發(fā)非熱相變。根據(jù)Stoian等人的研究，庫侖爆炸是主導(dǎo)非熱相變的關(guān)鍵機(jī)制，它通過快速膨脹的等離子體作用，直接影響材料的相變過程。（來源：DT半導(dǎo)體）