碳化硅 (SiC) 是一種寬帶隙半導體，具備優異的熱學和光電性能，被廣泛認為是高壓、低損耗電力電子器件的理想材料。其帶隙范圍在2.3到3.3eV之間，而SiC功率器件的擊穿電場強度比第一代半導體高出近10倍，這使得它在大功率和高壓設備中占據關鍵地位。此外，SiC能自然氧化生成二氧化硅，使得基于MOS的全系列大功率電子器件的制造成為可能。憑借其高硬度、耐高溫、耐腐蝕等卓越的物理化學穩定性，SiC還展現了寬光譜透過率和光學非線性等豐富的光電性能，廣泛應用于微光學領域。
然而，正是因為SiC擁有這些優異特性，如高硬度和高透光性，其制備過程相比其他材料更加復雜和困難。目前，SiC晶圓的制造能力仍然無法滿足工業需求，如何實現高效且高質量的大規模SiC晶圓生產仍是一個技術瓶頸。在切片工藝上，傳統電鍍金剛石線切片技術面臨著切口損失大、環境污染嚴重、表面質量不佳等一系列挑戰。除此之外，切割速度較慢，且線鋸在加工過程中容易因振動引發亞表面損傷或邊緣碎裂。
近些年，激光切片技術發展迅速，旨在解決切口損失大和表面質量差等問題。飛秒激光切片技術將切口損失厚度降至24μm以下，且能夠獲得無破損的完整表面。利用皮秒激光誘導多光子吸收微爆炸切割SiC晶圓，成功將切口損失降至2μm以下，且表面粗糙度控制在1.8μm。張澤等人提出了碳化硅雙光束異步切割技術，該方法避免了傳統隱形切割中的機械斷裂過程，能夠獲得無碎片的SiC晶圓。李宇航等人則結合了激光切片和拋光技術，減少了損傷缺陷，雖然切片表面呈現粗糙與光滑相間的外觀，且河流形貌周圍較為粗糙，但平均表面粗糙度已超過890nm。耿文浩等通過結合飛秒激光輻照與帶隙選擇性光電化學剝離，實現了4H-SiC晶片的高效切片，盡管光電化學 (PEC) 蝕刻過程中光生空穴可以在HF溶液的輔助下選擇性氧化和腐蝕改性層，但其效率較低且存在一定的環境污染問題。
由于SiC晶圓的抗壓和抗拉強度隨著尺寸增大而減小，因此對機械外力十分敏感。采用拉伸機進行激光加工后的SiC晶圓剝離切片時，可能會導致損傷和碎裂，此外，接觸式切片還會造成晶圓表面的污染。目前的激光切片技術在SiC內部產生了一層厚度為10-100μm 的改性層，降低了SiC的連接強度，從而加大了切口損失。
近日，廈門大學的科研團隊介紹了一種基于雙激光誘導微裂紋生成和擴展的新技術，成功實現了非接觸、低切口損失的SiC晶片切片。該技術將500μm厚的SiC樣品無損傷地切片成兩片厚度為250μm的晶片，且表面粗糙度控制在200nm以下。這為 SiC 晶片微裂紋的生長與互連調控提供了理論依據，并確保了切片后的表面質量。
科研人員采用納秒激光對材料內部進行重疊掃描，如下圖所示。激光脈沖持續時間為25ns，波長為1064nm，重復頻率為10kHz，聚焦光斑尺寸約為10μm。首先，高能量密度的脈沖激光束（即第一激光束）聚焦在SiC材料內部，產生多個微裂紋，從而增強了材料對激光能量的吸收并削弱了SiC的鍵合強度。接下來，較低能量密度的脈沖激光束（第二激光束）掃描SiC，進一步促使微裂紋的生長，并操控微裂紋的互連來完成晶圓切片過程。
全激光加工引起的微裂紋產生和生長控制示意圖?圖源：公開網絡
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下圖展示了高能量密度脈沖激光束輻照SiC后產生微裂紋的機制。激光加熱SiC至超過 3200K，使其熔化、汽化并產生強熱應力，導致材料內部形成液相和氣相SiC。隨著溫度升高至 3500K，SiC分解為 Si 和 C，Si 蒸發顯著，C 形成富碳區域，進而在SiC內部產生多個微裂紋。實驗顯示，SiC晶片透過率從加工前的68%降至11.6%，這表明缺陷增強了激光能量吸收并削弱了材料結合力。
(a) 第一次脈沖激光燒蝕形成微裂紋的機理和 SiC 內部微裂紋的橫截面視圖。(b) 產生微裂紋的 SiC 晶片的頂視圖。(c) SiC 內部多個微裂紋和未裂紋區域的橫截面視圖。圖源：公開網絡
微裂紋的產生、擴展與連通是SiC切片的關鍵。第一束激光通過高能量密度沉積產生微裂紋，熱應力使其沿 <0001> 方向生長。掃描后形成的微裂紋長度為約500μm，但尚不足以分離晶片。為此，第二束低能量激光照射促使微裂紋進一步生長和連通，最終實現 SiC 晶片的分離。
在第二階段中，激光產生的溫度梯度導致SiC內部不同區域的拉應力和壓應力，進而促進微裂紋的擴展。高溫下的SiC分解生成非晶碳和非晶硅，硅蒸氣膨脹產生微爆炸，加劇了微裂紋的擴展。最終通過第二束脈沖激光，多個微裂紋連通，實現晶片分離。
全激光加工的關鍵在于精確控制第二束低能量脈沖激光，使微裂紋連通，從而實現高質量的切片。第一束高能量激光生成的微裂紋作為分離引導線，而第二束低能量激光則促使微裂紋吸收能量，繼續擴展和連通。與傳統電鍍金剛石線相比，這種激光加工方式顯著降低了SiC切口損失。研究表明，激光掃描次數越多，微裂紋的寬度和長度逐漸增加，直至微裂紋完全連通，形成平整的分離層。最終，采用這種方法可成功分離500μm厚的SiC晶片，并且切片厚度均勻（250 μm），同時切口損失僅為915nm，顯著優于傳統方法。
(a) 第二次脈沖激光照射下微裂紋生長和互連的示意圖。(b) 微裂紋寬度與激光掃描次數的關系。(c) 在 2.2 J/cm 2的低激光能量密度下，從孤立微裂紋演變為連續微裂紋（N 為激光掃描次數）。圖源：公開網絡
最后，根據優化的激光參數，科研團隊成功將500μm厚度的SiC晶片切成兩片厚度為250μm的部分，且切片表面粗糙度降至186nm，切口損失縮小到915nm。然而，對于某些應用領域，如實現高質量光學表面，仍然需要更低的表面粗糙度（低于50nm）。通過進一步優化激光加工參數，有望提升表面質量，突破50 nm以下粗糙度的限制。
當前面臨的主要挑戰在于脈沖激光引發的熱應力較大，導致微裂紋在擴展時產生脆性斷裂，而非塑性變形。要實現50nm以下的表面粗糙度，關鍵在于精確控制激光的熱應力，使SiC材料達到塑性變形的臨界狀態，從而形成納米裂紋。通過產生寬度在30nm以下的納米裂紋，便能夠實現更低的粗糙度。
為實現這一目標，可能需要采用創新的方法。例如，使用雙正交偏振脈沖激光輻照技術，能夠最小化剪切應力，并控制納米裂紋的生成和生長，從而獲得高質量的分離表面并滿足對更高光學表面質量的需求。
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