导读

经过数十年发展，基于第一代硅材料的半导体器件性能已逐渐逼近物理极限，性能提升空间日益受限。以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，凭借其优异的物理特性，为电力电子器件的性能突破提供了全新可能。其中，碳化硅因其高击穿电场强度和出色的载流子迁移率，特别适用于高压、高温、高频等极端工况下的电子器件。

为满足高性能应用需求，大尺寸碳化硅晶锭需被切割成薄片作为器件衬底。传统金刚石线锯切割技术虽然效率较高，但存在切缝不均匀、磨料损耗大、材料浪费严重等问题，且切割后晶体表面质量往往不佳。相比之下，激光辅助切片技术作为一种非接触、无磨损的干式加工工艺，展现出显著优势。通过飞秒激光在晶体内部定点聚焦诱导改质并引发裂纹，可显著减小牺牲层厚度。特别地，飞秒激光加工基于多光子电离机制，尤其适用于宽带隙半导体材料，能够大幅减小热影响区并降低机械应力，从而实现更精准、高效的内部改质切片。然而，激光能量沉积过程中会在碳化硅材料内产生的强烈非线性效应累积，对实现高质量、低损耗加工提出了严峻挑战。

近日，北京理工大学李晓炜教授、王安东教授等研究人员合作，在Light: Advanced Manufacturing发表了题为“High-precision laser slicing of silicon carbide using temporally shaped ultrafast pulses”的研究论文。

研究团队基于对激光能量沉积机制的控制，采用飞秒激光脉冲调控载流子分布，有效抑制非线性效应的累积，成功在半绝缘碳化硅晶体中实现了单层改质裂纹结构，并将改性层厚度控制在16.5 μm以下，为实现低损耗、超薄碳化硅晶圆的精密切片技术开辟了新的技术路径。

研究团队采用中心波长1030 nm、脉冲宽度500 fs、重复频率1 kHz的飞秒激光系统，如图1所示。通过半波片与偏振分光镜调节能量，并利用一套定制双折射晶体堆实现脉冲时间整形。其中，晶体按厚度递减排列，每块晶体快轴相对前一块旋转45°，使单个入射脉冲依次分裂为一系列偏振方向交替垂直、间隔固定的子脉冲。随后，经半波片与偏振片统一其偏振方向与能量分布。激光通过带有球差校正功能的物镜（NA 0.65）聚焦于碳化硅晶体内部，沿特定晶向扫描，利用该晶面较大的晶面间距实现高效改性。加工过程中，搭建了侧向发光成像系统，通过短波通滤光片与CCD相机采集激光诱导等离子体发光信号，为分析能量沉积行为提供依据，所有发光图像均经曝光时间归一化以保障参数可比性。

图1：实验装置示意图

通过对超快激光脉冲与碳化硅晶体的系统性实验研究，研究团队提出，当使用未整形的低重复频率（kHz）飞秒激光在晶体内部聚焦时，脉冲的高峰值功率会导致光束在抵达焦点前就产生强烈的非线性效应，致使大量激光能量消耗在预焦区域，并沿光路弥散分布，如图2所示。此时，增加的能量仅能激发预激发区上方的载流子，而无法有效提升焦点处的能量沉积密度。相比之下，当采用总能量相同但经过时间整形的超快脉冲串时，每个子脉冲的峰值功率显著降低，有效抑制了聚焦区的非线性效应，确保载流子激发更集中于激光焦点附近。由于子脉冲间隔（皮秒量级）远小于碳化硅的自由载流子寿命（1.5~2.5 ns）和热扩散时间（~23.5 ns），后续脉冲可在先前脉冲产生的载流子未完全复合前持续引发光电离，从而实现载流子与热量的高效局域累积。当累积载流子密度达到临界水平，即可引发晶体材料改性。然而，当子脉冲数目过多（如超过8个）导致能量沉积过强时，则可能在主要改性层下方诱发二次非线性效应，形成多层改性。

图2：超快激光脉冲在碳化硅内部诱导能量累积与材料改性的机理示意图

最后，研究团队采用优化后的激光参数与大面积扫描策略，成功实现了高质量碳化硅晶圆切割，如图3所示。在6英寸晶圆局部开展的辐照实验中，加工面积超过15 cm²。表征结果显示，切割表面形貌清晰，激光改性区域与裂纹扩展区区分明显，整体表面质量良好。共聚焦显微镜测量结果表明，切割表面的线粗糙度Ra值低至0.604 μm，表明该方法能获得优异的表面光洁度。与现有技术相比，本研究基于脉冲串辐照策略不仅显著提升了晶圆的表面质量，更将激光改性层厚度有效降低至更低水平。对比已有文献结果表明，该超快激光时域脉冲整形

图3：超快激光大面积扫描实现碳化硅晶圆切割

总结与展望

综上所述，该研究通过飞秒激光脉冲的时域整形技术，实现了对碳化硅晶体内部能量沉积与裂纹扩展的精准控制。这项技术不仅成功地将激光改性层厚度降至新低，并获得了优良的切割表面质量，彰显了超快激光时域整形在宽禁带半导体精密加工中的巨大潜力。该研究为超薄碳化硅晶圆的高质量、低损耗切片提供了一种创新解决方案，对未来大功率电子器件、半导体装备及相关领域的技术发展奠定了坚实的工艺基础。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2025.065