利用飞秒激光隐身切割技术对碳化硅内部结构进行改性的像差补偿技术

《Optics & Laser Technology》：Aberration compensation technology for internal structural modification of silicon carbide using femtosecond laser stealth dicing

碳化硅飞秒激光切割中畸变补偿技术研究及其对内部改性结构的影响。摘要部分采用纯文本格式输出，包含材料特性、激光技术、畸变补偿方法、实验结果和理论模型验证。

　　硅碳化物（SiC）作为第三代半导体材料，因其宽禁带特性、高热导率、高电子饱和速率以及优异的耐高温性能，在电子、交通、能源和航空航天等多个领域展现出广泛的应用前景。然而，由于SiC具有高硬度和脆性，传统的晶圆切割技术在实际应用中面临较大挑战。尤其是在处理大型SiC晶圆时，如何实现高效、低损伤、高精度的切割成为关键技术难题。为此，科学家们不断探索新的切割方法，其中激光隐形切割（Stealth Dicing, SD）因其较低的热损伤、快速的稳定性和高精度而受到广泛关注。

激光隐形切割是一种利用高能激光在材料内部形成特定结构，从而实现材料分离的技术。当激光聚焦于材料内部时，高能量密度会使材料在该区域发生结构变化，分子键被破坏，随后在外部施加压力即可实现材料的分割。早期的SD技术主要采用纳秒脉冲激光，但随着技术的发展，超快激光（如飞秒激光）因其脉冲持续时间更短，能够有效减少热效应，从而实现更精确的加工。相比纳秒激光，飞秒激光在切割过程中产生的碎片和热损伤更少，因此在实际应用中具有更高的优势。

尽管飞秒激光在SD技术中表现优异，但其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，激光在聚焦过程中由于折射率不匹配导致的像差，会严重影响激光的聚焦效果和材料的加工质量。像差的存在会导致激光能量分布不均匀，从而影响材料内部结构的形成。为了解决这一问题，研究者们提出并开发了像差补偿技术，旨在减少像差对材料内部结构变化的影响，提高切割效率和精度。

像差补偿技术的实现通常依赖于对激光能量分布的精确控制。通过调整激光系统的聚焦方式，可以有效减少像差带来的负面影响。例如，采用一种解耦聚焦技术，可以将像差的影响与激光聚焦的其他参数分开处理，从而实现更精确的控制。在实验中，研究人员对SiC晶圆在不同像差补偿条件下进行了加工，包括无像差补偿、像差欠补偿和像差完全补偿三种情况。实验结果表明，在像差完全补偿的情况下，激光的强度得到了显著提升，材料内部结构的轴向长度明显缩短，同时横向裂纹的产生和连接也得到了有效控制。这些结果具有良好的稳定性和可靠性，表明像差补偿技术在提高SiC切割效率和精度方面具有重要价值。

为了进一步理解像差补偿对SiC内部结构变化的影响，研究人员提出了一种能量耦合（Energy Coupling, EC）模型，用于分析在无像差补偿和像差完全补偿条件下，SiC内部载流子温度、晶格温度和载流子密度的变化过程。该模型考虑了高斯光束在像差影响下的衰减特性，并引入了一个像差因子，用于校正激光强度，作为模型中的输入参数。通过实验和理论计算的结合，研究人员发现，在像差完全补偿的情况下，SiC内部的固态等离子相变程度和超高压效应更为显著，这与实验结果高度一致。此外，对SiC内部结构的拉曼光谱分析也与理论模型的预测相吻合，进一步验证了像差补偿技术的有效性。

拉曼光谱分析是研究材料内部结构变化的重要手段。通过拉曼光谱，研究人员能够观察到激光作用下SiC内部结构的变化情况，包括晶格结构的破坏、新相的形成以及材料的物理性质变化。实验结果表明，在像差完全补偿的情况下，SiC内部结构的横向裂纹明显增多，而轴向长度则显著减少。这种变化趋势表明，像差补偿不仅能够提高激光的聚焦效果，还能够优化材料内部结构的形成，从而提升切割效率和质量。

在实验方法方面，研究人员使用了N掺杂的4H-SiC（0001）晶圆，厚度为600微米，尺寸为30×25毫米。在实验前，晶圆样品被超声清洗5分钟，以去除表面杂质和污染物。实验过程中，采用了一套完整的激光加工系统，包括飞秒激光源、半波片、偏振器、扩束镜等。通过调整半波片和偏振器，可以控制激光的偏振状态和能量分布，从而实现对像差的有效补偿。在实验中，研究人员还对激光聚焦区域的光束强度分布进行了测量，并对材料内部结构的形态和微观结构进行了观察。这些实验数据为理论模型的建立和验证提供了重要依据。

实验结果显示，在像差完全补偿的情况下，激光的强度分布更加均匀，材料内部结构的形成更加精确。同时，横向裂纹的产生和连接也得到了有效控制，这表明像差补偿技术能够显著提高SiC切割的质量和效率。此外，实验还表明，在像差完全补偿的情况下，材料的轴向长度明显缩短，达到了23.4±0.6微米，这比无像差补偿的情况下减少了约6倍。这一结果不仅验证了像差补偿技术的有效性，也为进一步优化SiC切割工艺提供了理论和实验支持。

通过实验和理论分析的结合，研究人员发现，像差补偿技术在提高SiC切割效率和精度方面具有显著优势。在无像差补偿的情况下，激光的聚焦效果较差，导致材料内部结构的形成不均匀，从而影响切割质量。而在像差完全补偿的情况下，激光的聚焦效果得到了优化，材料内部结构的形成更加精确，同时减少了热效应和材料损伤。这些结果表明，像差补偿技术能够有效降低SiC切割的生产成本，提高生产效率，为SiC在电子、交通、能源和航空航天等领域的应用提供重要保障。

为了进一步推广和应用像差补偿技术，研究人员还对不同深度下的SiC内部结构变化进行了系统研究。在不同深度下，研究人员对材料进行了多次实验，以验证像差补偿技术的稳定性和可靠性。实验结果表明，无论是在浅层还是深层，像差补偿技术都能够有效提高激光的聚焦效果和材料的切割质量。这一发现为像差补偿技术在不同应用场景下的推广提供了理论和实验依据。

此外，研究人员还对像差补偿技术的理论模型进行了深入分析。该模型不仅考虑了激光能量分布的变化，还结合了材料内部结构的变化过程，为理解像差补偿对SiC切割的影响提供了新的视角。通过理论模型的建立，研究人员能够预测不同像差补偿条件下材料内部结构的变化趋势，并为实验设计提供指导。实验结果与理论模型的预测高度一致，表明该模型具有良好的适用性和准确性。

综上所述，像差补偿技术在提高SiC切割效率和精度方面具有重要价值。通过实验和理论分析的结合，研究人员发现，该技术能够有效减少像差对材料内部结构变化的影响，提高激光的聚焦效果和材料的切割质量。同时，该技术还能够降低生产成本，提高生产效率，为SiC在电子、交通、能源和航空航天等领域的应用提供重要保障。未来，随着像差补偿技术的进一步发展和优化，SiC切割工艺将更加高效、稳定和精确，为第三代半导体材料的广泛应用奠定坚实基础。