超硬材料網

       透明硬脆材料由于其出色的機械強度、熱穩定性、抗腐蝕性以及優良的光電性能，已被廣泛應用于半導體和電子器件制造領域。然而，傳統的切片工藝，如金剛線切割，存在效率低、材料浪費嚴重等問題，這在很大程度上限制了這些材料的進一步應用與推廣。硬脆材料的切割難度主要來源于其高硬度和脆性，在切割過程中容易產生裂紋和碎屑，導致材料損耗和精度下降。

       近年來，激光剝離技術作為一種新興的透明硬脆材料切片方法，受到了廣泛關注。與傳統的機械切割相比，激光剝離通過非接觸式加工，大幅提高了切割效率，減少了材料浪費，并且降低了機械應力對材料的影響。這項技術不僅能更好地保持材料的完整性，還能夠提高材料的利用率，從而有效解決了傳統工藝中的諸多瓶頸問題。因此，激光剝離技術已經成為硬脆材料激光加工領域的重要研究方向，并逐步應用于實際生產中，推動了該技術在半導體和電子行業中的進一步發展。

       目前，激光剝離技術的應用范圍已擴展至多種材料，包括SiC、Si、GaN、金剛石等半導體材料，以及藍寶石、多晶Al?O?、氧化鋯等陶瓷材料。針對不同材料，激光剝離技術也衍生出了多種創新方法，如超快激光雙脈沖誘導剝離、超快激光-化學輔助剝離以及多激光復合剝離等。這些方法在提升加工效率和降低材料損傷方面展現出了顯著優勢。

       激光剝離的物理過程是一個典型的多學科交叉問題，涉及激光與材料的相互作用、熱傳導及材料的力學行為。盡管實驗研究已在多個方面取得了突破，激光剝離工藝在產業應用中的表現也不斷提升，但在理論和數值模擬方面仍存在較大的研究空白，尤其是在工藝機理的深入理解上仍需進一步探索。

       未來，透明硬脆材料的激光剝離技術將朝著幾個關鍵方向發展，包括剝離厚度降至百微米以下、減少改質層損傷以及實現工藝的自適應性調控。這些技術進展將為半導體和電子領域的快速發展提供更加可靠和高效的技術支撐，推動相關行業向更高精度、更高效率的加工水平邁進。

       激光剝離透明硬脆材料研究進展

        SiC 晶圓激光剝離 

       SiC（碳化硅）作為典型的第三代半導體材料，具有極高的硬度和優異的電子特性。SiC晶體存在多種晶型結構，目前已確認的多型超過200種。其中，4H-SiC因其較高的本征載流子濃度和電子遷移率，成為電力電子器件中的首選材料。然而，SiC的高硬度使得傳統的金剛線切割工藝難以高效加工晶圓，導致成本居高不下。為了應對這一問題，近年來，4H-SiC晶圓的激光剝離技術成為激光加工研究的熱點。

冷冽過程示意圖  圖源：公開網絡

       2016年，德國Siltectra公司在“硅碳及相關材料歐洲會議”（ECSCRM）上提出了一種名為“COLD SPLIT”的SiC晶圓切片技術。這一技術通過冷卻與機械應力的聯合作用實現了高效的晶圓剝離。此后，2018年11月，德國Infineon公司以1.24億歐元收購了Siltectra公司，進一步推動了該技術的商業化應用。

       同樣在2018年，日本Disco公司在SPIE會議上發布了一項名為“KABRA”的工藝。該技術利用激光加工技術大幅縮短了SiC晶圓的切片時間。與傳統工藝需要約3小時才能切割6英寸（約15.24厘米）的SiC晶錠相比，KABRA技術可以在10分鐘內精確剝離350微米厚的SiC晶圓，顯著提高了生產效率。

晶圓自動剝離設備實物圖 圖源：公開網絡

       在國內，近年來也取得了顯著進展。2022年，林學春等人利用1064納米、12.6皮秒的皮秒激光，聚焦于4H-SiC晶圓內部，形成高位錯密度層、孔隙層和裂紋改質層。通過機械拉伸，該工藝成功將500微米厚的4H-SiC晶圓剝離為兩個250微米厚的薄晶圓，剝離后的粗糙度為1.8微米。此外，王榮堃等人研究了不同表面粗糙度的4H-SiC樣品，發現優質的表面質量可減少激光切片過程中對晶片的損傷，顯著提高改質層的平整度與均勻性。謝小柱等人則利用皮秒脈沖激光實現了SiC剝離后的損傷層小于100微米。

用于SiC加工的皮秒激光系統示意圖 圖源：公開網絡

       另一個重要進展來自王蓉等人提出的復合工藝，該工藝將飛秒激光輻照與帶隙選擇性光電化學剝離結合。通過激光掃描對SiC改質層進行預處理，隨后利用選擇性光電化學刻蝕對改質層進行去除，剝離后的SiC樣品不僅保持了原有特性，且上下層完好無損。

飛秒激光輻照與帶隙選擇性光電化學剝離復合方法 圖源：公開網絡

       在國內產業化方面，深圳市大族半導體裝備科技有限公司、蘇州德龍激光股份有限公司、北京晶飛半導體科技有限公司、西湖儀器（杭州）技術有限公司等企業在SiC晶圓激光剝離技術方面取得了突破，已開發出可用于8英寸SiC晶錠的激光剝離設備，為SiC晶圓的高效制造提供了可靠的技術保障。

       其他透明材料的剝離 

       德國Siltectra公司開發的“COLD SPLIT”技術不僅應用于SiC晶圓的切片，還成功擴展到了硅、藍寶石、多晶Al?O?和非晶態玻璃等其他材料的剝離工藝，如下圖所示。這一技術通過冷卻和機械應力的結合，實現了高效、低損耗的切片操作。

  激光輔助剝離不同材料表面粗糙度示意圖 圖源：公開網絡

       此外，日本Disco公司開發出了一種針對氮化鎵（GaN）晶圓的激光加工工藝，能夠剝離4英寸GaN晶圓，且材料損失小于60微米。該工藝在高生產效率和低材料損耗之間取得了良好平衡，成為氮化鎵晶圓剝離的理想解決方案。

       在飛秒激光剝離技術方面，Shreter等人利用1030納米、350飛秒的飛秒激光成功剝離了具有外延結構的GaN晶圓。在研究中，首先在GaN襯底上生長了5微米厚的GaN薄膜，該薄膜包含InGaN多量子阱（MQW）器件結構。通過使用數值孔徑1.25的浸油物鏡，實現了精確的剝離。

飛秒激光通過高數值孔徑物鏡聚焦在氮化鎵內部改質過程示意圖 圖源：公開網絡

       在陶瓷材料方面，Kiel等人研究了釔穩定氧化鋯（YSZ）陶瓷在脈沖激光掃描下的脫層現象，并分析了不同激光功率對陶瓷燒蝕效果的影響。該研究首次成功誘導出5毫米×5毫米的陶瓷區域上產生幾十微米的剝離層，證明了脈沖激光在陶瓷材料剝離中的可行性。這一發現為未來的陶瓷激光加工技術提供了新的可能性。