CN110549016B - 碳化硅的飞秒激光切割方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开碳化硅的飞秒切割方法，利用特定强度的飞秒激光在碳化硅晶片上单次扫描，打断碳化硅分子键，从而实现切割的目的。将SiC晶片在酒精中超声，去除表面灰尘油污，晾干后固定在三维加工台上；飞秒激光，波长为800nm，脉冲宽度130fs‑150fs，重复频率1000Hz，平均功率725mW，单脉冲能量0.725mJ，光斑半径2mm；经过扩束准直镜调节，通过焦距为30mm的透镜，配合三维平台的前后移动，聚焦到加工台上的SiC晶片上；通过控制三维加工台在水平方向上的移动，实现飞秒激光对SiC晶片的精准切割。本发明具有切割精准、节省材料，工艺简单、无污染，可重复性好等优点。

Description

碳化硅的飞秒激光切割方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种利用飞秒激光对第三代半导体衬底材料碳化硅的切割方法。
背景技术
以宽禁带材料碳化硅SiC和氮化镓GaN为代表的第三代半导体技术引领了近年来新能源，智能制造、信息技术等领域的发展，未来随着5G的商业化、人工智能的发展、绿色城市的需求，将带给第三代半导体技术更大的发展空间。然而，碳化硅材料的硬度极高，莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石(10级)，不易切割。现有的切割方法为钢丝锯切割。切割时在碳化硅晶锭的周围等间距的缠上钢丝线锯，通过拉伸钢丝线锯，切割出碳化硅晶片。该方法对加工工艺要求比较高，加工时间长，对钢丝锯的缠绕和拉伸都需要严格的操控，才能保证晶锭受力均匀；同时，该方法切割对材料损耗比较大，在材料成本昂贵的条件下，存在50％以上的材料浪费；并且，该方法受到钢丝锯尺寸的限制，切割精度低，晶片厚度大；最致命的是，该加工方法要在潮湿和污染的环境中进行，而且切割后表面粗糙大，还需要引入打磨、抛光等既费人工又污染环境的工序，可见对碳化硅晶片切割新技术的研究迫在眉睫。这不仅对于发展半导体行业，而且对于发展以半导体为基础的新一代新技术产业至关重要。
发明内容
本发明创造性地提出一种利用飞秒激光切割碳化硅的方法，不同于传统切割方法的使用机械应力切割材料，也不同于传统激光切割方法的利用高功率连续激光产生的高定向性的热效应切割材料，本发明创新性地运用超短脉冲的低功率飞秒激光，通过精确控制激光波长、脉冲宽度、重复频率、平均功率、脉冲能量、光斑面积及切割平台移动速率等参数，利用多光子激发的机理，使激光焦平面处的SiC分子键断裂，从而实现对莫氏硬度为9.5级的SiC精准切割的目的。
为实现上述目的，本发明具体包括以下步骤：
1)将SiC晶片在酒精中超声，去除表面灰尘油污，晾干后固定在三维精密加工台上；
2)飞秒激光器产生的激光光束经过扩束准直镜调节，配合三维加工台的前后移动，聚焦到加工台上的SiC晶片上；
3)通过控制三维精密加工台在水平方向上的移动，实现飞秒激光对SiC晶片的精准切割。
本发明具有如下优点：
1)本发明要求的工序简单，制备周期短，不需要传统切割方法中复杂的工序、大量的劳动力和潮湿污染的环境；
2)本发明通过聚焦的飞秒激光光束打断SiC的分子键，实现精准切割，避免了传统切割方法中大量材料的浪费；
3)本发明通过聚焦的飞秒激光光束单次扫描，可以实现SiC分子键的自动断裂，不引入额外的机械应力，避免了传统切割方法中材料不必要的裂纹和损伤；
4)本发明容易实现，重复性好。
附图说明
图1为飞秒激光切割前后SiC晶片的拉曼光谱。切割前晶片具有非常尖锐的SiC拉曼峰，切割后SiC峰基本消失，取而代之的是Si和C的宽带的拉曼信号。
图2是SiC晶片的光学显微镜成像图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明，但本发明并不限于该实施例。
本发明公开了碳化硅的飞秒激光切割方法，具体包括以下步骤：
1)将SiC晶片在酒精中超声15分钟，自然晾干后固定在三维精密加工台上；
2)飞秒激光器产生的激光光束(波长800nm，脉冲宽度130fs-150fs，重复频率1000Hz，平均功率725mW，单脉冲能量0.725mJ，光斑半径2mm)，经过扩束准直镜调节，聚焦(f＝30mm)到加工台上的SiC晶片上；
3)设置三维精密加工台的移动速率为3mm/s，使SiC晶片在飞秒激光在焦平面被单次扫描，实现切割。切割前后晶片的拉曼光谱如图一所示，切割前晶片具有非常尖锐的SiC拉曼峰，切割后SiC峰基本消失，取而代之的是Si和C的宽带的拉曼信号。SiC晶片的光学显微镜成像如图2所示，其中暗的区域为切割的痕迹，在切割痕迹中的矩形标注了拉曼信号的扫描范围。

Claims (1)

1.一种第三代半导体碳化硅的飞秒激光切割方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将SiC晶片在酒精中超声15分钟，自然晾干后固定在三维精密加工台上；
2)飞秒激光器产生的激光光束，经过扩束准直镜调节，聚焦f＝30mm到加工台上的SiC晶片上；其中激光光束参数：波长800nm，脉冲宽度130fs-150fs，重复频率1000Hz，平均功率725mW，单脉冲能量0.725mJ，光斑半径2mm；
3)设置三维精密加工台的移动速率为3mm/s，使SiC晶片在飞秒激光在焦平面被单次扫描，实现切割；切割前晶片具有非常尖锐的SiC拉曼峰，切割后SiC峰基本消失，取而代之的是Si和C的宽带的拉曼信号。
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