透明硬脆材料由于其出色的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、抗腐蝕性以及優(yōu)良的光電性能，已被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和電子器件制造領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的切片工藝，如金剛線切割，存在效率低、材料浪費(fèi)嚴(yán)重等問題，這在很大程度上限制了這些材料的進(jìn)一步應(yīng)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(chǎn)生裂紋和碎屑，導(dǎo)致材料損耗和精度下降。

       近年來，激光剝離技術(shù)作為一種新興的透明硬脆材料切片方法，受到了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的機(jī)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(fèi)，并且降低了機(jī)械應(yīng)力對(duì)材料的影響。這項(xiàng)技術(shù)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(tǒng)工藝中的諸多瓶頸問題。因此，激光剝離技術(shù)已經(jīng)成為硬脆材料激光加工領(lǐng)域的重要研究方向，并逐步應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，推動(dòng)了該技術(shù)在半導(dǎo)體和電子行業(yè)中的進(jìn)一步發(fā)展。

       目前，激光剝離技術(shù)的應(yīng)用范圍已擴(kuò)展至多種材料，包括SiC、Si、GaN、金剛石等半導(dǎo)體材料，以及藍(lán)寶石、多晶Al?O?、氧化鋯等陶瓷材料。針對(duì)不同材料，激光剝離技術(shù)也衍生出了多種創(chuàng)新方法，如超快激光雙脈沖誘導(dǎo)剝離、超快激光-化學(xué)輔助剝離以及多激光復(fù)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(xiàn)出了顯著優(yōu)勢。

       激光剝離的物理過程是一個(gè)典型的多學(xué)科交叉問題，涉及激光與材料的相互作用、熱傳導(dǎo)及材料的力學(xué)行為。盡管實(shí)驗(yàn)研究已在多個(gè)方面取得了突破，激光剝離工藝在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中的表現(xiàn)也不斷提升，但在理論和數(shù)值模擬方面仍存在較大的研究空白，尤其是在工藝機(jī)理的深入理解上仍需進(jìn)一步探索。

       未來，透明硬脆材料的激光剝離技術(shù)將朝著幾個(gè)關(guān)鍵方向發(fā)展，包括剝離厚度降至百微米以下、減少改質(zhì)層損傷以及實(shí)現(xiàn)工藝的自適應(yīng)性調(diào)控。這些技術(shù)進(jìn)展將為半導(dǎo)體和電子領(lǐng)域的快速發(fā)展提供更加可靠和高效的技術(shù)支撐，推動(dòng)相關(guān)行業(yè)向更高精度、更高效率的加工水平邁進(jìn)。

       激光剝離透明硬脆材料研究進(jìn)展

        SiC 晶圓激光剝離 

       SiC（碳化硅）作為典型的第三代半導(dǎo)體材料，具有極高的硬度和優(yōu)異的電子特性。SiC晶體存在多種晶型結(jié)構(gòu)，目前已確認(rèn)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(tǒng)的金剛線切割工藝難以高效加工晶圓，導(dǎo)致成本居高不下。為了應(yīng)對(duì)這一問題，近年來，4H-SiC晶圓的激光剝離技術(shù)成為激光加工研究的熱點(diǎn)。

冷冽過程示意圖  圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

       2016年，德國Siltectra公司在“硅碳及相關(guān)材料歐洲會(huì)議”（ECSCRM）上提出了一種名為“COLD SPLIT”的SiC晶圓切片技術(shù)。這一技術(shù)通過冷卻與機(jī)械應(yīng)力的聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)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(jìn)一步推動(dòng)了該技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。

       同樣在2018年，日本Disco公司在SPIE會(huì)議上發(fā)布了一項(xiàng)名為“KABRA”的工藝。該技術(shù)利用激光加工技術(shù)大幅縮短了SiC晶圓的切片時(shí)間。與傳統(tǒng)工藝需要約3小時(shí)才能切割6英寸（約15.24厘米）的SiC晶錠相比，KABRA技術(shù)可以在10分鐘內(nèi)精確剝離350微米厚的SiC晶圓，顯著提高了生產(chǎn)效率。

晶圓自動(dòng)剝離設(shè)備實(shí)物圖 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

       在國內(nèi)，近年來也取得了顯著進(jìn)展。2022年，林學(xué)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(nèi)部，形成高位錯(cuò)密度層、孔隙層和裂紋改質(zhì)層。通過機(jī)械拉伸，該工藝成功將500微米厚的4H-SiC晶圓剝離為兩個(gè)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(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的表面質(zhì)量可減少激光切片過程中對(duì)晶片的損傷，顯著提高改質(zhì)層的平整度與均勻性。謝小柱等人則利用皮秒脈沖激光實(shí)現(xiàn)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(tǒng)示意圖 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

       另一個(gè)重要進(jìn)展來自王蓉等人提出的復(fù)合工藝，該工藝將飛秒激光輻照與帶隙選擇性光電化學(xué)剝離結(jié)合。通過激光掃描對(duì)SiC改質(zhì)層進(jìn)行預(yù)處理，隨后利用選擇性光電化學(xué)刻蝕對(duì)改質(zhì)層進(jìn)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(xué)剝離復(fù)合方法 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

       在國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化方面，深圳市大族半導(dǎo)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(dǎo)體科技有限公司、西湖儀器（杭州）技術(shù)有限公司等企業(yè)在SiC晶圓激光剝離技術(shù)方面取得了突破，已開發(fā)出可用于8英寸SiC晶錠的激光剝離設(shè)備，為SiC晶圓的高效制造提供了可靠的技術(shù)保障。

       其他透明材料的剝離 

       德國Siltectra公司開發(fā)的“COLD SPLIT”技術(shù)不僅應(yīng)用于SiC晶圓的切片，還成功擴(kuò)展到了硅、藍(lán)寶石、多晶Al?O?和非晶態(tài)玻璃等其他材料的剝離工藝，如下圖所示。這一技術(shù)通過冷卻和機(jī)械應(yīng)力的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)

       此外，日本Disco公司開發(fā)出了一種針對(duì)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(chǎn)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(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。通過使用數(shù)值孔徑1.25的浸油物鏡，實(shí)現(xiàn)了精確的剝離。

飛秒激光通過高數(shù)值孔徑物鏡聚焦在氮化鎵內(nèi)部改質(zhì)過程示意圖 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

       在陶瓷材料方面，Kiel等人研究了釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）陶瓷在脈沖激光掃描下的脫層現(xiàn)象，并分析了不同激光功率對(duì)陶瓷燒蝕效果的影響。該研究首次成功誘導(dǎo)出5毫米×5毫米的陶瓷區(qū)域上產(chǎn)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(fā)現(xiàn)為未來的陶瓷激光加工技術(shù)提供了新的可能性。