微射流激光技术基于大尺寸金刚石材料分片的研究

摘要：

金刚石在应用于高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件方面具有显著优势，被业界誉为“终极半导体”。本研究使用微射流激光技术对单晶金刚石晶体进行切片加工，并采用亚纳米级白光干测仪进行材料形貌分析，当耦合功率达到20W能量时，金刚石表面材料达到等离子态，在水层约束下，等离子体诱导反冲压力，提升材料等离子化效率，进一步加快材料去除速率。通过引入金刚石烧蚀阈值分析、材料表征测试，开展缺陷测试分析，对缺陷的分布、界面处的界面态密度在金刚石禁带中的能级位置和浓度、粗糙度、缺陷类型等微观特征进行定量研究，揭示微射流激光技术在单晶金刚石切片加工过程中的材料去除机理。研究结果表明：在高功率微射流激光耦合光束作用下，不同水射流直径对金刚石材料表面切割粗糙度存在一定影响，不同水压及耦合单点能量密度均会影响金刚石材料加工从而造成差异化切割效果。

关键词：微射流激光技术；金刚石；切片；粗糙度；热影响

1、引言

金刚石作为超宽禁带半导体材料的一员（禁带宽度5.5eV），具有一系列优异的物理和化学性质，如极高的临界击穿电场（超过10 MV/cm）、超高的热导率（超过20 W/cm·K）、超高的本征空穴载流子迁移率（超过3500 cm2/V·s），已经超过了Si、GaAs、GaN和SiC等大多数半导体材料，未来金刚石将成为高集成度功率和射频器件的优秀材料。

尽管金刚石在半导体材料应用方面具有诸多优势，但仍存在以下问题亟需解决：

（一）缺乏大尺寸金刚石衬底，阻碍了大尺寸金刚石的生长。

（二）亟待更深入的研究金刚石p型和n型掺杂，以实现金刚石更为优异的n型导电性能；

（三）实验所产出金刚石器件的性能还未达到预期效果。这主要存在两个问题：其一是难以控制外延膜的掺杂。其二是器件制备工艺存在一定的困难。

目前，切割金刚石材料较为成熟的方式是激光切割。其脉冲激光与金刚石表面的二级作用，光子以双光子或多光子的方式与金刚石晶格发生作用，石墨化的表面在下一束脉冲激光的作用下升华。采用波长更短的准分子激光用于金刚石切割更为高效，但准分子激光器研制困难且价格昂贵，不易商品化。在激光切割金刚石过程中，形成500μm所需材料，其损耗厚度约为1200μm，对材料本身的损耗相对较大，结合晶体材料本身超长的生长周期及有限的成锭尺寸，传统激光切割金刚石的局限性让使用者颇为头疼。且与所有脆性材料一样，金刚石在激光加工过程中容易开裂，易形成明显的加工缺陷。

本文引入新型技术——微射流激光，将通过微射流激光对金刚石进行模型分析稳态观察，寻找最优参数完成切片，分析微射流激光技术对金刚石切片全过程形态的影响，并探讨切面特征和内部缺陷特征及其形成机制。

2、实验

理论方面使用TDDFT（含时密度泛函理论）方法模拟了光照情况300 K下包含64个原子的2*2*2大小超胞中非绝热近似下电子的激发导致的原子位移，在此过程中通过修改C原子对应的SG15赝势（采用文献Phys.Rev.B.100,165203(2019）中的方法）使金刚石的带隙接近实验值，同时使用PBE方法可加速驰豫速度。发现当光垂直于晶胞c轴、横向发现上电场超过0.004 eV/Bohr时，原始超胞对应格点上的碳原子开始偏离其平衡位置。当电场进一步增加到0.01 eV/Bohr时，发生了C团簇的生成，对应金刚石结构发生了破坏，电子激发到反键态导致原子之间相对位置变化导致化合键长变化。图1-图2展示系不同光强对应电场下的结构：

图1：电子激发到反键态导致原子之间未发生位置相对变化

图2：电子激发到反键态导致原子之间相对位置/键长变化

这个是横向电场（垂直于晶胞c轴）增加到0.01eV/Bohr时，包含64个原子的2*2*2金刚石（Fd-3m）超胞经过5000步TDDFT（时密度泛函理论）弛豫原子后，所得到的最终构型，所用赝势为SG15，GGA-PBE泛函。与此同时，当所加电场减小到约为上一个的一半时（0.005eV/Bohr），原子移动不显着。实验证明微射流作用在晶圆表面过程中，即使表面温度远低于金刚石的熔点，也可以通过非热效应切削。亦表明可通过调控所加脉冲光场的强度来调控原子级晶格中的电场，来达到非绝热近似下电子跃迁导致的晶格中键长的改变以及键的软化、断裂，以及由此而来的相对完美晶格中原子位置的变化引起的结构变化。加工过程采用的金刚石晶体是由合作高校实验室自主生长的金刚石晶体，样品尺寸20mm*20mm*2.317mm(长*宽*厚)。

实验预期，将晶体切割成500μm±70μm的衬底片，在保证材料表面粗糙度尽可能低及材料不隐裂/断裂的前提下，尽可能多的出片。实验采用的激光器波长为532nm，Nd:YAG型激光器（如图3所示）。最大单脉冲能量>20mJ@6kHz，光斑大小2.3±0.3mm。使用定制晶体装夹装置（如图4所示）将金刚石放置于微射流激光设备工作台上，通过控制系统确定金刚石待加工位置，并按设定的程序采用行程25mm持续往复切割运动进行加工。由于光水耦合功率对金刚石分片的影响是最为直接的，因此本研究主要通过调节光水耦合功率变化来研究微射流激光功率对金刚石分片的影响，讨论微射流激光与金刚石相互作用的反应机制，深入研究金刚石晶体材料的去除机理。

图3：YAG型激光器

图4：定制晶体装夹装置

3、结果及讨论

实验加工结果：

图5：待分片金刚石晶体原貌

图6：金刚石晶体分片后形貌

如图5所示，该材料为尺寸20mm*20mm*2.317mm(长*宽*厚)的原始金刚石样品，金刚石缺一角，四周边缘存在多晶且有多条向内部延伸的长度基本集中在2-5mmDE 微裂纹。沿金刚石边缘纵向切片，尽量保证一次性切割成片，切割单片厚度0.5-0.6mm，切割面满足粗糙度检测需求。图6为切片的切割效果,切片过程中未产生新的裂纹，也未使原始裂纹发生延展,实现一次性切割成片，共计三刀形成4片，成片结果厚度单片为：0.56mm，整个切片过程中，共计损耗材料77μm，晶体切割面粗糙度检测Ra=0.336μm(如图7所示),单片切割时长3h左右。

图7：晶体切割面粗糙度检测Ra=0.336μm

1.微射流激光功率参数对材料去除的影响

针对材料去除问题，采取研究测试方案如下：

工件材料在高能脉冲激光作用下产生等离子体并被去除，过程中会导致工件内部产生非均匀分布温度场，温度过高会导致材料热损伤，而微射流引起的强制对流换热过程可有效降低工件材料的瞬时温升，使得材料去除的同时不会由于温度过高导致材料热损伤。因此，合理的激光及微射流参数设计是实现材料高效低损伤去除的关键。

实际加工中，受工件形状和切削路径的影响，可能出现微射流激光入射方向与工件不垂直的状态，而不同入射角下材料吸收率不同，同时光斑形状变为椭圆形，导致微射流激光功率密度分布发生改变。为实现对微射流激光热影响区演化的精确控制，须辨识实际工况下的激光参数。针对激光功率密度分布及光斑半径，可利用光束质量分析仪进行测试，获取激光不同工作距离下的功率密度分布与光斑半径，进而修正激光热源模型。一般而言，激光功率密度为高斯分布，研究过程中修正为实际功率分布相符的超高斯分布形式，表达式如下：

式中：Ns为超高斯光束阶次，主要受激光束质量影响；Q为激光功率；rp为激光半径；r为距激光中心距离；rb为最小光斑半径；为激光离焦量；θL为激光远场发散角；为不完全伽马函数；为伽马函数。受入射角θ影响，激光投影至工件表面的光斑为椭圆形，半长轴为rb/cos(θ)，半短轴为rb，故工件上一点距光斑中心(xb,yb)距离，将其代入式（1）可得光斑形状变化下的激光功率密度分布函数。此外，微射流激光中须结合水射流作用，分析高速水流作用下的对流换热过程，辨识不同射流参数下的强制对流换热系数，进而开展不同激光入射角下的激光微射流实验并测量温度值，通过实验和仿真相结合的方式对激光吸收率及强制对流换热系数进行修正。

考虑上述激光束姿态变化下的参变特性，基于传热学基本理论，推导变参数激光移动热源加载下的温度场分布理论求解表达式，通过解析求解与有限元求解相结合的方式分析微射流激光切削温度场分布，开展微射流激光切削实验，通过热电偶测量工件内部温度，通过热像仪或红外测温仪测量工件表面温度，并与前述计算模型结果进行对比，以修正模型参数，最终实现变姿态、变参数激光微射流移动加载温度场计算的准确建模，其流程如图8所示：

图8： 激光微射流影响区演化过程分析流程

2.微射流激光对金刚石材料分片后缺陷研究

针对缺陷微观机理问题，做以下研究：

采用在不同水射流参数环境下的实验研究方法研究材料缺陷对器件性能的影响。结合材料与器件表征手段对金刚石缺陷特性进行表征。通过材料表征测试，包括通过XRD、PL、二次离子质谱仪（SIMS）、X射线能谱仪（EDS）等，与高性能器件性能的宏观测试，包括电容-电压（C-V）、电流-电压（I-V）、低噪声等效谱（LFN）、DLTS、脉冲I-V和脉冲C-V等各种测试，开展缺陷测试分析，对缺陷的分布、界面处的界面态密度在金刚石禁带中的能级位置和浓度，表面形貌、粗糙度、缺陷类型和表现形式等微观特征进行定量研究。采用仿真模拟手段，将材料表征结果带入仿真软件，分析器件击穿电压和导通电阻对金刚石材料缺陷类型、陷阱能级的不同敏感度。结合热反射图谱法测试，观察器件发生击穿、泄露电流增加的区域位置。基于大量测试分析和统计结果，绘制位错缺陷种类、界面态密度与器件击穿电压、饱和电流以及器件工作时的温度等关系图谱，阐明水射流对金刚石材料的缺陷影响，为优化工艺奠定基础。

3.微射流激光在金刚石材料分片与传统激光对比研究

传统干激光金刚石切割工艺，如下图所示，传统干激光切割的损耗较大，单片尺寸越大损耗也越大，20×20mm的片子损耗理论值＞500μm，而金刚石的生长片厚度一般在300-500μm，传统干激光的损耗足以损失一整个成片；在实际切割中，3.1mm的单晶金刚石片采用微射流激光可切5片，其中成品4片,1片为修面；而用干激光切割只能产生2片成品，其余部分均被激光损耗。由此可见微射流激光相比传统激光在金刚石的切割上具有明显的优势（如图9所示）；

图9： 传统干激光与微射流激光技术切片对比

4、结论

利用微射流激光技术对金刚石进行分片过程中，通过研究微射流激光功率对金刚石材料分片的影响，讨论微射流激光与金刚石相互作用的反应机制，通过分析金刚石的烧蚀阈值，寻找到最优加工参数，结论如下：

(1)采用60μm喷嘴切割单晶金刚石，功率测试入刀处（10mm）25.5-26W，材料入射位差20mm，功率测试24.6-25W，水压400bar，氦气流量1.0 NL/min，切割速度600mm/min，20 mm x 20 mm x 2.317 mm金刚石材料分片，成标准片4片，成片结果厚度单片为：0.56mm，整个切片过程中，共计损耗材料77μm，晶体切割面粗糙度检测Ra=0.336μm；

(2)在金刚石切割工艺中，较比于传统干激光，微射流激光具备加工时间短、表面粗糙度低、避免加工裂纹、节约材料出片率高等优势，系大尺寸金刚石晶体分片优秀的技术解决方案。

作者与单位

杨森 张聪 龚德珍 郭辉 李一帜 梁建华 周磊蕩 赖景航

西安晟光硅研半导体科技有限公司

杨森

本文第一作者， 晟光硅研联合创始人，IEEE Member，西安电子科技大学微电子专业本硕，西安交通大学微电子专业博士，中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟青年专家委员会副主任，西安电子科技大学微电子学院特聘创业导师，获评陕西省金牌技术经理人，2023年张家港市领军人才。

参编《半导体材料国家标准汇编》《第三代半导体调研白皮书行家说》并发行，发表SCI论文2篇，发明专利30余项；2013年创办江苏天晟永创，同时组建了公司销售团队，销售公司自主研发产品的同时负责公司融资事宜；长期从事 Tech VC 领域投资；现负责公司全面运营管理。

来源：晟光硅研

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