SiC Laser Ytmodifiering: Mekanismer, effekter och optimering av bearbetningsprestanda +

PAM-XIAMEN, som en av de ledande leverantörerna av avancerade halvledarmaterial i Kina, kan leverera ledande och halvisolerande SiC-substrat och epitaxiella skivor för forskningsändamål. För ytterligare information, vänligen skicka förfrågningar till[email protected].

Kiselkarbid (SiC) är ett kärnmaterial för tredje generationens halvledare, men dess extrema hårdhet och sprödhet utgör betydande utmaningar för att uppnå effektiv bearbetning med låga skador. Traditionell kemisk-mekanisk polering är ineffektiv och kämpar för att möta industriella krav. Ytmodifiering med ultrakort puls, genom att exakt kontrollera materialets yta och struktur under ytan, erbjuder en innovativ väg för att förbättra bearbetbarheten av SiC.

1. Interaktionsmekanismer mellan laser och halvledarmaterial med breda band

Interaktionsmekanismen mellan laser och material med breda bandgap såsom SiC är komplex, beroende på laserparametrar (våglängd, pulsbredd, energitäthet) och materialets elektroniska tillståndsfördelning, bandgap-egenskaper etc. För transparenta spröda material, när laserfotonenergin är lägre än materialets bandgap, blir olinjär absorption (t.ex. absorption multi-foton) mekanismen för absorption multi-foton. Ultrakorta pulslasrar (t.ex. femtosekundslasrar), med sin extremt höga toppeffekt (upp till 10¹⁸W/m²), kan excitera valenselektroner till ledningsbandet via multifotonabsorption inom en ultrakort varaktighet (<10⁻¹²s), generera fria elektroner och därefter utlösa materialet i avalanisering, vilket utlöser den lokala energin.

Däremot är mekanismen för långpulslasrar (t.ex. nanosekundlasrar) övervägande termisk. Deras pulsbredd är mycket längre än materialets elektron-fononkopplingstid, vilket orsakar energiöverföring via termisk diffusion, som lätt bildar en stor värmepåverkad zon (HAZ) och kan inducera termiska defekter som mikrosprickor och omgjutna lager. Denna termiskt dominerande mekanism manifesterar sig makroskopiskt som bildandet av "spränghål", fortplantning av mikrosprickor och materialsmältnings-återstelnande processer.

Fig. 1 Schematisk över interaktionsmekanismer mellan laser och halvledarmaterial med breda bandgap och intern strukturell utveckling: (a) laser-material interaktionsprocess; (b) olinjära joniseringsmekanismer; (c) laserinducerade interna strukturella förändringar, såsom vågledare, nanogratings, nanoporer och sprickutbredning.

2. Modifieringsmekanismer och yta/underyta strukturell utveckling för olika pulsbredder

2,1 femtosekund lasermodifiering: Fördelar med kall bearbetning och skador under ytan

Femtosekundlasrar (fs, 10⁻¹⁵s) har en extremt kort pulsbredd, och bearbetningen avslutas innan värme överförs till gittret efter energiavsättning i elektronsystemet, vilket därför ofta betraktas som "kall bearbetning". Studier av Huang et al. indikerar att termiska effekter förblir icke försumbara även vid femtosekundlaserbehandling. Femtosekundlasermodifiering av 4H-SiC-ytor genererar i första hand två typiska strukturer:

(1) Laserinducerade periodiska ytstrukturer (LIPSS): Vid energitätheter något över ablationströskeln bildas regelbundet arrangerade LIPSS på ytan. Orienteringen av LIPSS är vinkelrät mot laserpolarisationsriktningen, och perioden är relaterad till våglängden, kategoriserad i låg-spatial-frekvens LIPSS (LSFL, period >λ/2) och högspatial-frequency LIPSS (HSFL, period <λ/2).

(2) Ytsönderdelning och fastransformation: Vid höga energidensiteter orsakar laserbestrålning nedbrytning av SiC-ytan och omvandlar den till amorft kisel (a-Si) och amorft kol (aC), en process som bekräftas av EDS- och GIXRD-analyser.

Fig. 2 (ac) SEM-morfologi och (f) GIXRD-spektrum för 4H-SiC-yta efter femtosekundlasermodifiering; röda prickar i figuren markerar EDS-provtagningsplatser.

Medan femtosekundlasermodifiering förbättrar bearbetningsprestandan, introducerar den också skador under ytan. TTM-MD (Two-Temperature Model – Molecular Dynamics)-simuleringar visar att efter laserenergiinjektion i elektronsystemet överförs cirka 26% av energin till jonsystemet, vilket orsakar en kraftig ökning av jontemperaturen nära ytan (topp över 8000K). Joner får hög kinetisk energi (>2×10⁵eV) och försvinner, vilket resulterar i en grov yta och porer under ytan. Tätheten hos dessa porer avtar med ökande djup och blir källor till inre defekter.

2.2 Picosecond Laser Modifiering: koppling av fasexplosion och termiska effekter

Liu et al. rapporterade att pikosekundlasrar (ps, 10⁻¹²s), med pulsbredder mellan femtosekund och nanosekund, uppvisar en modifieringsmekanism som kopplar fasexplosion och termiska effekter. Vid höga laserenergidensiteter överhettas materialet snabbt bortom sin termodynamiska kritiska punkt, vilket gör att överhettad vätska omvandlas till en vätske-gasblandning och genomgår explosiv kokning, dvs fasexplosion. Detta resulterar i avsättning av många återstelnade sfäriska SiO2-partiklar på ytan.

Fig. 3 (a1-d1) SEM-morfologi och motsvarande EDS-elementinnehållskartor (a2-d2) av 4H-SiC modifierad av pikosekundlasrar vid olika energidensiteter

Skador under ytan från pikosekundlasermodifiering visar sig främst som mikrosprickor. Temperaturfältsimuleringar indikerar att fokalcentrets temperatur kan nå 3200 K, vilket överstiger förångningstemperaturen för SiC. Snabb nedkylning efter laseravbrott genererar betydande termiska spänningsgradienter, och när spänningen överstiger brotthållfastheten hos SiC, initieras sprickor. Sprickor förekommer huvudsakligen i den omgjutna zonen, som härrör från dragspänningar inducerade av termiska effekter och volymförändringar av smält material på grund av överlappande intilliggande fläckar (termisk-kyla cykler).

2.3 Kontinuerlig-vågs- ​​och nanosekundlasermodifiering: Termisk-dominerad planarisering och defektreparation

Modifiering med kontinuerlig våg (CW) och nanosekund (ns) lasrar är termiskt dominerad, lämplig för ytdefektreparation och planarisering. Han et al. (2025) jämförde reparationseffekterna av CW-lasrar och femtosekundlasrar på ytdefekter (t.ex. triangulära defekter, morotsdefekter) i 4H-SiC epitaxiella skikt. Studien visar att CW-lasrar uppnår ytplanarisering via smältning-återstelning. Laseruppvärmning smälter materialet, och under påverkan av ytspänning, Marangoni-effekt och gravitation flyter smält material från konvexa till konkava områden och reparerar därigenom morfologin. Ytjämnheten kan reduceras från submikrometernivåer i den ursprungliga defektzonen till under 0,071μm.

Fig. 4 Jämförelse av 3D-topografi av 4H-SiC ytdefekter före och efter laserreparation: (a) original defekt yta; (b) yta efter CW-laserreparation; (c) yta efter femtosekundlaserreparation.

Nanosekundlasrar är mer lämpade för högeffektiva processer för borttagning av material såsom skivning. Deras termiska effekter kan effektivt inducera bildandet av dislokationsskikt med hög densitet och mikrospricknätverk inuti materialet, vilket minskar bindningsstyrkan hos kristallen och underlättar efterföljande lösgöring. Men den större HAZ av nanosekundlasrar kan lätt leda till ytablation och överdriven sprickutbredning, vilket kräver exakt processparameterkontroll.

3. Effekten av modifiering av laserytan på SiC-bearbetningsprestanda

3.1 Tribologiskt beteende och förbättring av materialborttagningsmekanismen

Det tribologiska beteendet hos lasermodifierade ytor förändras avsevärt. Skraptester visar att fluktuationsfrekvensen för tangentiell kraft ökar på modifierade ytor, men friktionskoefficienten (COF) stabiliseras och fluktuerar runt 0,2, till skillnad från det starka beroendet av axiell belastning som observeras på orörda ytor. Detta indikerar att det modifierade lagret ändrar det mekaniska tillståndet för kontaktgränssnittet.

När det gäller borttagning av material uppvisar modifierade ytor överlägsen prestanda. CLSM (Confocal Laser Scanning Microscopy)-observationer visar att laterala sprickor som genereras under repning på modifierade ytor undertrycks, repprofiler anpassar sig bättre till indenterformen och repdjupen är större. Akustiska emissionssignaler (AE) indikerar också att energifrigöringstoppar under materialavlägsnande försvagas efter modifiering, vilket innebär att mindre energi krävs för sprickutbredning och material avlägsnas på ett "mjukare" sätt. Detta beror främst på:

(1) Mikronanostrukturer som LIPSS som minskar lokal styvhet;

(2) Lägre sprödhet hos de C-rika och Si-rika faserna producerade genom ytsönderdelning;

(3) Porer under ytan ger spänningskoncentrationspunkter, vilket främjar lokalt materialbrott.

Fig. 5 Jämförelse av (a) CLSM-höjdkartor efter repning på orörd yta och femtosekund lasermodifierad yta (16,5 W, 8 N belastning) och (bd) höjdprofiler längs olika linjer

3.2 Mekaniska egenskaper: Hårdhetsminskning och förbättrad bearbetbarhet

Nanoindentationstester visar direkt den försvagande effekten av lasermodifiering på SiCs mekaniska egenskaper. Forskning av Liu et al. (2024) visar att nanoindentationshårdheten för orörd 4H-SiC är cirka 36,9GPa, medan efter pikosekundlasermodifiering (energidensitet 4–16J/cm²) minskar ythårdheten signifikant till 2,4–20,7GPa. Hårdhetsminskning är negativt korrelerad med laserenergitäthet. Last-förskjutningskurvor uppvisar "pop-in"-fenomen efter modifiering, vilket indikerar plastisk deformation under intryckning och minskad sprödhet. Minskningen i hårdhet förbättrar direkt materialets bearbetbarhet, vilket gynnar efterföljande efterbehandlingsprocesser som CMP för att uppnå högre materialavlägsningshastighet och bättre ytkvalitet.

Laserytmodifiering är ett effektivt sätt att förbättra bearbetningsprestandan hos hårda och spröda 4H-SiC-material. Med kontinuerliga framsteg inom laserteknik och processoptimering förväntas laserytmodifiering spela en mer kritisk roll vid tillverkning av SiC-wafer och funktionell ytkonstruktion för enheter.

Oavsett om du behöver SiC-wafer för forskning eller för industriella tillämpningar, vänligen kontakta oss via e-post på[email protected] och [email protected].

 

Referenser:

1. Huang, Y., Zhou, Y., Li, J., & Zhu, F. (2023). Femtosekund laserytmodifiering av 4H-SiC förbättrar bearbetbarheten. Applied Surface Science, 615, 156436.
2. Li, H., Wang, H., Li, Y., Lu, X., Li, L., Yan, Y., & Guo, W. (2025). Vertikal modifiering av 4H-SiC-halvledarmaterial i mikronanoskala under ytan: mekanismer, processer och utmaningar. Upptäck Nano, 20(1), 116.
3. Liu, H., Li, Z., Zhang, P., Zuo, D., & Xie, W. (2024). Studie av skademekanism på enkristall 4H-SiC ytskikt genom picosecond laser modification (PLM). Applied Surface Science, 672, 160722.
4. Han, X., Zhou, J., Li, R., Wang, S., Dong, F., Sun, C., & Liu, S. (2025). Ytmodifiering och kristallkvalitetsförbättring av 4H-SiC-film via laserbehandling: Jämförelse av kontinuerlig våg och femtosekundpulslaser. Materials, 18(8), 1781.