微射流激光技术基于大尺寸金刚石材料分片的研究

作者：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

摘要：金刚石在高频高压条件下具有广泛且不可替代的应用优势和前景，被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料，被业界誉为“终极半导体”。到目前为止，这些“超级器件”商业化的最大挑战是缺乏工业尺寸的金刚石晶片，一旦形成大尺寸金刚石晶片，那么如何高质量的将其形成满足半导体需求的衬底，将成为行业面临的又一挑战。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，包括通过XRD、PL、二次离子质谱仪（SIMS）、X射线能谱仪（EDS）等仪器进行各种测试，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，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

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，如高载流子迁移率、高热导率、高击穿电场、高载流子饱和速率和低介电常数等，这使其在高新科技尖端领域，特别是电子技术中得到广泛关注，被公众认为是最具前景的新型半导体材料。基于这些优势，使用超宽禁带半导体材料可以使新一代电子器件变得更小、更快、更可靠且更高效，还有助于减少电子元件的质量、体积以及生命周期成本，同时允许设备在更高的温度、电压和频率下工作，也使得电子器件使用更少的能量却可以实现更高的性能。在性能需求的牵引下，金刚石材料逐渐进入了研究人员的视野。金刚石具有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），特别是其具有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。目前行业内通过马赛克法将小尺寸金刚石衬底拼接，可以制备出大尺寸金刚石单晶，但材料的拼接处存在缺陷，影响金刚石膜的质量，同时采用拼接法制备的大面积金刚石衬底并不能增加后续器件工艺中单位面积的器件数量，阻碍了金刚石的应用；

（二）亟待更深入的研究金刚石p型和n型掺杂。金刚石n型掺杂一直是困扰科学家们的难题，除了采用改变磷源和降低载流子浓度的方法外，还可以尝试寻找比磷更合适的掺杂元素，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。为了控制金刚石功率器件的电场和串联电阻，需要精确控制选择性区域的掺杂浓度，这目前还难以做到；其二是器件制备工艺存在一定的困难。通过材料制备、器件设计和制造以及应用研究等方面的紧密结合，可以将培育金刚石器件的研究推上一个新的台阶。

传统金刚石分片切割技术：

目前，切割金刚石材料的主要方式有水刀切割、电火花切割和激光切割。采用传统的机械和化学法很难对其进行加工，目前较为成熟的加工方式是激光切割。激光切割的过程为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，首先高功率激光束使材料聚焦处表面发生石墨化，之后石墨化的表面在下一束脉冲激光的作用下升华。从原理上可以看出，激光切割相较于其他加工方式具有其独特的优势，即无接触式加工、效率高、切缝小、热影响区域小等优点。虽然激光切割金刚石有很多优点，但由于金刚石对紫外光比红外光的吸收比更高，采用波长更短的准分子激光用于金刚石切割更为高效。然而目前还难以研制出具有适合脉冲能量、光束质量和脉冲重复率的准分子激光器，并且准分子激光器价格昂贵，不易商品化。对于金刚石切割来说，金刚石吸收光的关键是在高温时金刚石表面遭受到的石墨化效应，石墨化是金刚石有效烧蚀的过程。形成500μm所需材料，其激光损耗厚度约为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。鉴于激光束高能量密度以及易于导向、聚焦等特点，激光加工成为实现金刚石微孔结构的最佳手段，但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。

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3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。

△ 图3：YAG激光器。

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（含时密度泛函理论）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），原子移动不显著。实验证明微射流激光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)，材料原始厚度2.317mm。

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）。其重复频率为1～500Hz，激光输出功率为50～100W，激光脉冲最大宽度为500ns，最大单脉冲能量>20mJ@6kHz，光斑大小2.3±0.3mm。将金刚石放置于微射流激光设备工作台上（设备技术原理图如图4所示），定制晶体装夹装置（如图5所示），通过控制系统对金刚石待加工位置进行确定，通过已设定的程序对金刚石进行切片加工。加工过程由CNC数控系统控制，同轴CCD视觉系统进行同步监控。加工过程中，持续通水对夹具边缘进行持续降温，避免晶体胶脱落，使用固定位置模式进行扫描，对金刚石表面进行行程25mm持续往复切割运动。设备选取的YAG激光器主要考虑三个激光加工参数，包括平均激光功率、激光频率、激光脉宽；同时进行光水耦合重点考量指标参数包括：耦合光斑直径、水柱压强、光水耦合效率、控制进给速度、保护气体。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，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4：微射流激光设备技术原理图。

△ 图5：定制晶体装夹装置。

△ 图6：待分片金刚石晶体原貌。

△ 图7：金刚石晶体分片后形貌。

如图所示，该材料为客户提供的原始金刚石样品，样品尺寸20mm×20mm×2.317mm（长×宽×厚），金刚石缺一角，四周边缘存在多晶且有多条向内部延伸的微裂纹，微裂纹长度基本集中在2-5mm。沿金刚石边缘纵向切片，切割深度20mm，切割单片厚度0.5-0.6mm，尽量保证一次性切割成片，切割面满足粗糙度检测需求。共计三刀形成4片，单片切割时长3h左右，图7为切片的切割效果。一次性实现20mm×20mm大尺寸的金刚石切割，切片过程中未产生新的裂纹，也未使原始裂纹发生延展。材料原始厚度2.317mm，共计成片四片，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。

△ 图8：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。同时，加工过程中可能存在微射流激光与工件相对位置时变的状态，从而引起激光工作距离、入射角等参数变化，进而导致热影响区分布变化，如图9所示：

△ 图9：加工中激光的时变及参变特征。

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；∆Z为激光离焦量；θL为激光远场发散角；P (2, 2/N_S)为不完全伽马函数；Γ (2/N_S)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10所示：

△ 图10：激光微射流影响区演化过程分析流程。