武漢大學(xué)劉勝院士、吳改副研究員、沈威副研究員團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Journal of Materials Science & Technology 發(fā)布了一篇名為 Laser stealth dicing of β-Ga₂O₃: Theoretical and experimental studies（β-Ga₂O₃ 激光隱形切割：理論與實(shí)驗(yàn)研究）的文章。

1. 項(xiàng)目支持

該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（Grant Nos：92473102、62004141、52202045）、武漢市知識(shí)創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)—曙光計(jì)劃（Grant Nos：2023010201020243、2023010201020255）、湖北省重大項(xiàng)目（JD）（Grant No：2023BAA009）、深圳市科技計(jì)劃（Grant No：JCYJ20240813175906008）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金（Grant Nos：2042023kf0112、2042022kf1028）、電子制造與封裝集成湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（Grant Nos：EMPI2024014、EMPI2024021、EMPI2023027）以及國(guó)家留學(xué)基金委（Grant No：202206275005）的資助。

2. 背景

Ga₂O₃ 作為一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，兼具寬禁帶特性、優(yōu)異的巴利加優(yōu)值及高擊穿電壓等優(yōu)勢(shì)。Ga₂O₃ 通常有五種多晶型，其中 β-Ga₂O₃ 因其最高的穩(wěn)定性和較低的成本被認(rèn)為最有應(yīng)用前景。β-Ga₂O₃ 因其優(yōu)異的性能常用于大功率器件，而高性能 β-Ga₂O₃ 基大功率器件在很大程度上依賴(lài)于精密的加工工藝。然而，由于 β-Ga₂O₃ 的各向異性力學(xué)性質(zhì)和晶面解理性質(zhì)，導(dǎo)致在 β-Ga₂O₃ 基器件生產(chǎn)過(guò)程中，采用傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的晶圓切割。目前，對(duì) β-Ga₂O₃ 晶圓切割的研究有限，因此，探索實(shí)現(xiàn) β-Ga₂O₃ 晶圓高質(zhì)量切割的方法至關(guān)重要。激光隱形切割是一項(xiàng)創(chuàng)新的激光加工技術(shù)，利用聚焦激光在晶圓上進(jìn)行亞表面改性，且不會(huì)造成表面損傷。與機(jī)械切割或激光表面劃片相比，激光隱形切割可以有效防止晶圓表面損傷，并減少加工過(guò)程中的飛濺污染。因此，激光隱形切割被認(rèn)為是一種非常有前景的晶圓切割方法，并已廣泛應(yīng)用于寬/超寬禁帶半導(dǎo)體材料，例如碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）和金剛石。近年來(lái)，一些研究人員通過(guò)有限元模擬、分子動(dòng)力學(xué)模擬以及實(shí)驗(yàn)觀察等方法，探索并報(bào)道了 SiC、GaN 和金剛石的激光隱形切割工藝及其作用機(jī)理。然而，關(guān)于 β-Ga₂O₃ 的激光隱形切割過(guò)程及其微觀機(jī)理的報(bào)道較少。

3. 摘要

氧化鎵（Ga₂O₃）是一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，在高功率電子器件和紫外光電器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。高性能 Ga₂O₃ 基器件的制備高度依賴(lài)精密加工技術(shù)，其中晶圓切割環(huán)節(jié)尤為關(guān)鍵。激光隱形切割作為一種創(chuàng)新性的激光加工技術(shù)，能夠通過(guò)聚焦激光在晶圓上實(shí)現(xiàn)亞表面改性，而不會(huì)損傷表面，因而在半導(dǎo)體精密制造領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。本研究提出了一種基于激光隱形切割技術(shù)實(shí)現(xiàn) β-Ga₂O₃ 晶圓高質(zhì)量切割的新思路，并結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬與實(shí)驗(yàn)手段，深入探討了激光隱形切割 β-Ga₂O₃ 晶圓的內(nèi)在機(jī)制。一方面，基于機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)，利用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了激光加載和斷裂的過(guò)程。通過(guò)評(píng)估激光加載過(guò)程中的晶格殘余應(yīng)力、系統(tǒng)總能量、內(nèi)部原子應(yīng)變以及單軸拉伸過(guò)程中最大應(yīng)力值等關(guān)鍵指標(biāo)，系統(tǒng)地研究了單脈沖激光能量對(duì)激光隱形切割效果的影響。另一方面，基于分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)中成功對(duì) β-Ga₂O₃ 晶片沿三個(gè)主要晶面進(jìn)行了激光隱形切割，獲得了良好的斷面質(zhì)量。該研究不僅為 β-Ga₂O₃ 的激光隱形切割工藝提供了有效的優(yōu)化策略，為 β-Ga₂O₃ 晶圓的高質(zhì)量切割奠定了基礎(chǔ)，也驗(yàn)證了分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)激光隱形切割相關(guān)趨勢(shì)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，為今后其他半導(dǎo)體材料的高質(zhì)量切割研究提供了一種可行的技術(shù)路徑和研究方法。

4. 創(chuàng)新點(diǎn)

本研究首次系統(tǒng)地探索了 β-Ga₂O₃ 的激光隱形切割工藝，這一領(lǐng)域的深入研究在以往文獻(xiàn)中尚未見(jiàn)報(bào)道。

此項(xiàng)工作創(chuàng)新性地結(jié)合了分子動(dòng)力學(xué)模擬與實(shí)驗(yàn)方法，共同探究了 β-Ga₂O₃ 材料的激光隱形切割工藝及其背后的微觀機(jī)理。這種綜合研究手段在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)是較為少見(jiàn)的。

在分子動(dòng)力學(xué)模擬的指導(dǎo)下，本研究在實(shí)驗(yàn)中成功對(duì) β-Ga₂O₃ 晶片實(shí)施了高質(zhì)量的激光隱形切割，獲得了良好的斷口表面質(zhì)量。

5. 結(jié)論

本工作提出了通過(guò)激光隱形切割實(shí)現(xiàn) β-Ga₂O₃ 晶圓高質(zhì)量切割的思路，采用微-介觀模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，深入研究了激光隱形切割 β-Ga₂O₃ 的內(nèi)在機(jī)理。首先，基于機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，模擬了激光加載及 β-Ga₂O₃ 晶片的開(kāi)裂過(guò)程。通過(guò)分析激光加載過(guò)程中的晶格殘余應(yīng)力、體系最終總能量、內(nèi)部原子應(yīng)變以及單軸拉伸過(guò)程中最大應(yīng)力值，可以觀察到以下趨勢(shì)：隨著激光單脈沖能量的增加，晶格殘余應(yīng)力和體系最終總能量均增大，導(dǎo)致內(nèi)部原子應(yīng)變更加顯著，同時(shí)單軸拉伸過(guò)程中的最大應(yīng)力減小，這些因素共同促進(jìn)了 β-Ga₂O₃ 晶片的開(kāi)裂。進(jìn)一步觀察拉伸模擬后的斷口形貌，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高激光單脈沖能量不僅有利于 β-Ga₂O₃ 晶片的開(kāi)裂，而且可以改善斷口的表面質(zhì)量。然而，過(guò)高的單脈沖能量不利于 β-Ga₂O₃ 晶片的切割。激光隱形切割 β-Ga₂O₃ 晶片的實(shí)驗(yàn)表明，隨著單脈沖能量的增加，三個(gè)主要晶面的表面粗糙度均出現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，這與分子動(dòng)力學(xué)模擬中觀察到的理論趨勢(shì)完全一致。在合適的單脈沖能量下，（100）面的表面質(zhì)量最好，Ra 為 0.033 μm，優(yōu)于已報(bào)道的 SiC 經(jīng)激光隱形切割處理后的表面質(zhì)量。（010）面的表面質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定，也表現(xiàn)出良好的斷口表面質(zhì)量。

本工作采用創(chuàng)新的研究方法，對(duì) β-Ga₂O₃ 晶片的激光隱形切割工藝進(jìn)行了研究。一方面，在分子動(dòng)力學(xué)模擬的指導(dǎo)下，成功對(duì) β-Ga₂O₃ 晶片進(jìn)行了激光隱形切割工藝，并獲得了良好的斷口質(zhì)量。另一方面，本工作表明分子動(dòng)力學(xué)模擬為 β-Ga₂O₃ 晶圓的激光隱形切割工藝提供了實(shí)踐指導(dǎo)。本工作不僅為 β-Ga₂O₃ 的激光隱形切割工藝提供了深刻的優(yōu)化策略，為 β-Ga₂O₃ 晶圓的高質(zhì)量切割奠定了基礎(chǔ)，而且驗(yàn)證了分子動(dòng)力學(xué)模擬在預(yù)測(cè) β-Ga₂O₃ 的激光隱形切割相關(guān)趨勢(shì)方面的準(zhǔn)確性，為今后其他半導(dǎo)體材料的高質(zhì)量切割研究提供了一種可行的技術(shù)路徑和研究方法。

6. 圖文內(nèi)容

圖1 （a）激光加工β-Ga₂O₃示意圖；（b）β-Ga₂O₃的三維分子動(dòng)力學(xué)模型

圖2 （a）實(shí)驗(yàn)中不同輸入能量激光加載后β-Ga₂O₃內(nèi)部原子應(yīng)變分布圖；（b）實(shí)驗(yàn)中不同單脈沖能量激光加載后表面損傷形貌；（c）實(shí)驗(yàn)中不同重復(fù)頻率激光加載后表面損傷形貌

DOI：

doi.org/10.1016/j.jmst.2025.03.044

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)