1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
半导体材料是一种介于金属和绝缘体之间的应用型材料，广泛应用于我国工业生产中所用的晶体管、集成电路、光电子器件中，可以说，半导体材料是支撑我国计算机与网络技术的重要基础材料[1]。作为第三代半导体材料中最具代表性的材料，碳化硅（SiC）单晶具有较大的带隙，高的临界击穿强度，高的电子迁移率和高的热导率，具有广泛的应用领域，是制造具有高温，高频，高功率和抗无线电波能力的光电集成器件的理想材料，特别是在极端条件和恶劣环境下，SiC 器件远优于 Si 和 GaA s 器件[2, 3]。许多基于 SiC 的功率半导体具有高压、高频、耐高温和低损耗的特性，在电力电子系统、新能源汽车等领域大放异彩。图 1-1 所示为 SiC 的应用领域。
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1.2 激光加工的国内外研究进展
1.2.1 脆性材料激光加工的理论及仿真研究
对纳秒激光的研究有：Hamamatsu Photonics 等[22]发现当波长为 1064nm 脉冲激光以高脉冲能量聚焦到硅内部时，在焦点附近会发生强吸收，这种现象是由于聚焦引起的光束强度的增加和吸收系数的温度依赖性。通过有限元方法进行了热弹塑性分析，并计算了应力强度因子。结果，应力强度因子超过了硅的断裂韧性。证实了从改性层到周围的单晶层有裂纹发展的可能性。Kiyota H 等[21]完成了纳秒脉冲激光引起单晶硅表面下改性和裂纹形成的数值模拟。在单个脉冲期间，晶格温度分布会导致熔化，材料转移以及重新凝固时的结构变化。证实了在邻近改性区域的单晶内产生的残余应力促进了裂纹的形成。Ohmura等[23-25]进行纳秒脉冲激光聚焦到硅晶片内部的数值模拟，其中吸收系数随温度变化。发现吸收系数的温度依赖性是改性层形成的最重要因素。Sun 等[26]基于自由电子动力学、非线性能量沉积和热传导，建立了高重复率皮秒激光脉冲对硼硅玻璃内部改性的数值模型。发现光滑的外部区域是熔融区域，内部结构的形成是由热电离产生的高密度自由电子引起的。Miyamoto 等[27]建立了热传导模型，模拟了超短激光脉冲在硼硅酸盐玻璃内部改性中的非线性吸收率。脉冲宽度为 10ps 时，模拟的非线性吸收率与实验值一致。非线性吸收率随着能量和激光脉冲重复率的增加而增加，高达 90％。建立了超短脉冲激光对玻璃内部改性的仿真模型，该模型可以确定在不同的脉冲重复频率和脉冲能量下，玻璃内部吸收的激光能量的强度分布、非线性吸收率和温度分布。结果表明，由改性结构由泪滴形内部结构和椭圆形外部结构组成，分别对应于激光吸收区域和热影响熔融区域。且由于雪崩电离的热激发自由电子密度增加，在高脉冲重复频率下的非线性吸收率增加[28]。Sun [29]通过数值分析激光诱导的等离子体产生，非线性能量沉积和稳定的温度分布，研究了热电离和电子损伤在高重复频率皮秒激光脉冲对内部硼硅玻璃内部改性中的作用。发现水滴状的内部结构是由高密度自由电子引起的损坏区域，轮廓对应于约 3000〜4000°C 的特征等温线。Yu 等[30]使用脉宽为 3.5ns 的脉冲激光在硅晶片内部进行烧蚀实验。通过紧密聚焦并连续扫描样品内部的激光束，可以在硅内部产生永久性的线状修饰，而不会引起表面损伤。通过对物镜校正球面像差，可以在硅内部实现紧密聚焦，并确定最佳焦深，发现改性区的形态取决于激光偏振。
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2 纳秒激光加工系统与分离实验设计
2.1 激光加工系统
本文所使用的激光加工系统为北京正天激光公司所研发的 ZT-532A 激光内雕机。ZT-532 系列主要包括绿色激光水晶内雕机。其中，内雕机主体为光纤耦合窄脉宽端泵浦激光器，经过倍频后产生绿光，这属于加工系统，控制系统为该公司自行研制开发的控制软件，二者相互配合使用。制冷方式采用恒温变频风冷。它是集激光技术、精密机械、电子技术、图形图像、计算机等学科于一体的高新技术产品；具有雕刻速度快、雕刻图像细腻逼真、稳定性好、环保无污染、噪音低、能耗低等优点；控制软件采用 WINDOWS 界面，简洁明了，易于掌握[76]。 2.1.1 激光内雕原理及系统
激光内雕机所基于的加工工艺为激光内雕工艺。激光内雕机中的激光器波长是一定的，通常穿透性较好，能够穿过透明材料表面，聚焦在材料内部。对一束激光而言，光斑越小，产生的能量密度越大。所以，激光内雕机中的激光之所以能够在材料内部进行雕刻，其原理是激光聚焦在材料内部后，加工时的激光能量大于材料本身的破坏阈值。通过使用激光内雕技术，可以在工件内雕刻出平面或者立体的图案。激光内雕机在进行打点之前，能够保证聚焦路径上的激光能量密度小于材料的破坏阈值，通过透镜进行聚焦，同时保证激光聚焦处的激光能量密度大于材料的破坏阈值。通常来说，激光内雕机中的激光脉宽都非常短，使得产生的脉冲激光能量非常之高，能在瞬间造成材料的受热破裂，与此同时，未在激光聚焦范围内的区域还是保持完好无损。其整机仪器如图 2-1 所示。
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2.2 实验结果检测设备
本文所使用的实验结果检测设备为深圳中微科创科技有限公司研发的 ZW-H4800 型光学显微镜，如图 2-4 所示。
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3 脆性材料内部激光单点烧蚀的理论基础与仿真模型验证 .......................... 19
3.1 传热学理论 ....................................... 19
3.2 热弹性力学理论 ...................................... 20
3.3 热传导模型 .................................. 21
4 超白玻璃激光切片内部改性层形成实验 .......................................... 33
4.1 激光切片超白材料内部改性层形成的实验方法 ................................ 33
4.2 改性层形成的实验结果分析 ................................ 35
5 玻璃的剥片工艺实验 ........................................ 45
5.1 剥片实验准备 .................................................. 45
5.2 有机玻璃剥离实验 .......................................... 45
5 玻璃的剥片工艺实验
5.1 剥片实验准备
如图 5-1 所示，使用的实验材料为：直径为 10mm、长度为 30mm 的有机玻璃圆柱体和直径为 10mm、厚度为 5mm 的高硼硅玻璃圆柱体。进行剥离实验之前，使用激光内雕机产生点云，排列成面状，在实验材料内部形成改性层。如图 5-2 所示，为点间距为 0.1mm、重复次数为 1 次的面状点云在玻璃内部形成的损伤图。
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6 结论与展望
6.1 结论
激光切片技术在过去的十年中有着迅猛的发展，究其原因，是激光加工具有非接触性、高效性、低损耗等优点。将激光辅助加工运用于半导体材料的超薄晶圆生产中，不仅可以减少传统机械加工的振动，还可以避免线锯切割引起的大量材料损耗，同时，激光加工出的超薄晶圆表面的粗糙度更好，更加符合现代工业的大直径、低粗糙度、超薄的要求。其中，就仅仅减少半导体材料的毫米级损耗就已经具有非常大的优越性，在半导体行业中具有超强的竞争力。所以，对脆性材料激光分离技术进行仿真预测和实验研究具有重要意义。本文的研究内容总结如下：
（1）归纳了脆性材料激光切片工艺的课题背景和意义。详细地归纳总结了激光切片加工的相关研究，阐述了激光切片加工的优越性以及研究方法，形成了本文研究的技术路线。
（2）确定了脆性材料分离实验系统和完成了材料内部改性层形成和剥片的实验设计。在不同的激光参数下，研究了材料内部加工单条直线路径形成的改性层，主要研究参数为：激光功率、点间距、重复次数。其中，激光功率与烧蚀区域尺寸变化成正比关系；大于激光光斑直径的点间距对烧蚀区域尺寸的影响不大；重复次数对损伤区域的纵向尺寸影响不大，所以在不产生损伤层的激光能量下，可适当增加重复次数。
（3）构建了超白玻璃内部激光单点烧蚀有限元模型并通过实验验证了激光单点烧蚀模型正确性。在有限元软件 ABAQUS 中建立单点热传导模型，实现单脉冲激光在材料内部形成的温度场和应力场仿真。确定单脉冲激光在材料内部形成的改性层厚度范围，其中脉冲能量为 1500mJ 下形成的温度场变化范围约为 0.32mm。利用单点烧蚀实验验证，改性层形成范围约为 0.296mm，误差为 7.5%，证明了仿真模型的正确性。对单脉冲激光形成的应力场进行仿真，发现在聚焦深度处形成拉应力，相邻的上下范围形成压应力，最大压应力达到 278Mpa，最大拉应力达到 49.1Mpa，应力场仿真结果为后续的剥离工艺提供仿真依据。
参考文献（略）