飞秒激光全划切超薄碳化硅基片

张炜，刘涛，何家乐，张家发，张宇梁，龙江游，谢小柱

摘要：目的为实现超薄碳化硅基片全划切，需在加工出窄线宽（小于25 μm）的切割槽的同时保证基片的强度。方法使用波长为1 030 nm 的红外飞秒激光对碳化硅基片进行全划切加工，通过扫描电子显微镜和光学显微镜分析脉冲重复频率、脉冲能量、切割速度和扫描次数对切口宽度、深度以及断面形貌的影响，采用能谱仪对不同脉冲能量下的划切断面进行微区元素分析，采用激光共聚焦显微镜测量划切断面粗糙度，以及采用电子万能实验机测试划切样品的抗弯强度。结果划切断面的元素主要有Si、C、O 3 种，O 元素富集在断面的上下边缘位置。SiO2 颗粒喷溅重沉积影响断面微纳结构。断面的粗糙度随脉冲能量的增强而上升，基片强度反而下降。在激光脉冲能量为3.08 μJ、脉冲重复频率为610 kHz、切割速度为4 mm/s、切割12 次的条件下，可以加工出宽度为15 μm、深度高于100 μm 的良好切割槽，断面粗糙度为296 nm，基片抗弯强度为364 MPa。结论切割槽宽度和深度与脉冲重复频率、脉冲能量、切割速度和扫描次数有关。O 元素的分布说明存在SiO2 堆积在断面上下边缘部分的现象。使用小脉冲能量激光进行划切，可以减少SiO2 颗粒喷溅重沉积，从而使断面出现大量熔块状结构，得到粗糙度较低的断面形貌。断面粗糙度降低，意味着划切断面存在的微裂纹等缺陷减少，从而使强度上升。本试验最终采用较优激光划切工艺参数，实现了飞秒激光全划切超薄SiC 基片，槽宽仅为15 μm。由于短脉宽小脉冲能量高重复频率激光的作用以及激光辐射下SiC 材料的相分离机制，基片划切断面烧蚀形貌良好，且抗弯强度较好。

关键词：激光切割；超薄碳化硅；红外飞秒激光；断面形貌；粗糙度测试；强度测试