International Journal of Machine Tools and Manufacture｜15.8｜新锐分区1区Top｜ Q1｜
导读
激光内改质切片技术已成为一种高效、低损伤的单晶半导体材料（如4H-SiC）切片新方法。然而，由于对激光能量与材料响应的耦合机制及其对相变和裂纹扩展（尤其在原子尺度）的调控规律缺乏深入理解，该技术的广泛应用受到限制。其中，纳秒激光热效应在驱动可控相变过程中的作用及裂纹扩展的微观动力学尚不明确，使得工艺优化多依赖经验。本研究通过能量调控实验与分子动力学模拟相结合，首次阐明了激光切片4H-SiC中能量依赖的多阶段相变路径：从非晶化伴生硅/碳析出开始，经热应力诱导塑性滑移，最终在非晶-晶体界面处形成堆垛层错和立方3C-SiC。研究识别出决定不同改质区域转变及相应裂纹扩展行为的关键能量阈值。原子模拟进一步揭示了热应力驱动裂纹形核与扩展的机制，包括随温度变化的断裂强度特性，以及裂纹扩展晶面偏好从高温下的低指数面向冷却过程的高指数面转变的规律。本工作的发现建立了激光工艺参数与材料本征行为之间的关联，为激光切片工艺的理性设计与加工质量优化提供了机理基础。虽然研究以4H-SiC为对象，但其揭示的能量与应力调控原理同样适用于更广泛的硬脆性各向异性半导体材料，将推动相关技术从经验性调试向物理建模制造的范式转变。
主要图表
图1. 半导体锭激光切片与机械拉伸示意图。
图2. 激光切片4H-SiC晶圆的光路配置示意图及机械拉伸装置示意图。(a)激光切片的光路配置；(b)机械拉伸前晶圆粘合步骤；(c)机械拉伸装置；(d)机械拉伸后的分离晶圆。
图3. 激光改性4H-SiC晶圆的分子动力学模拟模型。(a) 六方晶胞；(b) 正交晶胞；(c) 激光内部改性过程示意图。
图4. 单次扫描激光改性后4H-SiC材料损伤形态与尺寸随能量变化的演变关系。(a)改性区域及横向裂纹的俯视形貌；（b–d）(b)改性区宽度、(c)横向裂纹长度以及(d)计算得出的裂纹扩展比（裂纹长度/改性宽度）随激光能量密度的变化曲线。数据点代表平均值，误差线表示±1个标准差（1STDEV）。
图 5. 不同激光能量密度下晶圆分离质量的评估。(a)激光改性后的裂纹连通性；(b)分离后的表面形貌；(c)沿正交方向的对应表面轮廓；(d)测量得到的表面粗糙度和断裂强度。
图6. 裂纹/改性区域残余应力分析。(a) 分离晶圆表面的拉曼测量位置；(b) 上层分离晶圆的拉曼光谱；(c) 下层分离晶圆的拉曼光谱；(d) 上层与下层分离晶圆的残余应力对比。
图7. 机械拉伸后晶圆边缘的形态。(a)上分离晶圆表面；(b)下分离晶圆表面。
图8. 激光内改性切片后4H-SiC晶圆的形貌与成分分析。(a) 激光切片处理的4H-SiC晶圆中热应力诱导横向裂纹从改性区域扩展的机理；(b) 切片平面的顶视光学显微镜形貌；(c1) 激光内改性后的横截面形貌；(c2) (c1)的详细放大视图；(c3) 和 (c4) (c2)的详细放大视图；(d) 改性区域与横向裂纹区域的元素含量变化（Si、C、O元素的能谱分析）。
图9. 机械拉伸后分离表面的形貌与相组成。(a) 分离晶圆表面改性/裂纹区域的拉曼测量数据点；(b) 改性区域与横向裂纹区域的拉曼光谱分析；(c) 改性区域石墨化分析结果（图9中红色方框标注区域即为图10a1中的聚焦离子束(FIB)处理区域）。关于图例中颜色标注的解读说明，请参阅本文网络版原文。
图10.激光改性区域的相结构分析。(a)通过聚焦离子束(FIB)铣削制备的TEM样品；(b)非晶区表征采用选区电子衍射(SAED)、透射电子显微镜(TEM)及高分辨率TEM(HRTEM)技术；(c)采用 SAED 、TEM与 HRTEM 技术结合傅里叶变换(FFT)和逆 FFT (IFFT)分析对堆垛层错区域进行表征；(d)原始4H-SiC区域结构通过 SAED 、TEM、 HRTEM 及 FFT 分析验证；(e)对应区域的元素分布示意图。
图11.横向裂纹区域微观结构与晶体学的横截面分析。(a)通过聚焦离子束(FIB)铣削制备位点特异性透射电子显微镜(TEM)薄片；(b)采用选区电子衍射(SAED)、透射电子显微镜(TEM)及高分辨率TEM(HRTEM)进行微观结构与相组成分析，显示沿(0001)晶面发生的脆性解理断裂且未伴随相变。
图12. 不同激光能量密度条件下4H-SiC晶体激光内改性过程中温度分布的模拟时间演化。(a) 6.23 J/cm²；(b) 4.89 J/cm²；(c) 3.66 J/cm²；(d) 2.45 J/cm²。
图 13. 在选定激光能量密度下，4H-SiC 材料经激光改性后 von Mises 应力场的渐进演变过程：(a) 6.23 J/cm²；(b) 4.89 J/cm²；(c) 3.66 J/cm²；(d) 2.45 J/cm²。
图14. 选定激光能量密度下4H-SiC相结构在激光改性过程中的渐进演变。(a) 6.23 J/cm²；(b) 4.89 J/cm²；(c) 3.66 J/cm²；(d) 2.45 J/cm²。
图15. 不同激光能量密度下激光改性碳化硅晶圆的拉伸断裂形貌及对应应力-应变曲线。
图16. 改性区域相结构的对比。(a)分子动力学模拟；(b)透射电子显微镜（TEM）及高分辨率TEM（HRTEM）表征结果。
图17.多型转变区域中Mises应力、相结构及位移矢量的时间演化过程。(a)VonMises应力分布；(b)原子位移矢量分布；(c)相结构变化；(d)塑性滑移诱导的4H-SiC向3C-SiC多型转变示意图及高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）表征。
图18. 实验表征结果展示了晶格旋转引发的4H相向3C相转变。(a)透射电子显微镜（TEM）和高分辨率TEM（HRTEM）显示的多方向塑性滑移带；(b)几何相分析（GPA）获得的应变分布；(c)原子级扫描透射电子显微镜（STEM）表征揭示了3C-SiC的形成机制。
图19. 激光改性4H-SiC材料的形貌与应力状态横截面分析。(a) 改性区域与横向裂纹区域的形貌特征；(b) 通过拉曼峰位移映射获得的实验拉伸/压缩应力分布；(c) 分子动力学模拟得出的静水应力分布模拟结果。
图20. 激光改性4H-SiC横向裂纹扩展区域中静水应力场与原子位移矢量的时间演化过程。
图21. 4H-SiC材料中温度依赖性裂纹扩展路径选择，通过不同温度下的拉伸断裂形貌进行探究。(a) 1600 K；(b) 1000 K；(c) 800 K；(d) 300 K。
图 22. 不同激光能量密度下激光诱导断裂的热力学分析。(a)激光注入后 600 ps 时的温度分布。(b)对应的冯·米塞斯应力场。(c)所得晶体结构。(d)原始 4H-SiC 材料的断裂强度随温度的变化关系，以平均拉伸应力曲线和最大冯·米塞斯应力-应变曲线表示。
图23. 能量依赖性相变及裂纹扩展机制示意图，及其在4H-SiC激光切片中的关键作用。(a)核心损伤过程示意图：内部相变与横向裂纹扩展。(b)切片质量随激光能量密度的变化关系，突出显示临界阈值。(c)从非晶化到3C-SiC形成的多阶段相变路径。(d)由能量与温度耦合作用控制的裂纹扩展机制。
主要结论
第三代/第四代半导体衬底是制造大功率与高频电子器件不可或缺的材料，但其极高的硬度和脆性对传统切片技术构成严峻挑战，导致材料损耗和表面损伤等问题。激光切片技术作为一种新兴的替代方案，通过可控的内部改质引导裂纹扩展与晶圆分离，展现出显著优势。本研究以4H-SiC为研究对象，结合先进实验表征、能量调控实验与分子动力学模拟，系统探究了纳秒激光切割4H-SiC晶圆过程中的相变机制与横向裂纹扩展行为，阐明了激光能量密度、激光诱导热应力、多型体相变与裂纹扩展动力学之间的相互作用关系，旨在优化切片参数以实现损伤最小化和良率最大化。核心研究发现总结如下：
（1）激光能量依赖性加工质量
实验与模拟研究表明，激光能量密度对改质结果起决定性调控作用。低于临界阈值（约4.89 J/cm²）时，激光照射仅引发有限非晶化，裂纹扩展效率低下；超过该阈值后，多阶段相变被激活，形成堆垛层错与立方3C-SiC，并伴随显著的横向裂纹扩展，使晶圆拉伸断裂强度大幅降低，最终实现低应力、高质量的分离。
（2）多阶段相变机制
激光内部改质始于4H-SiC的非晶化，随后在非晶-4H-SiC界面处发生热应力驱动的塑性滑移。该过程产生堆垛层错和3C-SiC畴，形成非晶与缺陷晶体区域交替的层状结构。4H向3C的多型体转变受非晶相中原子流变竞争机制调控，该机制诱导局部结构旋转，并主导3C-SiC的形核与生长。
（3）裂纹形核与扩展动力学
裂纹形核由激光照射期间非晶区与晶体区反向位移产生的拉应力驱动。后续扩展则由不均匀冷却过程中裂纹尖端的拉应力集中控制。较高的激光能量密度会提升相邻晶体区域温度，降低局部断裂强度。裂纹扩展表现出明显的温度依赖性晶体学取向特征：高温下主要沿低指数（0001）面延伸，而冷却过程中扩展路径会转向偏离约25°的高指数面。
总之，本研究从原子尺度揭示了各向异性晶体激光切片过程中相变与裂纹动力学的内在机制。关键进展包括：确定了调控相变路径竞争的能量阈值，揭示了应力驱动多型体转变的原子尺度机制，阐明了横向裂纹形核与扩展的动力学过程。这一机理认识将推动激光加工从经验性参数优化向物理模型指导的工艺设计转变。虽然相关结论源自4H-SiC案例研究，但其揭示的基础机制为更广泛硬脆性各向异性材料的激光加工策略理解与设计提供了物理依据。
主要信息
High-quality laser slicing of single-crystal semiconductors guided by energy-dependent phase transition and crack propagation: A 4H-SiC case study
https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2026.104365
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