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發布時間：2024-10-25 來源：元祿光電公眾號
隨著相關規定和環境因素會聚成強大的推動力，電動汽車行業及其價值鏈上的各個環節形成百花齊放的創新領域。如今，電動汽車 (EV) 電池組的電壓越來越高，有時甚至高達 800 V。
電壓提高帶來諸多好處，包括馬力更大、效率更高、續航里程更長以及充電時間更短。在車輛內部，電力電子設備將高直流電壓轉換成各種系統所需的不同形式。例如，牽引電機需要三相交流電。同時，車載充電器可動態調整電流和電壓。
目前硅廣泛應用于消費電子和電力電子的許多領域，但也成為了其升級的瓶頸。基于傳統硅集成電路 (IC) 的電力電子器件無法在高電壓、高溫和高開關頻率下正常工作。因此，制造商必須轉向其他半導體材料，以充分發揮電動汽車高壓電池組的優勢。前景最為光明的替代半導體是碳化硅 (SiC)。這種材料擁有的特性使其成為電動汽車電力電子器件的理想選擇，這樣，隨著電動汽車的普及，SiC 是提高電動汽車性能和續航里程的關鍵。
然而，制造 SiC 器件也有其獨有的挑戰。在成熟工藝和既定協議占主導地位的領域中，SiC 的機械、化學、電子和光學特性與硅有很大不同。例如，SiC 是已知最硬的材料之一，與鉆石相當，因此很難采用鋸切等傳統機械方法劃切晶片。SiC 還是一種脆性材料，在鋸切時很容易碎裂。此外，SiC 會迅速磨損鋸片，包括用硬金剛石制造的鋸片，因此需要經常更換這種昂貴的消耗品。鋸切本身過程相對緩慢，產生的熱量容易對材料性能產生負面影響。
由于許多成熟的 IC 制造工藝與 SiC 的制造工藝不同，甚至南轅北轍，因此這些問題結合在一起，給電動汽車制造商造成了諸多障礙。
單晶切割或晶片切片就是一個典型例子；機械鋸切是硅晶片單晶切割的主要方法，但并不能全盤有效應用于 SiC。盡管激光單晶切割前景廣闊，但替換材料至少意味著要改變工藝參數。與使用硅的傳統方法相比，最終用戶還必須確定 SiC 單晶切割的最優光源。
1、使用皮秒激光進行優質燒蝕
SiC 器件的制造方法與傳統的硅微電子技術相同：在單個晶片上制作大量單獨的集成電路，然后將其單晶切割為單個芯片，這些芯片隨后準備好用于封裝。
在切割脆性 SiC 晶片時，必須減少或完全消除機械鋸切的邊緣崩裂現象。單晶切割還應將材料的機械變化降至最低。同時還應優先考慮最大限度地減小切口寬度，以限制“空間”尺寸（即相鄰電路之間的空白區域），從而最大限度地增加每個晶片上的芯片數量。
工程師必須權衡這些因素與切割速度、產量和其他影響成本的決定因素。使用消耗品，例如切割過程中使用冷卻劑和清洗液等，也需要納入考量。
皮秒和飛秒脈沖寬度范圍內的超短脈沖激光器可用于多種不同材料的高精度切割和燒蝕，包括堅硬、透明和/或脆性材料。使用超短脈沖寬度進行加工的好處包括：材料的整體加熱最小，熱影響區 (HAZ) 可忽略不計。與其他類型的激光器相比，這些光源還能提高邊緣質量，減少碎屑產生。
大多數皮秒激光器的紅外輸出均可通過倍頻來提供可見綠光或紫外光，而紫外波長通常用于要求苛刻的應用。在這一光帶工作的光源通常可以實現較小的焦點光斑尺寸，并在給定光斑尺寸下增加焦點深度或瑞利范圍。
這些特性使紫外皮秒激光器成為生產高縱橫比特征和更薄切口寬度的首選，因為能實現更精確的深度控制。此外，較大的焦點深度使這些光源更容易應用于寬視場振鏡掃描系統。紫外光的穿透力有限，可進一步減少熱影響區 (HAZ)。
2、分析實驗的詳細配置
不過，在任何環境下，利用短脈寬和短波長實現更高的產量都十分困難。為了確保 SiC 單晶切割結果的可重復性，必須對不同的系統設計和參數進行試驗。MKS/Spectra-Physics 進行了一系列切割試驗，以評估紫外皮秒激光器的優勢前景，例如更小的焦點光斑尺寸和更大的焦點深度。這些試驗還力求實現更大的加工便利性，和更小的熱影響區 (HAZ) 。最后，除了衡量這一工藝的技術和經濟可行性外，這些試驗還旨在研究各種脈沖串設置可能對結果產生的影響。
在第一輪試驗中，使用 50 W、355 nm 皮秒激光器對 340 μm 厚的 4H-SiC 晶片樣品進行了加工。這臺激光器的最大脈沖能量大于 60μJ，在 750 kHz 至 1.25 MHz 的重復頻率下提供的平均功率為 50 W。其最高工作頻率可達 10 MHz。在 200 至 400 kHz 的重復頻率下進行測試，以確保所有脈沖輸出格式保持相似的脈沖能量和平均功率水平，從而能夠直接比較結果。
皮秒激光器與雙軸振鏡掃描儀和 330 mm 焦距 f-theta 物鏡配套使用。工作面上的焦點光斑尺寸約為 30 μm（1/e2直徑）。掃描儀的運行速度范圍在 2 至 4 m/s 之間，每次劃線均采用多程次掃描，凈切割速度在 12.5 至 25 mm/s 之間。
這些測試中使用的激光器支持脈沖串：激光器發射一系列間隔很近的子脈沖串，相隔一個時間間隔后，再發出下一個脈沖串序列。實踐已經充分證明，在許多材料加工情況下，脈沖串可以提高燒蝕率并降低表面粗糙度。
此外，測試中使用的激光器支持可編程脈沖串。這意味著脈沖串中的脈沖數以及脈沖串中每個脈沖的振幅和時間間隔都是可控的。此外，脈沖串的定時時間抖動很低，即使在掃描速度很快的情況下，也能夠以高精度直接放置定位在工作面上。這些靈活的脈沖能力使我們能夠在測試過程中探索廣闊的工藝空間。
3、結果分析
下面圖 2 顯示了從單脈沖到 12 脈沖的各種脈沖串配置下，劃線深度值與平均激光功率的函數關系。在每次測試中，在材料的同一位置上總共劃線 80 次。每個脈沖串在工作面上的位置（總脈沖重疊）都受到嚴格控制。在這種情況下，脈沖的有效空間重疊率約為 84%。
圖 2. 圖中顯示了單脈沖（a，上圖）和各種脈沖串配置（b-d，中圖和下圖）下，以 25 mm/s 的速度通過四次劃線深度與功率的函數關系。數據顯示了脈沖串如何提高燒蝕率。
這些結果表明，脈沖串的使用大大提高了燒蝕率。這一結果在意料之中，而且與在其他材料中使用皮秒激光脈沖串加工的結果一致。同樣，燒蝕閾值隨著每個脈沖串中所含脈沖數的增加而降低（基本上呈對數降低）。這表明許多材料在多脈沖輻照下通常會出現“累積”現象。
3D 和 2D 表面形貌工具均用于精確測量劃線深度和邊緣質量。使用掃描白光干涉儀獲得的圖像進一步顯示了劃線的細節（圖 3）。由于表面光滑且無碎屑，皮秒紫外激光器還實現了另一個預期結果：高質量切割。
從下面圖 4 中可以得出對劃線的進一步定性評估。單幅圖像顯示了一系列 25 μm 深的凹槽，這些凹槽是通過 1 脈沖、4 脈沖、8 脈沖和 12 脈沖串依次產生的。平均功率根據需要進行調整，以獲得每種情況下的最佳效果。上排的四幅圖像聚焦在晶片的頂部表面。下排的四幅圖像聚焦在刻線的底面。圖 4e-h 顯示了切割質量與每個脈沖串中脈沖數的函數關系的清晰對比和進展。
圖 4. 25-μm 深凹槽頂部（下圖，a-d）和底部 (e-h) 的特寫圖片。隨著脈沖串中脈沖數的增加，不同數值的凹槽顯示出切割質量在穩步提高。
劃線周圍的變色表明表面或基體材料發生了變化，隨著脈沖數的增加，這種變色會逐漸消失。脈沖數越高，進料速率越快，效果也越好。這表明該工藝可以同時保證充足的產量和良好的質量。
下面圖 5 展示了一系列劃線底面的高倍放大圖，所有劃線都是在平均功率為 16 W、凈加工速度為 25 mm/s 的相同激光工作條件下完成的。在不同的脈沖值下，每種條件下的劃線深度范圍從 8 到 25 μm 不等。這種更高分辨率的視圖凸顯了平滑度隨著脈沖數的增加而改善。在平均功率和總體加工速度不變的情況下，調整脈沖輸出可使劃線深度增加三倍。
4、完善技術
在從理論到實踐的推進過程中，應用紫外皮秒激光劃線 SiC 晶片的潛力體現在利用脈沖串輸出來改善加工質量和提高加工速度的能力上。還需要進一步探索，以衡量和評估完整切割 340 μm 晶片的參數和結果。
與此同時，我們正在研究如何將傳統上用于硅晶片劃線的機械鋸用于SiC。已發表的結果表明，這種方法仍然存在進料速率有限的問題，而且會產生大量碎屑，例如在大于10 μm 的芯片中。
盡管如此，機械鋸切仍是半導體行業中常用的方法，任何替代技術都需要在產量、成品率和運營成本方面展現出巨大優勢，獲得了業界的認可。盡管所獲得的紫外皮秒結果在完整切割方面還需要進一步提升，但是成為備選技術后才可能進一步獲得持續改進。
來源：MKS / PHOTONICS spectra
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