武漢大學劉勝院士、吳改副研究員、沈威副研究員團隊在學術(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：理論與實驗研究）的文章。

1. 項目支持

該項研究得到了國家自然科學基金（Grant Nos：92473102、62004141、52202045）、武漢市知識創(chuàng)新專項—曙光計劃（Grant Nos：2023010201020243、2023010201020255）、湖北省重大項目（JD）（Grant No：2023BAA009）、深圳市科技計劃（Grant No：JCYJ20240813175906008）、中央高校基本科研業(yè)務費專項資金（Grant Nos：2042023kf0112、2042022kf1028）、電子制造與封裝集成湖北省重點實驗室開放基金（Grant Nos：EMPI2024014、EMPI2024021、EMPI2023027）以及國家留學基金委（Grant No：202206275005）的資助。

2. 背景

Ga₂O₃ 作為一種超寬禁帶半導體材料，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。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為最有應用前景。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于精密的加工工藝。然而，由于 β-Ga₂O₃ 的各向異性力學性質(zhì)和晶面解理性質(zhì)，導致在 β-Ga₂O₃ 基器件生產(chǎn)過程中，采用傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)高質(zhì)量的晶圓切割。目前，對 β-Ga₂O₃ 晶圓切割的研究有限，因此，探索實現(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創(chuàng)新的激光加工技術(shù)，利用聚焦激光在晶圓上進行亞表面改性，且不會造成表面損傷。與機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，并減少加工過程中的飛濺污染。因此，激光隱形切割被認為是一種非常有前景的晶圓切割方法，并已廣泛應用于寬/超寬禁帶半導體材料，例如碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）和金剛石。近年來，一些研究人員通過有限元模擬、分子動力學模擬以及實驗觀察等方法，探索并報道了 SiC、GaN 和金剛石的激光隱形切割工藝及其作用機理。然而，關(guān)于 β-Ga₂O₃ 的激光隱形切割過程及其微觀機理的報道較少。

3. 摘要

氧化鎵（Ga₂O₃）是一種超寬禁帶半導體材料，在高功率電子器件和紫外光電器件領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。高性能 Ga₂O₃ 基器件的制備高度依賴精密加工技術(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)，能夠通過聚焦激光在晶圓上實現(xiàn)亞表面改性，而不會損傷表面，因而在半導體精密制造領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。本研究提出了一種基于激光隱形切割技術(shù)實現(xiàn) β-Ga₂O₃ 晶圓高質(zhì)量切割的新思路，并結(jié)合分子動力學模擬與實驗手段，深入探討了激光隱形切割 β-Ga₂O₃ 晶圓的內(nèi)在機制。一方面，基于機器學習勢函數(shù)，利用分子動力學方法模擬了激光加載和斷裂的過程。通過評估激光加載過程中的晶格殘余應力、系統(tǒng)總能量、內(nèi)部原子應變以及單軸拉伸過程中最大應力值等關(guān)鍵指標，系統(tǒng)地研究了單脈沖激光能量對激光隱形切割效果的影響。另一方面，基于分子動力學模擬結(jié)果，在實驗中成功對 β-Ga₂O₃ 晶片沿三個主要晶面進行了激光隱形切割，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)，也驗證了分子動力學模擬對激光隱形切割相關(guān)趨勢預測的準確性，為今后其他半導體材料的高質(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

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中尚未見報道。

此項工作創(chuàng)新性地結(jié)合了分子動力學模擬與實驗方法，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理。這種綜合研究手段在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)是較為少見的。

在分子動力學模擬的指導下，本研究在實驗中成功對 β-Ga₂O₃ 晶片實施了高質(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

本工作提出了通過激光隱形切割實現(xiàn) β-Ga₂O₃ 晶圓高質(zhì)量切割的思路，采用微-介觀模擬與實驗相結(jié)合的方法，深入研究了激光隱形切割 β-Ga₂O₃ 的內(nèi)在機理。首先，基于機器學習勢函數(shù)，采用分子動力學模擬方法，模擬了激光加載及 β-Ga₂O₃ 晶片的開裂過程。通過分析激光加載過程中的晶格殘余應力、體系最終總能量、內(nèi)部原子應變以及單軸拉伸過程中最大應力值，可以觀察到以下趨勢：隨著激光單脈沖能量的增加，晶格殘余應力和體系最終總能量均增大，導致內(nèi)部原子應變更加顯著，同時單軸拉伸過程中的最大應力減小，這些因素共同促進了 β-Ga₂O₃ 晶片的開裂。進一步觀察拉伸模擬后的斷口形貌，發(fā)現(xiàn)適當提高激光單脈沖能量不僅有利于 β-Ga₂O₃ 晶片的開裂，而且可以改善斷口的表面質(zhì)量。然而，過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 晶片的實驗表明，隨著單脈沖能量的增加，三個主要晶面的表面粗糙度均出現(xiàn)先降低后升高的趨勢，這與分子動力學模擬中觀察到的理論趨勢完全一致。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 β-Ga₂O₃ 晶片的激光隱形切割工藝進行了研究。一方面，在分子動力學模擬的指導下，成功對 β-Ga₂O₃ 晶片進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，本工作表明分子動力學模擬為 β-Ga₂O₃ 晶圓的激光隱形切割工藝提供了實踐指導。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)，而且驗證了分子動力學模擬在預測 β-Ga₂O₃ 的激光隱形切割相關(guān)趨勢方面的準確性，為今后其他半導體材料的高質(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的三維分子動力學模型

圖2 （a）實驗中不同輸入能量激光加載后β-Ga₂O₃內(nèi)部原子應變分布圖；（b）實驗中不同單脈沖能量激光加載后表面損傷形貌；（c）實驗中不同重復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