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發(fā)布時間：2024-10-25 來源：元祿光電公眾號
隨著相關(guān)規(guī)定和環(huán)境因素會聚成強(qiáng)大的推動力，電動汽車行業(yè)及其價值鏈上的各個環(huán)節(jié)形成百花齊放的創(chuàng)新領(lǐng)域。如今，電動汽車 (EV) 電池組的電壓越來越高，有時甚至高達(dá) 800 V。
電壓提高帶來諸多好處，包括馬力更大、效率更高、續(xù)航里程更長以及充電時間更短。在車輛內(nèi)部，電力電子設(shè)備將高直流電壓轉(zhuǎn)換成各種系統(tǒng)所需的不同形式。例如，牽引電機(jī)需要三相交流電。同時，車載充電器可動態(tài)調(diào)整電流和電壓。
目前硅廣泛應(yīng)用于消費電子和電力電子的許多領(lǐng)域，但也成為了其升級的瓶頸。基于傳統(tǒng)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(guān)頻率下正常工作。因此，制造商必須轉(zhuǎn)向其他半導(dǎo)體材料，以充分發(fā)揮電動汽車高壓電池組的優(yōu)勢。前景最為光明的替代半導(dǎo)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(xù)航里程的關(guān)鍵。
然而，制造 SiC 器件也有其獨有的挑戰(zhàn)。在成熟工藝和既定協(xié)議占主導(dǎo)地位的領(lǐng)域中，SiC 的機(jī)械、化學(xué)、電子和光學(xué)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(dāng)，因此很難采用鋸切等傳統(tǒng)機(jī)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(jīng)常更換這種昂貴的消耗品。鋸切本身過程相對緩慢，產(chǎn)生的熱量容易對材料性能產(chǎn)生負(fù)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(jié)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(jī)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(yīng)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(shù)。與使用硅的傳統(tǒng)方法相比，最終用戶還必須確定 SiC 單晶切割的最優(yōu)光源。
1、使用皮秒激光進(jìn)行優(yōu)質(zhì)燒蝕
SiC 器件的制造方法與傳統(tǒng)的硅微電子技術(shù)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(zhǔn)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(jī)械鋸切的邊緣崩裂現(xiàn)象。單晶切割還應(yīng)將材料的機(jī)械變化降至最低。同時還應(yīng)優(yōu)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(qū)域），從而最大限度地增加每個晶片上的芯片數(shù)量。
工程師必須權(quán)衡這些因素與切割速度、產(chǎn)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(nèi)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(jìn)行加工的好處包括：材料的整體加熱最小，熱影響區(qū) (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(zhì)量，減少碎屑產(chǎn)生。
大多數(shù)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(yīng)用。在這一光帶工作的光源通常可以實現(xiàn)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(chǎn)高縱橫比特征和更薄切口寬度的首選，因為能實現(xiàn)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(yīng)用于寬視場振鏡掃描系統(tǒng)。紫外光的穿透力有限，可進(jìn)一步減少熱影響區(qū) (HAZ)。
2、分析實驗的詳細(xì)配置
不過，在任何環(huán)境下，利用短脈寬和短波長實現(xiàn)更高的產(chǎn)量都十分困難。為了確保 SiC 單晶切割結(jié)果的可重復(fù)性，必須對不同的系統(tǒng)設(shè)計和參數(shù)進(jìn)行試驗。MKS/Spectra-Physics 進(jìn)行了一系列切割試驗，以評估紫外皮秒激光器的優(yōu)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(xiàn)更大的加工便利性，和更小的熱影響區(qū) (HAZ) 。最后，除了衡量這一工藝的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性外，這些試驗還旨在研究各種脈沖串設(shè)置可能對結(jié)果產(chǎn)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(jìn)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(fù)頻率下提供的平均功率為 50 W。其最高工作頻率可達(dá) 10 MHz。在 200 至 400 kHz 的重復(fù)頻率下進(jìn)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(jié)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(fā)射一系列間隔很近的子脈沖串，相隔一個時間間隔后，再發(fā)出下一個脈沖串序列。實踐已經(jīng)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(shù)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(jié)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(shù)關(guān)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(yán)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(shù)關(guān)系。數(shù)據(jù)顯示了脈沖串如何提高燒蝕率。
這些結(jié)果表明，脈沖串的使用大大提高了燒蝕率。這一結(jié)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(jié)果一致。同樣，燒蝕閾值隨著每個脈沖串中所含脈沖數(shù)的增加而降低（基本上呈對數(shù)降低）。這表明許多材料在多脈沖輻照下通常會出現(xiàn)“累積”現(xiàn)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(zhì)量。使用掃描白光干涉儀獲得的圖像進(jìn)一步顯示了劃線的細(xì)節(jié)（圖 3）。由于表面光滑且無碎屑，皮秒紫外激光器還實現(xiàn)了另一個預(yù)期結(jié)果：高質(zhì)量切割。
從下面圖 4 中可以得出對劃線的進(jìn)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(chǎn)生的。平均功率根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)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(zhì)量與每個脈沖串中脈沖數(shù)的函數(shù)關(guān)系的清晰對比和進(jìn)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(shù)的增加，不同數(shù)值的凹槽顯示出切割質(zhì)量在穩(wěn)步提高。
劃線周圍的變色表明表面或基體材料發(fā)生了變化，隨著脈沖數(shù)的增加，這種變色會逐漸消失。脈沖數(shù)越高，進(jìn)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(chǎn)量和良好的質(zhì)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(shù)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(diào)整脈沖輸出可使劃線深度增加三倍。
4、完善技術(shù)
在從理論到實踐的推進(jìn)過程中，應(yīng)用紫外皮秒激光劃線 SiC 晶片的潛力體現(xiàn)在利用脈沖串輸出來改善加工質(zhì)量和提高加工速度的能力上。還需要進(jìn)一步探索，以衡量和評估完整切割 340 μm 晶片的參數(shù)和結(jié)果。
與此同時，我們正在研究如何將傳統(tǒng)上用于硅晶片劃線的機(jī)械鋸用于SiC。已發(fā)表的結(jié)果表明，這種方法仍然存在進(jìn)料速率有限的問題，而且會產(chǎn)生大量碎屑，例如在大于10 μm 的芯片中。
盡管如此，機(jī)械鋸切仍是半導(dǎo)體行業(yè)中常用的方法，任何替代技術(shù)都需要在產(chǎn)量、成品率和運營成本方面展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢，獲得了業(yè)界的認(rèn)可。盡管所獲得的紫外皮秒結(jié)果在完整切割方面還需要進(jìn)一步提升，但是成為備選技術(shù)后才可能進(jìn)一步獲得持續(xù)改進(jìn)。
來源：MKS / PHOTONICS spectra
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