武汉大学刘胜院士团队 β-Ga₂O₃激光隐形切割：理论与实验研究

摘要：Ga2O3 作为一种超宽禁带半导体材料，兼具宽禁带特性、优异的巴利加优值及高击穿电压等优势。Ga2O3 通常有五种多晶型，其中 β-Ga2O3 因其最高的稳定性和较低的成本被认为最有应用前景。β-Ga2O3 因其优异的性能常用于大功率器件，而高性能 β-Ga2

武汉大学刘胜院士、吴改副研究员、沈威副研究员团队在学术期刊Journal of Materials Science & Technology 发布了一篇名为 Laser stealth dicing of β-Ga2O3: Theoretical and experimental studies（β-Ga2O3 激光隐形切割：理论与实验研究）的文章。

1.项目支持

该项研究得到了国家自然科学基金（Grant Nos：92473102、62004141、52202045）、武汉市知识创新专项—曙光计划（Grant Nos：2023010201020243、2023010201020255）、湖北省重大项目（JD）（Grant No：2023BAA009）、深圳市科技计划（Grant No：JCYJ20240813175906008）、中央高校基本科研业务费专项资金（Grant Nos：2042023kf0112、2042022kf1028）、电子制造与封装集成湖北省重点实验室开放基金（Grant Nos：EMPI2024014、EMPI2024021、EMPI2023027）以及国家留学基金委（Grant No：202206275005）的资助。

2.背景

Ga2O3 作为一种超宽禁带半导体材料，兼具宽禁带特性、优异的巴利加优值及高击穿电压等优势。Ga2O3 通常有五种多晶型，其中 β-Ga2O3 因其最高的稳定性和较低的成本被认为最有应用前景。β-Ga2O3 因其优异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赖于精密的加工工艺。然而，由于 β-Ga2O3 的各向异性力学性质和晶面解理性质，导致在 β-Ga2O3 基器件生产过程中，采用传统方法难以实现高质量的晶圆切割。目前，对 β-Ga2O3 晶圆切割的研究有限，因此，探索实现 β-Ga2O3 晶圆高质量切割的方法至关重要。激光隐形切割是一项创新的激光加工技术，利用聚焦激光在晶圆上进行亚表面改性，且不会造成表面损伤。与机械切割或激光表面划片相比，激光隐形切割可以有效防止晶圆表面损伤，并减少加工过程中的飞溅污染。因此，激光隐形切割被认为是一种非常有前景的晶圆切割方法，并已广泛应用于宽/超宽禁带半导体材料，例如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和金刚石。近年来，一些研究人员通过有限元模拟、分子动力学模拟以及实验观察等方法，探索并报道了 SiC、GaN 和金刚石的激光隐形切割工艺及其作用机理。然而，关于 β-Ga2O3 的激光隐形切割过程及其微观机理的报道较少。

3.摘要

氧化镓（Ga2O3）是一种超宽禁带半导体材料，在高功率电子器件和紫外光电器件领域具有广阔的应用前景。高性能 Ga2O3 基器件的制备高度依赖精密加工技术，其中晶圆切割环节尤为关键。激光隐形切割作为一种创新性的激光加工技术，能够通过聚焦激光在晶圆上实现亚表面改性，而不会损伤表面，因而在半导体精密制造领域展现出巨大的应用潜力。本研究提出了一种基于激光隐形切割技术实现 β-Ga2O3 晶圆高质量切割的新思路，并结合分子动力学模拟与实验手段，深入探讨了激光隐形切割 β-Ga2O3 晶圆的内在机制。一方面，基于机器学习势函数，利用分子动力学方法模拟了激光加载和断裂的过程。通过评估激光加载过程中的晶格残余应力、系统总能量、内部原子应变以及单轴拉伸过程中最大应力值等关键指标，系统地研究了单脉冲激光能量对激光隐形切割效果的影响。另一方面，基于分子动力学模拟结果，在实验中成功对 β-Ga2O3 晶片沿三个主要晶面进行了激光隐形切割，获得了良好的断面质量。该研究不仅为 β-Ga2O3 的激光隐形切割工艺提供了有效的优化策略，为 β-Ga2O3 晶圆的高质量切割奠定了基础，也验证了分子动力学模拟对激光隐形切割相关趋势预测的准确性，为今后其他半导体材料的高质量切割研究提供了一种可行的技术路径和研究方法。

4.创新点

1.本研究首次系统地探索了 β-Ga2O3 的激光隐形切割工艺，这一领域的深入研究在以往文献中尚未见报道。

2.此项工作创新性地结合了分子动力学模拟与实验方法，共同探究了 β-Ga2O3 材料的激光隐形切割工艺及其背后的微观机理。这种综合研究手段在相关领域内是较为少见的。

3.在分子动力学模拟的指导下，本研究在实验中成功对 β-Ga2O3 晶片实施了高质量的激光隐形切割，获得了良好的断口表面质量。

5.结论

本工作提出了通过激光隐形切割实现 β-Ga2O3 晶圆高质量切割的思路，采用微-介观模拟与实验相结合的方法，深入研究了激光隐形切割 β-Ga2O3 的内在机理。首先，基于机器学习势函数，采用分子动力学模拟方法，模拟了激光加载及 β-Ga2O3 晶片的开裂过程。通过分析激光加载过程中的晶格残余应力、体系最终总能量、内部原子应变以及单轴拉伸过程中最大应力值，可以观察到以下趋势：随着激光单脉冲能量的增加，晶格残余应力和体系最终总能量均增大，导致内部原子应变更加显著，同时单轴拉伸过程中的最大应力减小，这些因素共同促进了 β-Ga2O3 晶片的开裂。进一步观察拉伸模拟后的断口形貌，发现适当提高激光单脉冲能量不仅有利于 β-Ga2O3 晶片的开裂，而且可以改善断口的表面质量。然而，过高的单脉冲能量不利于 β-Ga2O3 晶片的切割。激光隐形切割 β-Ga2O3 晶片的实验表明，随着单脉冲能量的增加，三个主要晶面的表面粗糙度均出现先降低后升高的趋势，这与分子动力学模拟中观察到的理论趋势完全一致。在合适的单脉冲能量下，（100）面的表面质量最好，Ra 为 0.033 μm，优于已报道的 SiC 经激光隐形切割处理后的表面质量。（010）面的表面质量相对稳定，也表现出良好的断口表面质量。

本工作采用创新的研究方法，对 β-Ga2O3 晶片的激光隐形切割工艺进行了研究。一方面，在分子动力学模拟的指导下，成功对 β-Ga2O3 晶片进行了激光隐形切割工艺，并获得了良好的断口质量。另一方面，本工作表明分子动力学模拟为 β-Ga2O3 晶圆的激光隐形切割工艺提供了实践指导。本工作不仅为 β-Ga2O3 的激光隐形切割工艺提供了深刻的优化策略，为 β-Ga2O3 晶圆的高质量切割奠定了基础，而且验证了分子动力学模拟在预测 β-Ga2O3 的激光隐形切割相关趋势方面的准确性，为今后其他半导体材料的高质量切割研究提供了一种可行的技术路径和研究方法。

6.图文内容