微射流激光切割GaN晶体的研究

作者：

杨森，张聪，唐辰，岳娜，龚德珍，郭辉，梁建华，周磊蕩

西安晟光硅研半导体科技有限公司

国内GaN晶体的切片研究较少，传统材料切片采用金刚线切割工艺或金刚石砂轮刀片锯切，切割损耗大且材料表面损伤严重。当下较为成熟的加工方式是激光切割。激光加工是通过一定波长的激光聚焦在材料表面，在极短的时间内释放大量能量，破坏材料共价键，使晶体结构发生变化。激光切割具有非接触加工，切口平滑且整齐，切割精度高，能够进一步提高材料的利用率等优势。名古屋大学提出一种适用于生长了各类器件的GaN衬底切片的亚纳秒激光加工方式，但该方法的加工效率较低，耗时较长。随着技术发展，微射流激光技术随之产生。作为一种冷切割工艺，微射流切割技术具备热效应小、无污染、使用成本低、切割效率高等优点。西安晟光硅研半导体科技有限公司对此进行了探索研究，采用了国镓芯科生长的2英寸GaN晶体，晶体厚度1.8mm，实验采用的激光器波长为532nm，Nd:YAG型激光器，其重复频率为1～10KHz，激光输出功率为50～100W，激光脉冲最大宽度为500ns，最大单脉冲能量>20mJ@6kHz，光斑大小2.3±0.3mm。将GaN放置于微射流激光设备工作台上（设备技术原理图如下图所示），通过控制系统对GaN材料待加工位置进行确定，通过已设定的程序对GaN进行切片加工。加工过程由CNC数控系统控制，同轴CCD视觉系统进行同步监控。加工过程采用自动旋转切割方式。加工过程中，持续通水对夹具边缘进行持续降温，避免晶体胶脱落，使用固定位置模式进行扫描，对氮化镓晶体进行行程25mm持续往复切割运动，切片时间约110min。

△ 图1：微射流激光设备技术原理图

此次实验，设备选取的YAG激光器主要考虑激光功率；进行光水耦合重点考量指标参数为水柱压强。本研究探究耦合功率18-22W，水压300-450bar，耦合头行进速度300-1200mm/min条件下微射流激光切割GaN材料的切割效率变化，深入研究GaN材料的去除机理。切割后的表面质量（表面粗糙度）不与激光功率、喷头行进速度成正比，对于GaN材料微射流激光切割工艺常选取的参数而言，激光功率20W、喷头行进速度600mm/min下，切割后的表面质量更高，但粗糙度仍然高达13微米。后期将继续测试氮化镓材料切片的最优工艺，提高材料表面的光滑度。

△ 图2：微射流激光切割后的表面形貌图

△ 图3：微射流激光切割后实物图