透明硬脆材料激光剥离关键问题研究(特邀).pdf

第53卷第1期红外与激光工程2024年1月

Vol.53No.1InfraredandLaserEngineeringJan.2024

透明硬脆材料激光剥离关键问题研究(特邀)

璐1.2.4，杜家宝1,2.4，于海娟1.24，林学春1,2.4*，张谷令3*

赵树森12，何宏智13，韩世飞1.2.4，姜

（1.中国科学院半导体研究所全固态光源实验室，北京100083；

2.北京市全固态激光先进制造工程技术研究中心，北京100083；

3.中央民族大学理学院，北京100081；

4.中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京100049)

摘要：透明硬脆材料由于其优异的力学性能、热稳定性、耐腐蚀性以及光电性能，广泛应用于半导体

与电子领域。传统透明硬脆材料切片方法效率低、材料损耗大，制约了硬脆材料的推广应用。激光剥

离技术是近年来新兴的一种透明硬脆材料切片新方法，较传统金刚线切割方法大幅提升硬脆材料的切

片效率和材料利用率，目前已发展成为硬脆材料激光加工领域学术研究与产业应用的焦点。文中深入

分析透明硬脆材料激光剥离物理过程，归纳激光剥离过程关键科学问题：透明硬脆材料对激光的非线

性吸收、激光作用下材料内部微观结构演化与缺陷扩展规律，以及激光光场调控对材料改质影响机制

等。基于这些科学问题，综述了近年来激光剥离不同类型透明硬脆材料的研究进展，目前用于激光剥

离的材料已涵盖了SiC、Si、GaN、金刚石等半导体材料，蓝宝石、多晶Al,O3、氧化锆等陶瓷材料，激光剥

离技术已发展出超快激光双脉冲诱导剥离、超快激光-化学辅助剥离、多激光复合剥离等。激光剥离物

理过程是一个典型的激光-材料-热学-力学多学科交叉问题，尽管在实验结果方面获得了显著突破和迅

猛发展，但目前对于工艺机理仍缺乏深入的理论与数值建模研究。未来透明硬脆材料激光剥离技术将

会朝着百微米以下超薄厚度剥离、改质层低损伤、工艺自适应等方向发展，将为半导体与电子等领域快

速发展提供更大的技术支撑。

关键词：超快激光；硬脆材料；剥离；非线性吸收；缺陷扩展；光场调控

中图分类号：TN249文献标志码：AD0I:10.3788/IRL

0引言料推广应用。

脉冲激光尤其是超快激光具有较高的峰值功率[7],

透明硬脆材料是指一类硬度高、脆性大、断裂韧

脉冲宽度接近或小于材料热弛豫时间，是加工脆性材

性低的透明材料，通常为非金属材料。由于其硬度

料的理想选择，具有非接触、高效率、高精度、低损耗

高、热稳定性好、抗腐蚀能力强以及优异的光电特等优势。特定波长的激光可以透过透明硬脆材料，利

性[1-4],广泛应用于半导体、电子、航空航天和新能源

用透镜将光束聚焦在材料内部，通过控制光束的运动

等领域[5-6]。硬脆材料切片是相关器件制备的关键环

轨迹，在透明硬脆材料内部形成含空隙、高密度位

节之一，由于材料高硬度和高脆性的特点，使得传统错、微裂纹等微缺陷的改质层[8]，在热应力或外载荷

的机械加工，如金刚线锯割工艺容易在材料表面和内作用下沿改质层，并垂直激光入射方向发生剥离，实

部产生微裂纹、杂质颗粒和重熔层等损伤，切片效现材料切片。激光剥离为透明硬脆材料切片提供了

率、材料利用率、以及良率较低，严重制约了硬脆材一种全新的工艺方法，成为目前