SiC單晶片的激光標識技術研究

王添依，馮 玢

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

激光打標[1]是在激光焊接、激光熱處理、激光切割、激光打孔等應用技術之后發展起來的一門新型加工技術，是一種非接觸、無污染、無磨損的新標記工藝。工件不會變形和產生內應力，適于金屬、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等材料的標記。它是一種具有亮度高、方向性好、單色性好的相干光，因此在理論上經聚焦后能形成直徑為亞微米級的光點，焦點處的功率密度可達到1×102～1×103W/cm3，溫度高達10 000℃以上，可在千分之幾秒內急劇熔化和汽化各種材料[2]。

單晶碳化硅（SiC）作為第三代寬禁帶半導體材料，具有一些優越的性能，如高電子飽和遷移率和優良的熱學特性，在制造耐高溫、抗輻射的高頻大功率器件方面具有廣闊的應用前景。采用激光加工技術在碳化硅材料上制作標識碼，對追溯產品去向有重要意義。

1 激光打標原理及結構

目前，國內的激光打標按其工作方式可分為掩模式打標、陣列式打標和掃描式打標。本次實驗采用掃描式激光打標系統，如圖1所示。它主要由激光器、xy偏轉鏡、聚焦透鏡、計算機等構成。其工作原理是將激光束入射到兩反射鏡(振鏡)上，用計算機控制反射鏡的反射角度，兩個反射鏡可分別沿x、y軸掃描，從而達到激光束的偏轉，使具有一定功率密度的激光聚焦點在打標材料上按所需的要求運動，從而在材料表面上留下永久的標記，聚焦的光斑可以是圓形或矩形。在振鏡打標系統中，可以采用矢量圖形及文字，這種方法采用了計算機中圖形軟件對圖形的處理方式，具有作圖效率高，圖形精度好，無失真等特點，極大地提高了激光打標的質量和速度。同時振鏡式打標也可采用點陣式打標方式，采用這種方式對于在線打標很適用，根據不同速度的生產線可以采用一個掃描振鏡或兩個掃描振鏡，與前面所述的陣列式打標相比，可以標記更多的點陣信息，對于標記漢字字符具有更大的優勢。

圖1 掃描式激光打標系統原理

掃描式激光打標系統一般使用連續光泵工作波長為1 064 nm的YAG激光器，輸出功率為10～120 W，激光輸出可以是連續的，也可以是Q開關調制的。YAG激光器產生的激光能被半導體和大多數塑料很好地吸收，而且其波長短，聚焦的光斑小，因而非常適合在這些材料上進行高清晰度的標記[3]。

2 試驗方案

實驗樣品：150 mm（6英寸）碳化硅單晶拋光片，厚度為 500 μm。

試驗條件：在本試驗中，選用了波長1 064 nm的半導體端泵YAG激光打標機，采用碳化硅單晶拋光片（Si面）上進行幾組工藝試驗。

測試儀器：

（1）強光燈：觀察打標前后晶片的表面宏觀狀況；

（2）光學顯微鏡：觀察激光打標后晶片的表面狀況。

3 試驗結果與分析

通過調整參數，觀察打標效果的變化。光斑大小直接影響激光束作用在工件上的功率密度[4]，光斑越小，則功率密度越高。因此功率大小對標記效果的影響如表1所示，工件上的標刻速度（見表2）、激光頻率（見表3）等都影響標記效果，改變不同的參數，線條寬度隨之變化。

表1 功率對標記線寬影響

表2 標刻速度對標記線寬影響

表3 激光頻率對標記線寬影響

由表1、表2、表3可分別得到如圖2、圖3、圖4所示的曲線。

本激光打標實驗通過改變不同的參數對光刻時線條寬度產生影響。由圖2、圖4可知，激光標刻的線條寬度隨著功率、頻率的變大而變寬。由圖3可知，線條寬度隨著標刻速度的變大而變小。

圖2 功率對標記線寬影響

圖3 標刻速度對標記線寬影響

圖4 激光頻率對標記線寬影響

圖5為在SiC單晶拋光片表面標刻的一組直線后，通過微分干涉顯微鏡下觀察到的表面形貌。圖5(a)中可以看出，標記線很窄，效果不夠明顯，肉眼不易識別。圖5(b)中可以看出，標識線與背景區域的邊界較模糊，并且在背景區域出現黑色斑點，強光燈下觀察線條整體不均勻，線條寬窄不一。這是因為在較大激光加工過程形成的附產物未能完全氣化，部分附產物附著于標識區域周圍，形成黑色斑點所致。圖5(c)中所示，顯微鏡下的線條形狀筆直，標記線寬度深度均得改觀，整體線條均勻、顏色統一，標記線效果明顯。線條寬度隨著激光的功率、標刻速度、頻率等發生改變。因此選用激光功率為50%，標刻速度為100 mm/s，頻率為20 kHz，脈沖寬度為10 μs打標參數，打標標記效果較好。

圖5 微分干涉顯微鏡照片

4 結 論

通過對激光打標系統的工作原理和結構的深度了解，分析了打標機的性能，并對碳化硅晶片的激光打標技術進行了一些有益的試驗，研究了激光的功率、標刻速度、頻率等對打標深度的影響。確定了激光功率為50%，標刻速度為100 mm/s，頻率為20 kHz，脈沖寬度為10 μs的工藝參數，有效地改善了碳化硅晶片的標記效果。

[1] 王進華.激光加工技術使太陽能電池的效率提高到22%[J].光機電信息，2007，24(7)：23-24.

[2] 文秀蘭，林宋，譚昕.超精密加工技術與設備[M].北京：化學工業出版社，2006.

[3] 袁根福.激光加工技術的應用與發展現狀[J].安徽建筑工業學院學報（自然科學版），2004，12(01)：30-34.

[4] 吳云峰，陳潔.精密超精密加工技術綜述[J].新技術新工藝，2007，6(15)：38-40.