SiC单晶片的激光标识技术研究

王添依，冯 玢

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220)

激光打标[1]是在激光焊接、激光热处理、激光切割、激光打孔等应用技术之后发展起来的一门新型加工技术，是一种非接触、无污染、无磨损的新标记工艺。工件不会变形和产生内应力，适于金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等材料的标记。它是一种具有亮度高、方向性好、单色性好的相干光，因此在理论上经聚焦后能形成直径为亚微米级的光点，焦点处的功率密度可达到1×102～1×103W/cm3，温度高达10 000℃以上，可在千分之几秒内急剧熔化和汽化各种材料[2]。

单晶碳化硅（SiC）作为第三代宽禁带半导体材料，具有一些优越的性能，如高电子饱和迁移率和优良的热学特性，在制造耐高温、抗辐射的高频大功率器件方面具有广阔的应用前景。采用激光加工技术在碳化硅材料上制作标识码，对追溯产品去向有重要意义。

1 激光打标原理及结构

目前，国内的激光打标按其工作方式可分为掩模式打标、阵列式打标和扫描式打标。本次实验采用扫描式激光打标系统，如图1所示。它主要由激光器、xy偏转镜、聚焦透镜、计算机等构成。其工作原理是将激光束入射到两反射镜(振镜)上，用计算机控制反射镜的反射角度，两个反射镜可分别沿x、y轴扫描，从而达到激光束的偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦点在打标材料上按所需的要求运动，从而在材料表面上留下永久的标记，聚焦的光斑可以是圆形或矩形。在振镜打标系统中，可以采用矢量图形及文字，这种方法采用了计算机中图形软件对图形的处理方式，具有作图效率高，图形精度好，无失真等特点，极大地提高了激光打标的质量和速度。同时振镜式打标也可采用点阵式打标方式，采用这种方式对于在线打标很适用，根据不同速度的生产线可以采用一个扫描振镜或两个扫描振镜，与前面所述的阵列式打标相比，可以标记更多的点阵信息，对于标记汉字字符具有更大的优势。

图1 扫描式激光打标系统原理

扫描式激光打标系统一般使用连续光泵工作波长为1 064 nm的YAG激光器，输出功率为10～120 W，激光输出可以是连续的，也可以是Q开关调制的。YAG激光器产生的激光能被半导体和大多数塑料很好地吸收，而且其波长短，聚焦的光斑小，因而非常适合在这些材料上进行高清晰度的标记[3]。

2 试验方案

实验样品：150 mm（6英寸）碳化硅单晶抛光片，厚度为 500 μm。

试验条件：在本试验中，选用了波长1 064 nm的半导体端泵YAG激光打标机，采用碳化硅单晶抛光片（Si面）上进行几组工艺试验。

测试仪器：

（1）强光灯：观察打标前后晶片的表面宏观状况；

（2）光学显微镜：观察激光打标后晶片的表面状况。

3 试验结果与分析

通过调整参数，观察打标效果的变化。光斑大小直接影响激光束作用在工件上的功率密度[4]，光斑越小，则功率密度越高。因此功率大小对标记效果的影响如表1所示，工件上的标刻速度（见表2）、激光频率（见表3）等都影响标记效果，改变不同的参数，线条宽度随之变化。

表1 功率对标记线宽影响

表2 标刻速度对标记线宽影响

表3 激光频率对标记线宽影响

由表1、表2、表3可分别得到如图2、图3、图4所示的曲线。

本激光打标实验通过改变不同的参数对光刻时线条宽度产生影响。由图2、图4可知，激光标刻的线条宽度随着功率、频率的变大而变宽。由图3可知，线条宽度随着标刻速度的变大而变小。

图2 功率对标记线宽影响

图3 标刻速度对标记线宽影响

图4 激光频率对标记线宽影响

图5为在SiC单晶抛光片表面标刻的一组直线后，通过微分干涉显微镜下观察到的表面形貌。图5(a)中可以看出，标记线很窄，效果不够明显，肉眼不易识别。图5(b)中可以看出，标识线与背景区域的边界较模糊，并且在背景区域出现黑色斑点，强光灯下观察线条整体不均匀，线条宽窄不一。这是因为在较大激光加工过程形成的附产物未能完全气化，部分附产物附着于标识区域周围，形成黑色斑点所致。图5(c)中所示，显微镜下的线条形状笔直，标记线宽度深度均得改观，整体线条均匀、颜色统一，标记线效果明显。线条宽度随着激光的功率、标刻速度、频率等发生改变。因此选用激光功率为50%，标刻速度为100 mm/s，频率为20 kHz，脉冲宽度为10 μs打标参数，打标标记效果较好。

图5 微分干涉显微镜照片

4 结 论

通过对激光打标系统的工作原理和结构的深度了解，分析了打标机的性能，并对碳化硅晶片的激光打标技术进行了一些有益的试验，研究了激光的功率、标刻速度、频率等对打标深度的影响。确定了激光功率为50%，标刻速度为100 mm/s，频率为20 kHz，脉冲宽度为10 μs的工艺参数，有效地改善了碳化硅晶片的标记效果。

[1] 王进华.激光加工技术使太阳能电池的效率提高到22%[J].光机电信息，2007，24(7)：23-24.

[2] 文秀兰，林宋，谭昕.超精密加工技术与设备[M].北京：化学工业出版社，2006.

[3] 袁根福.激光加工技术的应用与发展现状[J].安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2004，12(01)：30-34.

[4] 吴云峰，陈洁.精密超精密加工技术综述[J].新技术新工艺，2007，6(15)：38-40.