Карбид кремния (SiC), благодаря своим выдающимся механическим, тепловым и электрическим свойствам, играет решающую роль в передовых промышленных приложениях, таких как полупроводники,высокотемпературные устройстваОднако его чрезвычайная твердость, высокая химическая стабильность и широкий пробел делают обычные методы обработки неэффективными и дорогостоящими.характеризуется высокой точностью, высокая эффективность и бесконтактная работа, поэтому стала ключевой технологией для производства SiC.Недавние достижения в ультрабыстрых лазерных технологиях значительно расширили возможности обработки SiC, способствующие быстрому росту спроса от высокотехнологичной промышленности, особенно производства полупроводников.
В этом обзоре систематически рассматривается современное состояние техники в лазерной обработке SiC, охватывая лазерные системы, основные механизмы взаимодействия, новые методы, приложения,и текущие проблемыВ частности, в докладе подробно рассматриваются технологии обработки поверхности, включая резку, бурение, микроструктуризацию, полировку, а также лазерное незаметное резка и нарезание.Приложения SiC в различных секторах обобщены., и представлен критический анализ существующих проблем, будущих направлений исследований и новых возможностей, которые могут сформировать эту быстро развивающуюся область.

1Введение.

Карбид кремния (SiC) - это полупроводниковый материал широкого диапазона, который привлек значительное внимание благодаря своей исключительной твердости, высокой теплопроводности, превосходной химической инертности,и отличные электрические характеристики при высоких температурах и высоких напряженияхЭти свойства делают SiC незаменимым в силовой электронике, оптоэлектронике, аэрокосмических системах, высокотемпературном оборудовании и износостойких компонентах.Внешние свойства материала SiC представляют значительные проблемы для традиционных механических и химических процессов обработки, особенно с точки зрения износа инструмента, низкой эффективности и ограниченной достижимой точности.

Лазерная обработка стала мощной альтернативой, предлагающей бесконтактную работу, высокое пространственное разрешение и способность обрабатывать сложные геометрии. The rapid development of ultrafast laser technologies—especially femtosecond and picosecond lasers—has further enhanced the controllability and quality of SiC processing by reducing thermal damage and improving dimensional accuracyСледовательно, обработка SiC на основе лазера стала точкой исследований и технологией для полупроводников следующего поколения и высокопроизводительных устройств.

2Свойства SiC и лазерных технологий обработки

Разнообразие применений лазерной обработки SiC отражает разнообразие его кристаллических структур и свойств (рисунок 1 и рисунок 3).4H-SiCи6H-SiC, демонстрируют различные решетчатые расположения, анизотропные свойства и оптическое поглощение, все из которых сильно влияют на взаимодействие лазера с материалами.

Современные лазерные системы обработки SiC охватывают широкий спектр конфигураций (рисунок 4), включая объективные системы фокусировки, системы сканирования гальванометра, установки двойного импульсного облучения,фемтосекундные лазеры с квадратными плосковерхующими лучами, векторно-поляризованные лазеры, гибридные системы векторного луча, асинхронные конфигурации резания двойного луча, гибридные системы лазера ‒ водного струя, водно-направляемые лазеры и подводные платформы для обработки лазера.Эти системы предназначены для адаптации энергоснабжения, улучшить удаление мусора, подавить тепловые эффекты и улучшить качество обработки.

3. Механизмы взаимодействия лазера с силиконом

Понимание механизмов взаимодействия лазера с материалами имеет важное значение для оптимизации лазерной обработки SiC. Как показано на рисунке 57, лазерное облучение вызывает ряд сложных физических процессов,включая поглощение фотонов, возбуждение носителя, соединение электронов-фононов, диффузия тепла, фазовые переходы и удаление материала.

В лазерной обработке с длинным импульсом преобладают тепловые эффекты, часто приводящие к плавлению, ресолидификации, переделке слоев и накоплению остаточного напряжения.Эти эффекты могут привести к возникновению трещин и распространениюНапротив, ультрабыстрые лазерные импульсы сбрасывают энергию на временные шкалы, более короткие, чем тепловое диффузионное,позволяет использовать механизмы нетермической или слаботермической абляции, которые значительно уменьшают зону, подверженную воздействию тепла (HAZ)Одноимпульсное облучение может вызвать локальное искажение решетки и образование плавильного бассейна.в то время как многоимпульсное облучение может индуцировать лазерные периодические поверхностные структуры (LIPSS) и подземные пустоты.

Усовершенствованные методы диагностики и характеристики (рисунок 8), такие как акустический мониторинг выбросов, плазменное изображение, фотография ICCD с временным разрешением, рентгеновская компьютерная томография (XCT),и оптической когерентной томографии (OCT), предоставляет ценные сведения о образовании дефектов, внутренних модификациях и динамике абляции во время лазерной обработки.

4. Техники лазерной обработки для SiC

4.1 Резание, бурение и микроструктуризация

Лазерная резка и бурение широко используются для формирования компонентов SiC и изготовления микро- и наноразмерных элементов.частота повторения, энергии импульса, профиля луча и обрабатывающей среды, морфология отверстий и качество поверхности были широко изучены (рисунки 11 и 12).Сочетание лазерного облучения с химическим гравировкой еще больше улучшает качество и соотношение сторон, что позволяет изготавливать высокоточные микроотводы и каналы.

4.2 Изменение и полировка поверхности

Лазерное текстурирование поверхности повышает трибологическую производительность, тепловую стабильность и функциональные свойства поверхностей SiC, что особенно ценно для аэрокосмических и оборонных приложений.Ультрабыстрое лазерное полирование также показало потенциал для улучшения отделки поверхности при одновременном минимизации повреждений под поверхностью.

4.3 Внутренняя модификация и изготовление волноводов

Фемтосекундная прямая лазерная запись (FSLDW) позволяет трехмерно модифицировать сырьевые материалы из SiC, что позволяет изготавливать встроенные волноводы и фотонические структуры (рисунок 15).Такие возможности открывают новые пути для интегрированной фотоники и оптоэлектронных устройств на основе SiC.

4.4 Лазерное незаметное резка и нарезка

Техники лазерного стелса (LSD) и гибридного лазерного нарезания представляют собой передовые подходы к обработке SiC на уровне пластин (рисунки 16 и 18).Индуцируя контролируемые внутренние слои модификации и последующее распространение трещин или выборочное гравирование, эти методы позволяют высококачественное отделение с минимальным повреждением поверхности, что имеет решающее значение для производства полупроводниковой подложки.

5. Приложения лазерной обработки SiC

Лазерная обработка SiC имеет широкое применение в различных областях (рисунок 19).лазерные технологии являются неотъемлемой частью производства высокопроизводительных силовых устройствАэрокосмические и оборонные приложения получают выгоду от повышенной износостойкости и тепловой стабильности, достигнутой с помощью лазерной поверхности.В области биомедицинской инженерии, биосовместимость и химическая устойчивость SiC делают его привлекательным материалом для передовых датчиков и имплантируемых устройств.

6Проблемы и перспективы будущего

Несмотря на значительный прогресс, ряд проблем по-прежнему ограничивают широкомасштабное промышленное применение лазерной обработки SiC.особенно при длинноимпульсном лазерном облученииКроме того, достижение оптимального баланса между скоростью удаления материала (MRR) и качеством поверхности, а также сложностью оптимизации параметров лазера,создает существенные препятствия для масштабируемости процессов и эффективности затрат.

С научной точки зрения требуется более глубокое исследование механизмов взаимодействия лазера и СиС.в сочетании со стратегиями оптимизации, основанными на данных и искусственном интеллекте, как ожидается, будут играть решающую роль в повышении управляемости и повторяемости процессов.Дальнейшие исследования в области трехмерной микро- и оптовой обработки SiC необходимы для удовлетворения требований аэрокосмической отрасли, полупроводников и биомедицинских приложений.

С промышленной точки зрения, разработка высокопроизводительных лазерных источников с более высокой мощностью, более высокой частотой повторения и настраиваемой длительностью импульсов имеет решающее значение,Учитывая широкий пробел и высокую температуру плавления SiCИнтеграция систем лазерной обработки с робототехникой и интеллектуальными платформами управления позволит полностью автоматизировать производственные процессы, повышая эффективность и снижая воздействие на окружающую среду.

7Заключения

SiC является универсальным и стратегически важным материалом, исключительные свойства которого подтверждают его широкое использование в полупроводниках, высокотемпературных устройствах и передовых инженерных приложениях.Лазерная обработка стала наиболее перспективным подходом к преодолению присущих задач обработки SiCЭтот обзор подробно обобщает последние достижения в области лазерной обработки SiC, включая лазерные системы, механизмы взаимодействия,передовые методы, и областей применения.

Несмотря на то, что такие проблемы, как термический крекинг, сложность оптимизации процессов и масштабируемость, остаются, продолжающийся прогресс в ультрабыстрых лазерных технологиях, гибридных методах обработки,и интеллектуальные системы управления, как ожидается, будут способствовать дальнейшему прорывуБлагодаря устойчивым междисциплинарным инновациям лазерная обработка продолжит укреплять роль SiC в передовом производстве материалов и передовых инженерных решениях.обеспечение надежной теоретической и технологической поддержки будущих научных исследований и промышленных применений.