碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带（WBG）半导体材料，在持续增加的许多高要求应用中的重要性与日俱增，尤其是在电力电子领域，它们正在逐渐取代传统的硅（Si）材料，因为它们能使器件在远高于传统半导体材料所能承受的电压、频率和温度下工作。

这类宽禁带半导体具备显著优势，比如更快的开关速度、更低的能耗、更好的热稳定性。然而，随着 SiC 和 GaN 在半导体制造中的日益普及，它们也带来了新的挑战，尤其是在用于器件追溯的打标环节。特别是在空间受限的应用场景中，激光器的尺寸与易用性尤为关键。

为了确定宽禁带半导体材料最高效的打标方案，MKS 专家团队在专用工业激光应用实验室开展了一系列测试研究。

高精度打标

在大批量生产中，用于晶圆追溯的高精度打标，对质量保证与制程控制至关重要。序列号、批次码或二维矩阵码等信息，会通过激光系统直接标刻在晶圆表面上。

传统上，在需要高精度和最小热影响的关键场景中，硅晶圆打标通常使用工作在绿光或紫外（UV）波段的二极管泵浦固态激光器（DPSS）。字符一般以点阵形式生成，通常采用 5×9 或 10×18 的点阵配置，具体取决于分辨率与数据密度需求，每个点都由聚焦脉冲激光束创建。

晶圆打标通常分为“硬打”和“软打”两种类别。未抛光的晶圆一般采用硬打，以确保标识能在后续制程中清晰可见；抛光晶圆则采用软打，以最小化对晶圆表面的损伤，保持晶圆完整性。

这两种打标方式的主要区别在于点深度与点直径。对于传统的硅材料，硬打的刻蚀深度为 50~150 μm，点直径为 25~110 μm；软打的深度为 0.3~5 μm，点直径为 30~70 μm。在晶圆的每一道后续制程中，都会对打标提出更为严苛的要求。例如，过度的材料去除可能造成晶圆污染，这一点与避免过大的热影响区同样重要。

过渡到 SiC、GaN 等宽禁带材料后，因为它们截然不同的材料特性，必须要相应地调整激光打标工艺。所有的材料都具有独特的物理、化学和热属性：许多宽禁带材料，尤其是 SiC，硬度极高且脆性大，这使得打标工艺更加复杂。必须谨慎施加激光脉冲，以防产生微裂纹或表面损伤。此外，这类材料对激光打标过程中产生的局部热量非常敏感。元器件的持续微型化，也使得整个打标工艺变得更具挑战性。

电力电子器件通常集成度高、布局紧凑，可用于持久性打标的空间非常有限。考虑到要满足可追溯性与标识的行业标准，工艺开发的重点在于：如何在激光打标过程中平衡标识可读性与打标效果。

激光器选型

有多种激光源可用于 SiC 及其他宽禁带半导体材料的打标。红外光纤激光器因其成本低、工业稳定性强而被广泛选用；而二极管泵浦固态（DPSS）紫外（UV）激光器则凭借其高精度和极小的热应力，成为高精度打标的优选方案。绿光 DPSS 激光器则用于对光吸收和对比度要求极高的细分应用领域。

由于自动化生产线空间有限，市场对用于宽禁带半导体材料打标的紧凑型激光器的需求正不断增长。核心问题在于：打标效果是否清晰、持久，以满足严苛的工业要求。

为了解决这一问题，研究人员采用 MKS SpectraPhysics 型号为 Explorer One HE 355200 的激光器开展了多项测试。这款高能量、紧凑型紫外纳秒激光器的单脉冲能量可达 200 μJ，用于在 SiC 晶圆上生成 18×9 的点阵标记。点直径约为 44 μm，该尺寸是打标工艺中的常用规格。

作为前期研究的一部分，本实验测定了紫外激光在SiC 材料上的阈值能量密度（单位面积上的能量），由此可确定单脉冲激光能够从表面去除材料所需要的最小激光能量密度。

实验中，入射脉冲能量在 15～55 μJ 之间调节，测量所形成的烧蚀点直径，并采用回归分析方法进行后续分析。经过该系统性研究，最终得出阈值能量密度为 5.75 J/cm²，这为后续试验提供了可靠依据（图 1）。

图 1：对 SiC 晶圆进行材料去除，所需的最小能量密度需大于 5.75 J/cm²。

SiC Ablation Threashold: SiC 烧蚀阈值/Ablated Area: 烧蚀面积//Threshold Fluence: 阈值能量密度/Pulse Energy: 脉冲能量

接下来，使用 Explorer 激光器形成 18×9 的点阵标记（图 2），通过在 SiC 晶圆上移动光斑，在每个位置发射单个脉冲。每个脉冲均可形成一个清晰的球缺状凹坑，深度约为 0.4 μm。这种浅且轮廓清晰的几何结构可确保最小化热影响，并保持晶圆表面的结构完整性。

图 2：晶圆上的字母结构清晰，在显微镜下可轻松读取。

即使在高倍放大条件下（图 3），这些微结构仍然轮廓清晰、几何形状完整。点阵中的每个点都呈现出均匀一致的形态，这种打标效果仅通过单脉冲激光即可实现。

图 3：仔细观察可见，打标点尺寸均匀、重复性好。

为更好地评估标记点的均匀性，研究团队采用白光干涉仪对打标结果进行分析。二维轮廓图（图 4）与三维形貌图（图 5）均清晰显示出标记区域的平滑且均匀的结构特征。

图 4：单脉冲打标点的轮廓图。

图 5：单脉冲打标点的三维模型。

实践证明，用单脉冲激光进行软标记，是 SiC 晶圆打标的理想方案。然而，根据应用场景的不同，有时也需要更深的标记，例如，晶圆在打标后还需要进行镀膜或研磨处理的情况。针对这类需求，可通过对每个点施加多脉冲激光轻松增加打标深度，从而在不损失精度与可读性的前提下，灵活适配特定的生产工艺要求。图 6 中显示的点轮廓是由双脉冲加工而成的，其打标深度提升至 0.9 μm，同时点形状依旧保持平滑且对称。

图 6：使用双脉冲进行单点打标，可形成更深且形状对称的标记。

这种深度可灵活调控的特性，使激光打标工艺具备高度灵活性，既能满足常规溯源需求，也可适配先进半导体制造中要求更为严苛的后处理场景。

紧凑型激光器设计的优势

像 MKS Spectra-Physics Explorer 系列（图 7）这样的 DPSS 紫外纳秒激光器，兼具短纳秒脉宽与高峰值强度——这是在 SiC 等宽禁带材料上实现清晰、高对比度标记的关键要求。

图 7：MKS Spectra-Physics Explorer 系列激光器设计紧凑且通用性极强。

此外，该激光器能够满足空间受限的工业环境的核心要求：使用中无需额外冷却，且体积小巧。Explorer 激光器紧凑的设计（尺寸为 280 mm × 130 mm × 85.1 mm），使其可以经济高效地集成到生产线中；同时其低功耗和低散热特性，使其非常适用于对环境敏感的半导体制造场景。

结论

以 SiC 和 GaN 为代表的宽禁带半导体材料，凭借着更高的效率、更快的开关速度与更好的热稳定性，在众多应用中的表现均优于传统硅材料。然而，宽禁带半导体材料独特的光学与热学特性在推动元器件进一步微型化的同时，也对打标工艺提出了更高要求。显然，SiC 和 GaN 需要定制化的打标方案。

MKS 公司采用 Explorer One HE 355-200 UV 激光器进行的测试表明，该激光器可在 SiC 晶圆上实现高精度、高对比度打标。凭借 200 μJ 的脉冲能量与短脉宽优势，使用该激光器仅通过单次脉冲即可获得出色的标记点均匀性，且热影响极小。紧凑的设计，使该款激光器成为了下一代半导体制造的理想选择。（本文刊载于 Semiconductor Digest，作者：WOLFGANG KÖHLER，MKS公司Spectra-Physics 产品线高级产品经理）