Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC), λόγω των εξαιρετικών μηχανικών, θερμικών και ηλεκτρικών του ιδιοτήτων, διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο σε προηγμένες βιομηχανικές εφαρμογές όπως ημιαγωγοί,συσκευές υψηλής θερμοκρασίαςΩστόσο, η εξαιρετική σκληρότητα, η υψηλή χημική σταθερότητα και το μεγάλο εύρος ζώνης καθιστούν τις συμβατικές μεθόδους επεξεργασίας αναποτελεσματικές και δαπανηρές.που χαρακτηρίζονται από υψηλή ακρίβειαΗ υψηλή απόδοση και η λειτουργία χωρίς επαφή έχουν ως εκ τούτου αναδειχθεί σε βασική τεχνολογία για την κατασκευή SiC.Οι πρόσφατες εξελίξεις στις τεχνολογίες υπερταχείων λέιζερ έχουν επεκτείνει σημαντικά τις δυνατότητες επεξεργασίας του SiC, οδηγώντας την ταχέως αυξανόμενη ζήτηση από τις βιομηχανίες υψηλής τεχνολογίας, ιδίως την παραγωγή ημιαγωγών.
Η παρούσα ανασκόπηση εξετάζει συστηματικά την κατάσταση της τεχνολογίας στην επεξεργασία με λέιζερ του SiC, καλύπτοντας συστήματα λέιζερ, βασικούς μηχανισμούς αλληλεπίδρασης, αναδυόμενες τεχνικές, εφαρμογές,και τις σημερινές προκλήσειςΟι τεχνολογίες επεξεργασίας της επιφάνειας, συμπεριλαμβανομένης της κοπής, της τρύπωσης, της μικροδομής, της γυαλιστερότητας, καθώς και της αόρατης κοπής και κοπής με λέιζερ, συζητούνται λεπτομερώς.συνοψίζονται οι εφαρμογές του SiC σε διάφορους τομείς, και παρουσιάζεται μια κριτική ανάλυση των υφιστάμενων προκλήσεων, των μελλοντικών κατευθύνσεων έρευνας και των αναδυόμενων ευκαιριών που μπορεί να διαμορφώσουν αυτόν τον ταχέως εξελισσόμενο τομέα.

1Εισαγωγή

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα υλικό ημιαγωγών ευρείας ζώνης που έχει προσελκύσει σημαντική προσοχή λόγω της εξαιρετικής σκληρότητάς του, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, της ανώτερης χημικής αδράνειας,και εξαιρετικές ηλεκτρικές επιδόσεις σε υψηλές θερμοκρασίες και υψηλές τάσειςΟι ιδιότητες αυτές καθιστούν το SiC απαραίτητο για την ηλεκτρονική ισχύ, την οπτοηλεκτρονική, τα αεροδιαστημικά συστήματα, τον εξοπλισμό υψηλής θερμοκρασίας και τα ανθεκτικά στην φθορά εξαρτήματα.οι εγγενείς ιδιότητες υλικού του SiC θέτουν σημαντικές προκλήσεις στις παραδοσιακές μηχανικές και χημικές διαδικασίες επεξεργασίας, ιδιαίτερα όσον αφορά την φθορά του εργαλείου, τη χαμηλή απόδοση και την περιορισμένη επίτευξη της ακρίβειας.

Η επεξεργασία με λέιζερ έχει εξελιχθεί σε μια ισχυρή εναλλακτική λύση, προσφέροντας λειτουργία χωρίς επαφή, υψηλή χωρική ανάλυση και τη δυνατότητα επεξεργασίας σύνθετων γεωμετριών. 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 accuracyΩς εκ τούτου, η επεξεργασία SiC με βάση το λέιζερ έχει γίνει ερευνητικό κέντρο και μια τεχνολογία για την επόμενη γενιά ημιαγωγών και συσκευών υψηλής απόδοσης.

2Ιδιότητες των τεχνολογιών επεξεργασίας SiC και laser

Η ποικιλία των εφαρμογών επεξεργασίας λέιζερ για το SiC αντικατοπτρίζει την ποικιλία των κρυσταλλικών δομών και ιδιοτήτων του (Σχήμα 1 και Σχήμα 3).4H-SiCκαι6H-SiC, παρουσιάζουν ξεχωριστές διαταγές πλέγματος, ανιστροπικές ιδιότητες και συμπεριφορές οπτικής απορρόφησης, οι οποίες επηρεάζουν έντονα τις αλληλεπιδράσεις λέιζερ-υλικό.

Τα σύγχρονα συστήματα επεξεργασίας λέιζερ για το SiC περιλαμβάνουν ένα ευρύ φάσμα διαμορφώσεων (Σχήμα 4), συμπεριλαμβανομένων των συστημάτων εστίασης με βάση αντικείμενα, των συστημάτων σάρωσης με γαλβανόμετρο, των ρυθμίσεων διπλής ακτινοβολίας,Λάιζερ femtosecond με τετράγωνες ακτίνες επίπεδης κορυφής, διανυσματικά πολωμένα λέιζερ, υβριδικά συστήματα δέσμης διανυσματικών δέσμων, ασύγχρονες διαμορφώσεις κοπής διπλής δέσμης, υβριδικά συστήματα ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρεύματοςΤα συστήματα αυτά έχουν σχεδιαστεί για να προσαρμόζουν την παροχή ενέργειας, βελτιώνει την απομάκρυνση των απορριμμάτων, καταπατά τις θερμικές επιπτώσεις και βελτιώνει την ποιότητα της επεξεργασίας.

3. Μηχανισμοί αλληλεπίδρασης λέιζερ-SiC

Η κατανόηση των μηχανισμών αλληλεπίδρασης του λέιζερ-υλικό είναι απαραίτητη για τη βελτιστοποίηση της επεξεργασίας λέιζερ SiC.συμπεριλαμβανομένης της απορρόφησης φωτονίων, συναρπασμός φορέα, σύνδεση ηλεκτρονίων-φονόνων, διάχυση θερμότητας, μεταβάσεις φάσης και αφαίρεση υλικού.

Στην επεξεργασία με λέιζερ μεγάλου παλμού, κυριαρχούν θερμικές επιδράσεις, οι οποίες συχνά οδηγούν σε τήξη, επανασυσσωμάτωση, αναδιαμόρφωση στρωμάτων και συσσώρευση υπολειμμάτων άγχους.Αυτά τα αποτελέσματα μπορούν να οδηγήσουν στην έναρξη των ρωγμών και την εξάπλωσηΑντίθετα, τα υπερταχεία παλμούς λέιζερ αποθηκεύουν ενέργεια σε χρονικές κλίμακες μικρότερες από τη θερμική διάχυση.που επιτρέπουν μη θερμικούς ή αδύναμους θερμικούς μηχανισμούς αφαίρεσης που μειώνουν σημαντικά την θερμική ζώνη (HAZ)Η ακτινοβολία με έναν μόνο παλμό μπορεί να προκαλέσει τοπική στρέβλωση του πλέγματος και σχηματισμό λίμνης τήξης.Ενώ η πολλαπλή ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει περιοδικές δομές επιφάνειας που προκαλούνται από λέιζερ (LIPSS) και υποεπιφανειακά κενά.

Προηγμένες τεχνικές διάγνωσης και χαρακτηρισμού (Σχήμα 8), όπως η παρακολούθηση των ακουστικών εκπομπών, η απεικόνιση με πλάσμα, η φωτογραφία ICCD με χρονική ανάλυση, η X-ray computed tomography (XCT),και οπτική τομογραφία συνοχής (OCT), παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τη δημιουργία ελαττωμάτων, τις εσωτερικές τροποποιήσεις και τη δυναμική αφαίρεσης κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας με λέιζερ.

4Τεχνικές επεξεργασίας λέιζερ για SiC

4.1 Κόψιμο, γεωτρήσεις και μικροδιαρθρώσεις

Το laser cutting και το laser drilling χρησιμοποιούνται ευρέως για τη διαμόρφωση συστατικών SiC και την κατασκευή χαρακτηριστικών σε μικρο- και νανοκλίμακα.ποσοστό επανάληψηςΗ διαμόρφωση των οπών και η ποιότητα της επιφάνειας έχουν μελετηθεί εκτενώς (Σχήματα 11 και 12).Ο συνδυασμός ακτινοβολίας λέιζερ με χημική χαρακτική βελτιώνει περαιτέρω την ποιότητα των χαρακτηριστικών και την αναλογία όψεων, επιτρέποντας την κατασκευή μικροτρυπών και καναλιών υψηλής ακρίβειας.

4.2 Τροποποίηση και γυάλωση επιφάνειας

Η υφή με λέιζερ βελτιώνει την τριβολογική απόδοση, τη θερμική σταθερότητα και τις λειτουργικές ιδιότητες των επιφανειών SiC, η οποία είναι ιδιαίτερα πολύτιμη για αεροδιαστημικές και αμυντικές εφαρμογές.Η υπερταχεία γυάλωση με λέιζερ έχει επίσης αποδείξει τη δυνατότητα βελτίωσης της επιφάνειας ενώ ταυτόχρονα ελαχιστοποιεί τη ζημιά κάτω από την επιφάνεια.

4.3 Εσωτερική τροποποίηση και κατασκευή κυματοδηγού

Η άμεση γραφή με λέιζερ πέντε δευτερολέπτων (FSLDW) επιτρέπει την τρισδιάστατη τροποποίηση χονδρικών υλικών SiC, επιτρέποντας την κατασκευή ενσωματωμένων κυματοδηγών και φωτονικών δομών (σχήμα 15).Τέτοιες δυνατότητες ανοίγουν νέους δρόμους για ολοκληρωμένες φωτονικές και οπτοηλεκτρονικές συσκευές βασισμένες στο SiC.

4.4 Κουβέντες και τεμαχισμοί αόρατα με λέιζερ

Οι τεχνικές laser stealth dicing (LSD) και hybrid laser slicing αποτελούν προηγμένες προσεγγίσεις για την επεξεργασία του SiC σε επίπεδο κυψελών (εικόνα 16 και 18).Με την πρόκληση ελεγχόμενων εσωτερικών στρωμάτων τροποποίησης και επακόλουθης διάδοσης ρωγμών ή επιλεκτικής χαρακτικής, οι μέθοδοι αυτές επιτρέπουν υψηλής ποιότητας διαχωρισμό με ελάχιστη ζημιά στην επιφάνεια, η οποία είναι κρίσιμη για την κατασκευή υποστρώματος ημιαγωγών.

5Εφαρμογές του SiC που επεξεργάζεται με λέιζερ

Το SiC που επεξεργάζεται με λέιζερ έχει ευρείες εφαρμογές σε πολλούς τομείς (Σχήμα 19).οι τεχνολογίες λέιζερ αποτελούν αναπόσπαστο μέρος της κατασκευής συσκευών υψηλής απόδοσηςΟι εφαρμογές στον τομέα της αεροδιαστημικής και της άμυνας επωφελούνται από τη βελτιωμένη αντοχή στην φθορά και τη θερμική σταθερότητα που επιτυγχάνεται μέσω της μηχανικής επιφάνειας λέιζερ.Στη βιοϊατρική μηχανική, η βιοσυμβατότητα και η χημική σταθερότητα του SiC το καθιστούν ελκυστικό υλικό για προηγμένους αισθητήρες και εμφυτεύσιμες συσκευές.

6Προκλήσεις και μελλοντικές προοπτικές

Παρά τις σημαντικές προόδους, αρκετές προκλήσεις εξακολουθούν να περιορίζουν τη μεγάλης κλίμακας βιομηχανική υιοθέτηση της επεξεργασίας λέιζερ για το SiC.ιδιαίτερα υπό ακτινοβολία λέιζερ μεγάλου παλμούΕπιπλέον, η επίτευξη μιας βέλτιστης ισορροπίας μεταξύ του ρυθμού αφαίρεσης υλικού (MRR) και της ποιότητας της επιφάνειας, καθώς και η πολυπλοκότητα της βελτιστοποίησης παραμέτρων με λέιζερ,δημιουργεί σημαντικά εμπόδια για την επεκτασιμότητα της διαδικασίας και την αποδοτικότητα του κόστους.

Από επιστημονική άποψη, απαιτούνται βαθύτερες έρευνες για τους μηχανισμούς αλληλεπίδρασης laser-SiC.σε συνδυασμό με στρατηγικές βελτιστοποίησης με βάση τα δεδομένα και την τεχνητή νοημοσύνη, αναμένεται να διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στην ενίσχυση της ελεγκτικότητας και της επαναληπτικότητας των διαδικασιών.Η περαιτέρω έρευνα σχετικά με την τρισδιάστατη μικρο- και χονδρική επεξεργασία του SiC είναι απαραίτητη για την κάλυψη των αυστηρών απαιτήσεων της αεροδιαστημικής βιομηχανίας., ημιαγωγών και βιοϊατρικών εφαρμογών.

Από βιομηχανική άποψη, η ανάπτυξη υψηλής απόδοσης πηγών λέιζερ με υψηλότερη ισχύ, υψηλότερα ποσοστά επανάληψης και ρυθμιζόμενες διάρκειες παλμών είναι κρίσιμη.δεδομένου του ευρέος διαχωρισμού ζώνης και του υψηλού σημείου τήξης του SiCΗ ολοκλήρωση των συστημάτων επεξεργασίας λέιζερ με ρομποτική και έξυπνες πλατφόρμες ελέγχου θα επιτρέψει την πλήρη αυτοματοποίηση των ροών εργασίας παραγωγής, βελτιώνοντας την αποτελεσματικότητα και μειώνοντας παράλληλα την περιβαλλοντική επίπτωση.

7Συμπεράσματα

Το SiC είναι ένα ευέλικτο και στρατηγικά σημαντικό υλικό των οποίων οι εξαιρετικές ιδιότητες υποστηρίζουν την ευρεία χρήση του σε ημιαγωγούς, συσκευές υψηλής θερμοκρασίας και προηγμένες εφαρμογές μηχανικής.Η επεξεργασία με λέιζερ έχει εξελιχθεί ως η πιο ελπιδοφόρα προσέγγιση για την αντιμετώπιση των εγγενών προκλήσεων μηχανικής του SiCΗ παρούσα ανασκόπηση συνοψίζει συνολικά τις πρόσφατες εξελίξεις στην επεξεργασία λέιζερ SiC, που περιλαμβάνουν συστήματα λέιζερ, μηχανισμούς αλληλεπίδρασης,προηγμένες τεχνικές, και τομείς εφαρμογής.

Παρόλο που παραμένουν προκλήσεις όπως η θερμική ρωγμάτωση, η πολυπλοκότητα της βελτιστοποίησης της διαδικασίας και η επεκτασιμότητα, οι συνεχιζόμενες εξελίξεις στις τεχνολογίες υπερταχείων λέιζερ, στις μεθόδους υβριδικής επεξεργασίας, στις τεχνολογίες ηλεκτρονικής ενέργειας και στις τεχνολογίες ηλεκτρονικού ρεύματος.και τα έξυπνα συστήματα ελέγχου αναμένεται να οδηγήσουν σε περαιτέρω ανακαλύψειςΜέσω της συνεχούς πολυεπιστημονικής καινοτομίας, η επεξεργασία με λέιζερ θα συνεχίσει να ενισχύει τον ρόλο του SiC στην προηγμένη κατασκευή υλικών και τις προηγμένες μηχανικές λύσεις.Παροχή ισχυρής θεωρητικής και τεχνολογικής υποστήριξης για μελλοντική επιστημονική έρευνα και βιομηχανικές εφαρμογές.