Siliziumkarbid (SiC) spielt aufgrund seiner herausragenden mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften eine entscheidende Rolle in fortschrittlichen industriellen Anwendungen wie Halbleitern, Hochtemperaturgeräten und verschleißfesten Beschichtungen. Seine extreme Härte, hohe chemische Beständigkeit und große Bandlücke machen herkömmliche Bearbeitungsmethoden jedoch ineffizient und kostspielig. Die Laserbearbeitung, die sich durch hohe Präzision, hohen Wirkungsgrad und berührungslose Arbeitsweise auszeichnet, hat sich daher als Schlüsseltechnologie für die SiC-Herstellung etabliert. Insbesondere die jüngsten Fortschritte in der Ultrakurzlasertechnologie haben die Verarbeitungsmöglichkeiten von SiC erheblich erweitert und die Nachfrage aus Hightech-Industrien, insbesondere der Halbleiterherstellung, rasant gesteigert.
Dieser Überblick untersucht systematisch den Stand der Technik in der Laserbearbeitung von SiC und behandelt Lasersysteme, grundlegende Interaktionsmechanismen, neue Techniken, Anwendungen und aktuelle Herausforderungen. Oberflächenbearbeitungstechnologien—einschließlich Schneiden, Bohren, Mikrostrukturierung, Polieren sowie Laser-Stealth-Dicing und -Slicing—werden detailliert erörtert. Abschließend werden die Anwendungen von SiC in verschiedenen Bereichen zusammengefasst und eine kritische Analyse der bestehenden Herausforderungen, zukünftigen Forschungsrichtungen und neuen Möglichkeiten vorgestellt, die dieses sich rasch entwickelnde Feld prägen könnten.

1. Einführung

Siliziumkarbid (SiC) ist ein Halbleitermaterial mit großer Bandlücke, das aufgrund seiner außergewöhnlichen Härte, hohen Wärmeleitfähigkeit, überlegenen chemischen Trägheit und hervorragenden elektrischen Leistung bei hohen Temperaturen und hohen Spannungen große Aufmerksamkeit erregt hat. Diese Eigenschaften machen SiC in der Leistungselektronik, Optoelektronik, Luft- und Raumfahrt, Hochtemperaturgeräten und verschleißfesten Komponenten unverzichtbar. Trotz seiner Vorteile stellen die inhärenten Materialeigenschaften von SiC erhebliche Herausforderungen für traditionelle mechanische und chemische Bearbeitungsprozesse dar, insbesondere in Bezug auf Werkzeugverschleiß, geringen Wirkungsgrad und begrenzte erreichbare Präzision.

Die Laserbearbeitung hat sich als leistungsstarke Alternative herauskristallisiert, die berührungsloses Arbeiten, hohe räumliche Auflösung und die Fähigkeit zur Bearbeitung komplexer Geometrien bietet. Die rasante Entwicklung der Ultrakurzlasertechnologien—insbesondere Femtosekunden- und Pikosekundenlaser—hat die Steuerbarkeit und Qualität der SiC-Bearbeitung durch Reduzierung der thermischen Schädigung und Verbesserung der Maßgenauigkeit weiter verbessert. Folglich hat sich die laserbasierte SiC-Bearbeitung zu einem Forschungsschwerpunkt und einer Schlüsseltechnologie für Halbleiter und Hochleistungsgeräte der nächsten Generation entwickelt.

2. Eigenschaften von SiC und Laserbearbeitungstechnologien

Die Vielfalt der Laserbearbeitungsanwendungen für SiC spiegelt die Vielfalt seiner Kristallstrukturen und Eigenschaften wider (Abbildung 1 und Abbildung 3). Verschiedene SiC-Polytypen, wie z. B. 4H-SiC und 6H-SiC, weisen unterschiedliche Gitteranordnungen, anisotrope Eigenschaften und optische Absorptionsverhalten auf, die alle die Laser–Material-Wechselwirkungen stark beeinflussen.

Moderne Laserbearbeitungssysteme für SiC umfassen eine Vielzahl von Konfigurationen (Abbildung 4), darunter objektbasierte Fokussiersysteme, Galvanometer-Scansysteme, Doppelimpuls-Bestrahlungsaufbauten, Femtosekundenlaser mit quadratischen Flachstrahlen, vektorpolarisierte Laser, hybride Vektorstrahlsysteme, asynchrone Doppelstrahl-Schneidkonfigurationen, Laser–Wasserstrahl-Hybridsysteme, wassergeführte Laser und Unterwasser-Laserbearbeitungsplattformen. Diese Systeme sind darauf ausgelegt, die Energiezufuhr anzupassen, die Entfernung von Ablagerungen zu verbessern, thermische Effekte zu unterdrücken und die Verarbeitungsqualität zu verbessern.

3. Laser–SiC-Interaktionsmechanismen

Das Verständnis der Laser–Material-Interaktionsmechanismen ist für die Optimierung der SiC-Laserbearbeitung unerlässlich. Wie in den Abbildungen 5–7 dargestellt, induziert die Laserbestrahlung eine Reihe komplexer physikalischer Prozesse, darunter Photonenabsorption, Trägeranregung, Elektron–Phonon-Kopplung, Wärmediffusion, Phasenübergänge und Materialabtragung.

Bei der Langpuls-Laserbearbeitung dominieren thermische Effekte, die häufig zu Schmelzen, Rekristallisation, Rekastschichten und Restspannungsansammlungen führen. Diese Effekte können zu Rissbildung und -ausbreitung führen, insbesondere in sprödem SiC. Im Gegensatz dazu deponieren Ultrakurzlaserpulse Energie auf Zeitskalen, die kürzer sind als die Wärmediffusion, wodurch nicht-thermische oder schwach-thermische Ablationsmechanismen ermöglicht werden, die die wärmebeeinflusste Zone (HAZ) erheblich reduzieren. Einzelimpulsbestrahlung kann zu lokaler Gitterverformung und Schmelzbadbildung führen, während Mehrfachimpulsbestrahlung laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen (LIPSS) und Untergrundhohlräume induzieren kann.

Fortschrittliche Diagnose- und Charakterisierungstechniken (Abbildung 8), wie z. B. akustische Emissionsüberwachung, Plasma-Plume-Bildgebung, zeitaufgelöste ICCD-Fotografie, Röntgen-Computertomographie (XCT) und optische Kohärenztomographie (OCT), liefern wertvolle Einblicke in die Defektbildung, interne Modifikationen und die Ablationsdynamik während der Laserbearbeitung.

4. Laserbearbeitungstechniken für SiC

4.1 Schneiden, Bohren und Mikrostrukturierung

Laserschneiden und -bohren werden häufig zum Formen von SiC-Komponenten und zur Herstellung von Mikro- und Nanostrukturen verwendet. Der Einfluss von Laserparametern—wie Wellenlänge, Pulsdauer, Wiederholrate, Pulsenergie, Strahlprofil und Bearbeitungsumgebung—auf die Lochmorphologie und Oberflächenqualität wurde ausführlich untersucht (Abbildungen 11 und 12). Die Kombination von Laserbestrahlung mit chemischem Ätzen verbessert die Merkmalsqualität und das Seitenverhältnis weiter und ermöglicht die Herstellung hochpräziser Mikrolöcher und -kanäle.

4.2 Oberflächenmodifizierung und Polieren

Die Laser-Oberflächentexturierung verbessert die tribologische Leistung, die thermische Stabilität und die funktionellen Eigenschaften von SiC-Oberflächen, was insbesondere für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und der Verteidigung von Bedeutung ist. Das Ultrakurzlaserpolieren hat auch das Potenzial gezeigt, die Oberflächengüte zu verbessern und gleichzeitig die Schädigung des Untergrunds zu minimieren.

4.3 Interne Modifizierung und Wellenleiterherstellung

Das Femtosekunden-Laser-Direktschreiben (FSLDW) ermöglicht die dreidimensionale Modifizierung von SiC-Grundmaterialien und ermöglicht die Herstellung von eingebetteten Wellenleitern und photonischen Strukturen (Abbildung 15). Solche Fähigkeiten eröffnen neue Wege für integrierte Photonik und optoelektronische Geräte auf SiC-Basis.

4.4 Laser-Stealth-Dicing und -Slicing

Laser-Stealth-Dicing (LSD) und hybride Laserslicing-Techniken stellen fortschrittliche Ansätze für die Wafer-Level-Bearbeitung von SiC dar (Abbildungen 16 und 18). Durch die Induktion kontrollierter interner Modifikationsschichten und die anschließende Rissausbreitung oder selektive Ätzung ermöglichen diese Methoden eine hochwertige Trennung mit minimaler Oberflächenbeschädigung, was für die Herstellung von Halbleitersubstraten von entscheidender Bedeutung ist.

5. Anwendungen von laserbearbeitetem SiC

Laserbearbeitetes SiC hat in verschiedenen Bereichen weitreichende Anwendungen gefunden (Abbildung 19). In der Halbleiterindustrie sind Lasertechnologien integraler Bestandteil der Herstellung von Hochleistungs-Leistungsbauelementen, MEMS und optoelektronischen Komponenten (Abbildungen 21). Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen profitieren von erhöhter Verschleißfestigkeit und thermischer Stabilität, die durch Laser-Oberflächentechnik erreicht werden. In der Biomedizintechnik machen die Biokompatibilität und chemische Stabilität von SiC es zu einem attraktiven Material für fortschrittliche Sensoren und implantierbare Geräte.

6. Herausforderungen und Zukunftsperspektiven

Trotz erheblicher Fortschritte schränken mehrere Herausforderungen weiterhin die großindustrielle Einführung der Laserbearbeitung für SiC ein. Thermisch induzierte Rissbildung, insbesondere unter Langpuls-Laserbestrahlung, bleibt ein großes Problem. Darüber hinaus stellt das Erreichen eines optimalen Gleichgewichts zwischen Materialabtragsrate (MRR) und Oberflächenqualität sowie die Komplexität der Laserparameteroptimierung erhebliche Hindernisse für die Prozessskalierbarkeit und Kosteneffizienz dar.

Aus wissenschaftlicher Sicht ist eine tiefere Untersuchung der Laser–SiC-Interaktionsmechanismen erforderlich. Fortschrittliche numerische Simulationen in Kombination mit datengesteuerten und durch künstliche Intelligenz unterstützten Optimierungsstrategien werden voraussichtlich eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Prozesssteuerbarkeit und -wiederholbarkeit spielen. Darüber hinaus ist weitere Forschung zur dreidimensionalen Mikro- und Massenbearbeitung von SiC unerlässlich, um den strengen Anforderungen der Luft- und Raumfahrt, der Halbleiterindustrie und der biomedizinischen Anwendungen gerecht zu werden.

Aus industrieller Sicht ist die Entwicklung von Hochleistungslaserquellen mit höherer Leistung, höheren Wiederholraten und einstellbaren Pulsdauern angesichts der großen Bandlücke und des hohen Schmelzpunkts von SiC von entscheidender Bedeutung. Die Integration von Laserbearbeitungssystemen mit Robotik und intelligenten Steuerplattformen ermöglicht vollautomatische Fertigungsabläufe, wodurch die Effizienz gesteigert und gleichzeitig die Umweltbelastung reduziert wird.

7. Schlussfolgerungen

SiC ist ein vielseitiges und strategisch wichtiges Material, dessen außergewöhnliche Eigenschaften seiner weit verbreiteten Verwendung in Halbleitern, Hochtemperaturgeräten und fortschrittlichen technischen Anwendungen zugrunde liegen. Die Laserbearbeitung hat sich als der vielversprechendste Ansatz zur Überwindung der inhärenten Bearbeitungsprobleme von SiC erwiesen und bietet unübertroffene Präzision, Flexibilität und Skalierbarkeit. Dieser Überblick hat die jüngsten Fortschritte in der SiC-Laserbearbeitung umfassend zusammengefasst, einschließlich Lasersystemen, Interaktionsmechanismen, fortschrittlichen Techniken und Anwendungsbereichen.

Obwohl Herausforderungen wie thermische Rissbildung, Prozessoptimierungskomplexität und Skalierbarkeit bestehen bleiben, werden weitere Fortschritte in der Ultrakurzlasertechnologie, hybriden Bearbeitungsverfahren und intelligenten Steuerungssystemen voraussichtlich weitere Durchbrüche vorantreiben. Durch kontinuierliche multidisziplinäre Innovation wird die Laserbearbeitung die Rolle von SiC in der fortschrittlichen Materialherstellung und in hochmodernen technischen Lösungen weiter stärken und eine solide theoretische und technologische Unterstützung für zukünftige wissenschaftliche Forschung und industrielle Anwendungen bieten.