导读

在半导体、激光晶体和先进光学制造中，晶圆切片并不是一道附属性工序，而是一项直接牵动材料利用率、器件良率与制造成本的基础技术。切片越薄、表面质量越好、切片损耗越小，对于同样一块原材料就可以转化为更多高质量的晶片，后续抛光、外延和器件加工也就拥有更大的工艺余量。

长期以来，工业切割始终面临一个核心难题：切缝太宽，切口太粗糙。当前主流的晶圆切片技术包括金刚石线锯与激光辅助切片。二者均面临共同的物理极限：切口宽度通常为20–50微米。以厚度100微米的晶圆为例，切口体积占整片材料体积的约30%——这意味着近三分之一的昂贵材料被加工为碎屑或无法利用的损伤层，严重制约着成本和材料利用率。

针对这一瓶颈，研究团队提出了干涉散射光学断层切片（interferometric Scattering Optical Tomoslicing，i-SOT）技术。该技术并不单纯依赖焦斑本身完成切片，而是通过精确控制相邻飞秒激光脉冲之间的空间间隔，利用材料内部纳米种子的相干散射机制，引导纳米狭缝沿预定方向连续生长，最终将切片损耗降低到亚微米甚至亚10纳米，并实现了厚度低至6微米薄片的高效制备。

该成果以 “Interferometric Scattering for Optical Tomoslicing of Transparent Solids” 为题发表在 《Light:science & application》上。

研究内容

一、轴向分辨率与近邻效应：激光切片的核心挑战

采用飞秒激光在透明材料内部进行非接触式隐形切片，可以克服机械加工硬脆材料时应力损伤大、刀具磨损严重的难题。激光加工的精度，直接决定了切口的宽度和质量，进而影响切片损耗的大小。然而，激光加工的精度长期存在两个难以逾越的障碍：

（1）轴向分辨率受限。传统的激光加工受光学衍射极限和聚焦角度的物理限制，焦斑纵向长度远大于横向尺寸。即便采用高数值孔径（NA>0.9）物镜，轴向加工精度也仅能维持在约150纳米，且工作距离极短，无法用于厚晶锭的体内切片。在工业常用的低NA条件下，轴向分辨率退化至2–50微米。

（2）近邻效应。飞秒激光聚焦在透明材料内部加工时，焦点处光场会受到近邻效应的影响，即已经加工的结构对光场的散射使能量扩散，无法局限于原本的焦斑范围内，使加工精度大打折扣。

二、突破半个世纪的“轴向分辨率”瓶颈

清华大学精密仪器系孙洪波教授、方红华副教授（现中国人民大学教授）和柴源博士（第一作者），在研究飞秒激光加工熔融石英时发现了一个反常现象，可以克服光学衍射极限和“近邻效应”的限制：当激光焦点距离一个预先制备的纳米孔洞小于200纳米时，非但没有出现预期的能量衰减扩散，反而在附近自动生成一个全新的、尺寸相似的纳米孔洞。

图1：纳米孔洞的相干散射现象。

经过系统仿真与验证，他们揭开了谜底：这个纳米孔洞充当了“散射中心”，它被脉冲激励产生的散射光与入射光发生干涉，在纳米孔洞的附近形成特殊的干涉场，在特定位置上具有更强的光强（比入射光高出约一成），从而诱导出第二个纳米孔洞。新的孔洞又成为下一个散射中心——如此接力，形成一条纳米级精度的“纳米缝”结构。通过精确控制激光焦点相对于已有散射体的横向偏移量，能够精确调控次级纳米孔洞的位置。当偏移量恰当时，纳米孔洞会水平延伸——这正是横向切片最理想的条件。

三、“纳米级”切口

基于这一发现，团队开发了干涉散射光学断层切片（i-SOT） 技术，在石英玻璃内部加工出厚度仅为7纳米的切割面。

图2：纳米级切缝及可控延伸。

这一精度意味着什么？此前全球最好的激光轴向加工分辨率约为150纳米，且需要极高数值孔径的镜头，工作距离极短，无法用于厚材料的加工。而i-SOT使用普通镜头（数值孔径0.6）就能达到7纳米，相比光学衍射极限提高了2-3个数量级。且保留了充足的工作距离，可同时加工多层的切片。

更重要的是，该技术实现了对材料几乎“无损” 的加工。以晶圆切片为例，传统方法切口宽度约20-50微米，材料损耗约30%；i-SOT将切口压缩到亚微米甚至7纳米，使得质量损耗低于1%——近乎“无损切片”。

四、从“点”到“线”再到“面”：工业级加工效率

与传统逐点扫描不同，研究团队将飞秒激光整形为线状光场，使整条线上的纳米散射体同步发生干涉散射，如激光线锯般一次性形成纳米级厚度的切割面。在效率方面，实验室条件下已经实现了每秒1.2平方毫米的加工效率，若采用工业级高功率激光器，理论切片速度可达每秒400平方毫米，对于8英寸晶圆仅需不到80秒，完全具备产业化潜力。

图3：线光斑高效切割及石英切片。

五、半导体晶体材料的推广

该技术已在多种透明硬脆材料上验证成功，包括钇铝石榴石（YAG） 激光晶体和镁铝尖晶石（MgAl2O4）。团队成功制备了多层堆叠的YAG晶圆，单层厚度不到10微米，切缝宽度小于1微米，层间可自然分离。这些超薄晶圆还能进一步被加工成微孔阵列、异形薄片等复杂结构。

图4：晶体切片。

机械测试表明，厚度仅10微米的YAG悬臂梁可以弯曲45°而不破裂，其力学性能与完整晶体几乎一致——证明i-SOT加工不会引入明显的内应力或微裂纹。

图5：YAG悬臂梁力学测试。

总结与展望

i-SOT技术不仅解决了激光加工中长期存在的轴向分辨率瓶颈，更重要的是将“散射”从干扰源变为高精度加工的工具。研究团队表示，该方法有望推广至更广泛的透明固体体系，并推动激光晶体、MEMS及下一代半导体芯片的“无损”级晶圆切片。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02344-z