З: Які основні технології використовуються для нарізання та обробки пластин SiC?
A:Карбід кремнію (SiC) має твердість, що поступається лише алмазу, і вважається дуже твердим і крихким матеріалом. Процес нарізання, який включає розрізання вирощених кристалів на тонкі пластини, є трудомістким і схильним до сколів. Як перший крок уКарбід кремніюПід час обробки монокристалів якість нарізання суттєво впливає на подальше шліфування, полірування та стоншування. Нарізання часто призводить до появи поверхневих та підповерхневих тріщин, що збільшує коефіцієнт поломки пластин та виробничі витрати. Тому контроль пошкодження поверхневих тріщин під час нарізання має вирішальне значення для вдосконалення виготовлення пристроїв з карбіду кремнію (SiC).
Серед відомих на даний момент методів різання SiC є різання фіксованим абразивом, різання вільно абразивом, лазерне різання, перенесення шарів (холодне розділення) та різання електроерозійним розпилюванням. Серед них зворотно-поступальне багатодротове різання з фіксованими алмазними абразивами є найпоширенішим методом обробки монокристалів SiC. Однак, оскільки розміри злитків досягають 8 дюймів і більше, традиційне дротове різання стає менш практичним через високі вимоги до обладнання, вартість та низьку ефективність. Існує нагальна потреба в недорогих, низьковтратних та високоефективних технологіях різання.
З: Які переваги лазерного різання над традиційним багатодротяним різанням?
A: Традиційне різання дротом розрізаєЗлиток карбіду кремніювздовж певного напрямку на скибочки товщиною в кілька сотень мікронів. Потім скибочки шліфуються за допомогою алмазних суспензій для видалення слідів пилки та підповерхневих пошкоджень, після чого проводиться хіміко-механічне полірування (ХМП) для досягнення глобальної планаризації, і, нарешті, очищення для отримання пластин SiC.
Однак, через високу твердість і крихкість SiC, ці кроки можуть легко спричинити деформацію, розтріскування, збільшення коефіцієнта поломки, підвищення виробничих витрат, а також призвести до високої шорсткості поверхні та забруднення (пил, стічні води тощо). Крім того, різання дротом є повільним і має низький вихід продукції. Оцінки показують, що традиційне багатодротове різання забезпечує лише близько 50% використання матеріалу, а до 75% матеріалу втрачається після полірування та шліфування. Ранні дані про закордонне виробництво вказували на те, що для виробництва 10 000 пластин може знадобитися приблизно 273 дні безперервного 24-годинного виробництва, що є дуже трудомістким процесом.
У вітчизняному масштабі багато компаній з вирощування кристалів SiC зосереджені на збільшенні потужності печей. Однак, замість того, щоб просто розширювати виробництво, важливіше розглянути питання про те, як зменшити втрати, особливо коли вихід кристалів ще не є оптимальним.
Обладнання для лазерного різання може значно зменшити втрати матеріалу та підвищити вихід продукції. Наприклад, використання однієї 20-міліметровоїЗлиток карбіду кремніюДротове різання може дати близько 30 пластин товщиною 350 мкм. Лазерне різання може дати понад 50 пластин. Якщо товщину пластини зменшити до 200 мкм, з одного злитка можна виготовити понад 80 пластин. Хоча дротове різання широко використовується для пластин розміром 6 дюймів і менше, різання 8-дюймового злитка SiC може зайняти 10–15 днів традиційними методами, що вимагає високоякісного обладнання та призводить до високих витрат з низькою ефективністю. За цих умов переваги лазерного різання стають очевидними, що робить його основною технологією майбутнього для 8-дюймових пластин.
Завдяки лазерному різанню час нарізання однієї 8-дюймової пластини може становити менше 20 хвилин, а втрати матеріалу на пластину – менше 60 мкм.
Підсумовуючи, порівняно з багатодротовим різанням, лазерне різання пропонує вищу швидкість, кращий вихід продукції, менші втрати матеріалу та чистішу обробку.
З: Які основні технічні проблеми лазерного різання SiC?
A: Процес лазерного нарізання включає два основні етапи: лазерну модифікацію та розділення пластин.
Основою лазерної модифікації є формування променя та оптимізація параметрів. Такі параметри, як потужність лазера, діаметр плями та швидкість сканування, впливають на якість абляції матеріалу та успіх подальшого розділення пластин. Геометрія модифікованої зони визначає шорсткість поверхні та складність розділення. Висока шорсткість поверхні ускладнює подальше шліфування та збільшує втрати матеріалу.
Після модифікації розділення пластин зазвичай досягається за допомогою зсувних сил, таких як холодне розтріскування або механічне напруження. Деякі побутові системи використовують ультразвукові перетворювачі для викликання вібрацій з метою розділення, але це може спричинити відколи та дефекти країв, що знижує кінцевий вихід.
Хоча ці два кроки не є за своєю суттю складними, невідповідності в якості кристалів — через різні процеси росту, рівні легування та розподіл внутрішніх напружень — суттєво впливають на складність різання, вихід продукту та втрати матеріалу. Просте визначення проблемних зон та коригування зон лазерного сканування може суттєво не покращити результати.
Ключ до широкого впровадження полягає в розробці інноваційних методів та обладнання, які можуть адаптуватися до широкого спектру якостей кристалів від різних виробників, оптимізації параметрів процесу та створенні систем лазерного різання з універсальним застосуванням.
З: Чи можна застосовувати технологію лазерного різання до інших напівпровідникових матеріалів, окрім SiC?
A:Технологія лазерного різання традиційно застосовувалася до широкого спектру матеріалів. У напівпровідниках вона спочатку використовувалася для нарізання пластин, а з того часу поширилася на нарізання великих монокристалів.
Окрім SiC, лазерне різання також може використовуватися для інших твердих або крихких матеріалів, таких як алмаз, нітрид галію (GaN) та оксид галію (Ga₂O₃). Попередні дослідження цих матеріалів продемонстрували доцільність та переваги лазерного різання для напівпровідникових застосувань.
З: Чи існують зараз зрілі вітчизняні продукти для лазерного різання? На якому етапі знаходяться ваші дослідження?
A: Обладнання для лазерного різання SiC великого діаметра широко вважається основним обладнанням для майбутнього виробництва 8-дюймових SiC пластин. Наразі лише Японія може постачати такі системи, вони дорогі та підлягають експортним обмеженням.
Внутрішній попит на системи лазерного різання/витончення оцінюється приблизно в 1000 одиниць, виходячи з планів виробництва карбіду кремнію та існуючих потужностей дротяних пил. Великі вітчизняні компанії значно інвестували в розробку, але жодне зріле, комерційно доступне вітчизняне обладнання ще не досягло промислового впровадження.
Дослідницькі групи розробляють власну технологію лазерного відриву з 2001 року і тепер поширили її на лазерне різання та стоншування карбіду кремнію великого діаметра. Вони розробили прототип системи та процеси різання, здатні: Різати та стоншувати напівізолюючі пластини карбіду кремнію діаметром 4–6 дюймів; Нарізати провідні злитки карбіду кремнію діаметром 6–8 дюймів. Еталонні показники продуктивності: Напівізолюючий карбід кремнію діаметром 6–8 дюймів: час різання 10–15 хвилин/пластина; втрати матеріалу <30 мкм; Провідний карбід кремнію діаметром 6–8 дюймів: час різання 14–20 хвилин/пластина; втрати матеріалу <60 мкм.
Очікуваний вихід пластин збільшився більш ніж на 50%
Після нарізання пластини після шліфування та полірування відповідають національним стандартам геометрії. Дослідження також показують, що лазерно-індуковані теплові ефекти не суттєво впливають на напруження або геометрію пластин.
Це ж обладнання також використовувалося для перевірки можливості розрізання монокристалів алмазу, GaN та Ga₂O₃.
Час публікації: 23 травня 2025 р.