K: Melyek a SiC ostyák szeletelésében és feldolgozásában használt fő technológiák?
A:Szilícium-karbid A (SiC) keménysége a gyémánt után a második helyen áll, és rendkívül kemény és törékeny anyagnak számít. A szeletelési folyamat, amely során a megnövesztett kristályokat vékony lapkákra vágják, időigényes és hajlamos a lepattogzásra. Az első lépés aSicAz egykristályos feldolgozás során a szeletelés minősége jelentősen befolyásolja a későbbi csiszolást, polírozást és vékonyítást. A szeletelés gyakran felületi és felület alatti repedéseket okoz, ami növeli a lapka törési arányát és a gyártási költségeket. Ezért a felületi repedések károsodásának szabályozása a szeletelés során kulcsfontosságú a SiC eszközök gyártásának előmozdításához.
A jelenleg ismert SiC szeletelési módszerek közé tartozik a fix abrazív, a szabad abrazív szeletelés, a lézervágás, a rétegátvitel (hidegelválasztás) és az elektromos kisüléses szeletelés. Ezek közül a fix gyémánt abrazívokkal végzett, többhuzalos dugattyús szeletelés a leggyakrabban használt módszer a SiC egykristályok feldolgozására. Azonban, ahogy a tuskó mérete eléri a 8 hüvelyket és afelett, a hagyományos huzalvágás kevésbé praktikussá válik a magas berendezésigény, a költségek és az alacsony hatékonyság miatt. Sürgősen szükség van alacsony költségű, alacsony veszteségű, nagy hatékonyságú szeletelési technológiákra.
K: Milyen előnyei vannak a lézeres vágásnak a hagyományos többszálas vágással szemben?
A: A hagyományos drótfűrészelés elvágja aSiC öntvényegy adott irányban több száz mikron vastag szeletekre. A szeleteket ezután gyémántszuszpenziókkal csiszolják a fűrésznyomok és a felület alatti sérülések eltávolítására, majd kémiai mechanikai polírozással (CMP) érik el a globális síkosítást, végül pedig megtisztítják, hogy SiC szeleteket kapjanak.
A SiC nagy keménysége és ridegsége miatt azonban ezek a lépések könnyen vetemedést, repedést, megnövekedett törési arányt, magasabb termelési költségeket, valamint nagy felületi érdességet és szennyeződést (por, szennyvíz stb.) okozhatnak. Ezenkívül a huzalvágás lassú és alacsony hozamú. A becslések azt mutatják, hogy a hagyományos többhuzalos szeletelés csak körülbelül 50%-os anyagkihasználást ér el, és a polírozás és csiszolás után az anyag akár 75%-a is elvész. A korai külföldi termelési adatok azt mutatták, hogy 10 000 ostya előállítása körülbelül 273 nap folyamatos 24 órás gyártást igényelhet – ami nagyon időigényes.
Belföldön számos SiC kristálynövesztő vállalat a kemencekapacitás növelésére összpontosít. A termelés bővítése helyett azonban fontosabb megfontolni a veszteségek csökkentésének módját – különösen akkor, ha a kristálynövekedés hozama még nem optimális.
A lézeres szeletelő berendezések jelentősen csökkenthetik az anyagveszteséget és növelhetik a hozamot. Például egyetlen 20 mm-esSiC öntvényDrótfűrészeléssel körülbelül 30 darab, 350 μm vastagságú ostya állítható elő. Lézeres szeletelés esetén több mint 50 ostya is előállítható. Ha az ostya vastagságát 200 μm-re csökkentjük, ugyanabból a tuskából több mint 80 ostya állítható elő. Míg a drótfűrészelést széles körben alkalmazzák a 6 hüvelykes és kisebb ostyákhoz, egy 8 hüvelykes SiC tuskó szeletelése a hagyományos módszerekkel 10-15 napot is igénybe vehet, csúcskategóriás berendezéseket igényel, magas költségekkel jár alacsony hatékonyság mellett. Ilyen körülmények között a lézeres szeletelés előnyei egyértelművé válnak, és a 8 hüvelykes ostyák jövőbeli technológiájává válnak.
Lézervágással a 8 hüvelykes ostya szeletelési ideje 20 perc alatt lehet, az anyagveszteség pedig ostyánként 60 μm alatt lehet.
Összefoglalva, a többszálas vágáshoz képest a lézeres szeletelés nagyobb sebességet, jobb hozamot, alacsonyabb anyagveszteséget és tisztább feldolgozást kínál.
K: Melyek a főbb technikai kihívások a SiC lézeres szeletelésben?
A: A lézeres szeletelési folyamat két fő lépésből áll: lézeres módosítás és ostyaszétválasztás.
A lézeres módosítás lényege a nyalábformálás és a paraméterek optimalizálása. Az olyan paraméterek, mint a lézerteljesítmény, a foltátmérő és a pásztázási sebesség, mind befolyásolják az anyagabláció minőségét és a későbbi szeletszétválasztás sikerességét. A módosított zóna geometriája határozza meg a felületi érdességet és az elválasztás nehézségét. A nagy felületi érdesség bonyolítja a későbbi csiszolást és növeli az anyagveszteséget.
A módosítás után a lapkák szétválasztását jellemzően nyíróerők, például hidegtörés vagy mechanikai igénybevétel révén érik el. Egyes háztartási rendszerek ultrahangos átalakítókat használnak a rezgések kiváltására az elválasztáshoz, de ez lepattogzást és élhibákat okozhat, csökkentve a végső hozamot.
Bár ez a két lépés nem eredendően nehéz, a kristályminőség egyenetlenségei – az eltérő növekedési folyamatok, adalékolási szintek és a belső feszültségeloszlás miatt – jelentősen befolyásolják a szeletelés nehézségét, a hozamot és az anyagveszteséget. A problémás területek azonosítása és a lézerszkennelési zónák beállítása önmagában nem feltétlenül javítja jelentősen az eredményeket.
A széles körű elterjedés kulcsa az innovatív módszerek és berendezések fejlesztésében rejlik, amelyek alkalmazkodni tudnak a különböző gyártók kristályminőségeinek széles skálájához, optimalizálják a folyamatparamétereket, és univerzálisan alkalmazható lézeres szeletelő rendszerek építésében.
K: Alkalmazható-e a lézeres szeletelési technológia a SiC-n kívül más félvezető anyagokon is?
A: A lézervágási technológiát történelmileg számos anyag esetében alkalmazták. A félvezetőknél kezdetben szeletekre vágták, majd azóta kiterjedt a nagyméretű egykristályok szeletelésére is.
A SiC-on kívül a lézeres szeletelés más kemény vagy rideg anyagok, például gyémánt, gallium-nitrid (GaN) és gallium-oxid (Ga₂O₃) megmunkálására is alkalmazható. Az ezen anyagokkal kapcsolatos előzetes tanulmányok igazolták a lézeres szeletelés megvalósíthatóságát és előnyeit félvezető alkalmazásokban.
K: Vannak jelenleg kiforrott hazai lézeres szeletelő berendezések? Milyen szakaszban van a kutatásuk?
A: A nagy átmérőjű SiC lézeres szeletelő berendezéseket széles körben a 8 hüvelykes SiC ostyagyártás jövőjének központi berendezésének tekintik. Jelenleg csak Japán tud ilyen rendszereket szállítani, ezek drágák és exportkorlátozások alá esnek.
A lézeres szeletelő/vékonyító rendszerek iránti belföldi keresletet a SiC gyártási tervei és a meglévő drótfűrész-kapacitás alapján körülbelül 1000 egységre becsülik. A nagyobb hazai vállalatok jelentős összegeket fektettek be a fejlesztésbe, de ipari alkalmazásra még nem került sor kiforrott, kereskedelmi forgalomban kapható hazai berendezések esetében.
Kutatócsoportok 2001 óta fejlesztenek saját fejlesztésű lézeres kiemelési technológiát, és ezt most kiterjesztették nagy átmérőjű SiC lézeres szeletelésére és vékonyítására. Kifejlesztettek egy prototípus rendszert és szeletelési folyamatokat, amelyek képesek a következőkre: 4–6 hüvelykes félszigetelő SiC szeletek vágása és vékonyítása 6–8 hüvelykes vezetőképes SiC tömbök szeletelése Teljesítménymutatók: 6–8 hüvelykes félszigetelő SiC: szeletelési idő 10–15 perc/szelet; anyagveszteség <30 μm 6–8 hüvelykes vezetőképes SiC: szeletelési idő 14–20 perc/szelet; anyagveszteség <60 μm
A becsült ostyahozam több mint 50%-kal nőtt
A szeletelést követően a csiszolás és polírozás után a lapkák megfelelnek a geometriára vonatkozó országos szabványoknak. A tanulmányok azt is kimutatták, hogy a lézer által kiváltott hőhatások nem befolyásolják jelentősen a lapkák feszültségét vagy geometriáját.
Ugyanezt a berendezést használták a gyémánt, GaN és Ga₂O₃ egykristályok szeletelésének megvalósíthatóságának ellenőrzésére is.
Közzététel ideje: 2025. május 23.