Harmadik generációs félvezető szubsztrát anyagként,szilícium-karbid (SiC)Az egykristály széleskörű alkalmazási lehetőségekkel rendelkezik a nagyfrekvenciás és nagy teljesítményű elektronikus eszközök gyártásában. A SiC feldolgozási technológiája döntő szerepet játszik a kiváló minőségű hordozóanyagok előállításában. Ez a cikk bemutatja a SiC feldolgozási technológiákkal kapcsolatos kutatások jelenlegi állapotát Kínában és külföldön egyaránt, elemezve és összehasonlítva a vágási, csiszolási és polírozási folyamatok mechanizmusait, valamint a szeletek síkfelületének és felületi érdességének trendjeit. Rámutat a SiC szeletek feldolgozásában meglévő kihívásokra is, és tárgyalja a jövőbeli fejlesztési irányokat.
Szilícium-karbid (SiC)A waferek kritikus alapvető anyagok a harmadik generációs félvezető eszközökhöz, és jelentős fontossággal és piaci potenciállal rendelkeznek olyan területeken, mint a mikroelektronika, a teljesítményelektronika és a félvezető világítástechnika. A rendkívül nagy keménység és kémiai stabilitás miatt...SiC egykristályokA hagyományos félvezető-feldolgozási módszerek nem teljesen alkalmasak a megmunkálásukra. Bár számos nemzetközi vállalat végzett kiterjedt kutatásokat a SiC egykristályok technikailag igényes feldolgozásával kapcsolatban, a vonatkozó technológiákat szigorúan bizalmasan kezelik.
Az utóbbi években Kína fokozta erőfeszítéseit a SiC egykristályos anyagok és eszközök fejlesztése terén. Az ország SiC eszköztechnológiájának fejlődését azonban jelenleg a feldolgozási technológiák és a szeletek minőségének korlátai korlátozzák. Ezért elengedhetetlen Kína számára a SiC feldolgozási képességeinek fejlesztése a SiC egykristályos szubsztrátok minőségének javítása, valamint gyakorlati alkalmazásuk és tömegtermelésük elérése érdekében.
A fő feldolgozási lépések a következők: vágás → durva csiszolás → finom csiszolás → durva polírozás (mechanikai polírozás) → finom polírozás (kémiai mechanikai polírozás, CMP) → ellenőrzés.
| Lépés | SiC ostyafeldolgozás | Hagyományos félvezető egykristályos anyagfeldolgozás |
| Vágás | Többszálas fűrészelési technológiát használ a SiC tömbök vékony szeletekre vágásához | Általában belső vagy külső átmérőjű pengevágási technikákat alkalmaz |
| Őrlés | Durva és finom csiszolásra osztva a fűrésznyomok és a vágás okozta károk eltávolítására | A csiszolási módszerek eltérőek lehetnek, de a cél ugyanaz |
| Polírozás | Durva és ultraprecíziós polírozást is tartalmaz mechanikai és kémiai mechanikai polírozással (CMP) | Általában kémiai mechanikai polírozást (CMP) is magában foglal, bár a konkrét lépések eltérőek lehetnek. |
SiC egykristályok vágása
A feldolgozás soránSiC egykristályokA vágás az első és rendkívül kritikus lépés. A szelet vágási folyamatból eredő görbülete, vetemedése és teljes vastagságváltozása (TTV) határozza meg a későbbi csiszolási és polírozási műveletek minőségét és hatékonyságát.
A vágószerszámok alakjuk szerint két csoportra oszthatók: belső átmérőjű (ID) gyémántfűrészek, külső átmérőjű (OD) gyémántfűrészek, szalagfűrészek és drótfűrészek. A drótfűrészek viszont mozgástípusuk szerint oda-vissza mozgó és hurok (végtelen) drótrendszerekre oszthatók. A csiszolóanyag vágási mechanizmusa alapján a drótfűrészes szeletelési technikák két típusra oszthatók: szabad abrazív drótfűrészelés és fix abrazív gyémántdrótfűrészelés.
1.1 Hagyományos vágási módszerek
A külső átmérőjű (OD) fűrészek vágási mélységét a fűrészlap átmérője korlátozza. A vágási folyamat során a fűrészlap rezgésre és eltérésre hajlamos, ami magas zajszintet és gyenge merevséget eredményez. A belső átmérőjű (ID) fűrészek gyémánt csiszolóanyagokat használnak a fűrészlap belső kerületén vágóélként. Ezek a fűrészlapok akár 0,2 mm vékonyak is lehetnek. Szeletelés közben az ID fűrészlap nagy sebességgel forog, miközben a vágandó anyag radiális irányban mozog a fűrészlap közepéhez képest, így a szeletelés ezen relatív mozgás révén valósul meg.
A gyémánt szalagfűrészek gyakori megállásokat és irányváltásokat igényelnek, a vágási sebességük pedig nagyon alacsony – jellemzően nem haladja meg a 2 m/s-ot. Emellett jelentős mechanikai kopásnak és magas karbantartási költségeknek vannak kitéve. A fűrészlap szélessége miatt a vágási sugár nem lehet túl kicsi, és a többszeletes vágás nem lehetséges. Ezeket a hagyományos fűrészszerszámokat az alap merevsége korlátozza, és nem tudnak ívelt vágásokat készíteni, illetve korlátozott a fordulási sugara. Csak egyenes vágásokra képesek, széles vágási réseket hoznak létre, alacsony a hozamuk, ezért alkalmatlanok a következő vágásokra:SiC kristályok.
1.2 Ingyenes csiszolóhuzalos fűrész Többszálas vágás
A szabadon abrazív drótfűrészes szeletelési technika a drót gyors mozgását használja ki az iszap bejuttatására a vágásba, lehetővé téve az anyag eltávolítását. Elsősorban egy oda-vissza mozgó szerkezetet alkalmaz, és jelenleg egy kiforrott és széles körben használt módszer az egykristályos szilícium hatékony, többszeletes vágására. A SiC-vágásban való alkalmazását azonban kevésbé vizsgálták.
A szabadonfutó drótfűrészek 300 μm-nél kisebb vastagságú lapkák megmunkálására alkalmasak. Alacsony vágási veszteséget biztosítanak, ritkán okoznak lepattogzást, és viszonylag jó felületi minőséget eredményeznek. Azonban az anyagleválasztási mechanizmus miatt – amely a csiszolóanyagok gördülésén és bemélyedésén alapul – a lapka felületén jelentős maradékfeszültség, mikrorepedések és mélyebb károsodási rétegek alakulnak ki. Ez a lapka vetemedéséhez vezet, megnehezíti a felületi profil pontosságának szabályozását, és növeli a következő feldolgozási lépések terhelését.
A vágási teljesítményt nagymértékben befolyásolja az iszap; szükséges a csiszolóanyagok élességének és az iszap koncentrációjának fenntartása. Az iszap kezelése és újrahasznosítása költséges. Nagy méretű tuskók vágásakor a csiszolóanyagok nehezen hatolnak be a mély és hosszú vágásokba. Azonos csiszolószemcseméret mellett a vágási veszteség nagyobb, mint az állandó csiszolású drótfűrészeknél.
1.3 Fix csiszoló gyémánt drótfűrész Többszálas vágás
A fix abrazív gyémántdrótfűrészeket jellemzően úgy készítik, hogy gyémántrészecskéket ágyaznak be acélhuzal hordozóra galvanizálás, szinterezés vagy gyantakötési módszerekkel. A galvanizált gyémántdrótfűrészek olyan előnyöket kínálnak, mint a keskenyebb vágási rés, a jobb szeletminőség, a nagyobb hatékonyság, az alacsonyabb szennyeződés és a nagy keménységű anyagok vágásának képessége.
A galvanizált gyémántdrótfűrész jelenleg a legelterjedtebb módszer a SiC vágására. Az 1. ábra (itt nem látható) az ezzel a technikával vágott SiC szeletek felületi síkságát szemlélteti. A vágás előrehaladtával a szelet vetemedése növekszik. Ez azért van, mert a huzal és az anyag közötti érintkezési felület növekszik a huzal lefelé történő mozgásával, növelve az ellenállást és a huzal rezgését. Amikor a huzal eléri a szelet maximális átmérőjét, a rezgés a csúcspontján van, ami maximális vetemedést eredményez.
A forgácsolás későbbi szakaszaiban, a huzal gyorsulása, stabil sebességű mozgása, lassulása, megállása és irányváltása, valamint a hűtőfolyadékkal történő törmelékeltávolítás nehézségei miatt a lapka felületi minősége romlik. A huzal irányváltása és a sebességingadozások, valamint a huzalon lévő nagy gyémántrészecskék a felületi karcolások elsődleges okai.
1.4 Hidegszétválasztási technológia
A SiC egykristályok hideg szétválasztása egy innovatív eljárás a harmadik generációs félvezető anyagfeldolgozás területén. Az elmúlt években jelentős figyelmet kapott a hozam javításában és az anyagveszteség csökkentésében rejlő jelentős előnyei miatt. A technológia három szempontból elemezhető: működési elv, folyamatábra és alapvető előnyök.
Kristályorientáció meghatározása és külső átmérő köszörülése: A feldolgozás előtt meg kell határozni a SiC-öntvény kristályorientációját. A tömböt ezután külső átmérő köszörüléssel hengeres szerkezetté (általában SiC-korongnak nevezik) alakítják. Ez a lépés megalapozza a későbbi irányított vágást és szeletelést.
Többszálas vágás: Ez a módszer abrazív részecskéket és vágóhuzalokat használ a hengeres öntvény vágásához. Azonban jelentős vágási veszteséggel és felületi egyenetlenségekkel küzd.
Lézervágási technológia: Lézert használnak egy módosított réteg kialakítására a kristályon belül, amelyről vékony szeletek válhatnak le. Ez a megközelítés csökkenti az anyagveszteséget és növeli a feldolgozási hatékonyságot, így ígéretes új irányt jelent a SiC szeletek vágásában.
Vágási folyamat optimalizálása
Fix abrazív többszálas vágás: Ez jelenleg a legelterjedtebb technológia, amely jól alkalmazható a SiC nagy keménységű jellemzőihez.
Szikraforgácsolás (EDM) és hidegszeparációs technológia: Ezek a módszerek változatos megoldásokat kínálnak, amelyek az adott igényekhez igazodnak.
Polírozási folyamat: Lényeges az anyagleválasztási sebesség és a felületi károsodás egyensúlyban tartása. A kémiai-mechanikai polírozást (CMP) a felület egyenletességének javítására alkalmazzák.
Valós idejű monitorozás: Online vizsgálati technológiákat vezetnek be a felületi érdesség valós idejű monitorozására.
Lézeres szeletelés: Ez a technika csökkenti a vágási veszteséget és lerövidíti a feldolgozási ciklusokat, bár a hőhatásövezet továbbra is kihívást jelent.
Hibrid feldolgozási technológiák: A mechanikai és kémiai módszerek kombinálása növeli a feldolgozás hatékonyságát.
Ez a technológia már elérte az ipari alkalmazást. Az Infineon például felvásárolta a SILTECTRA-t, és most olyan alapvető szabadalmakkal rendelkezik, amelyek a 8 hüvelykes ostyák tömeggyártását támogatják. Kínában olyan cégek, mint a Delong Laser, 6 hüvelykes ostyafeldolgozás esetén 30 ostya/öntvény termelési hatékonyságot értek el, ami 40%-os javulást jelent a hagyományos módszerekhez képest.
Ahogy a hazai berendezésgyártás felgyorsul, ez a technológia várhatóan a SiC szubsztrát feldolgozásának fő megoldásává válik. A félvezető anyagok átmérőjének növekedésével a hagyományos vágási módszerek elavulttá váltak. A jelenlegi lehetőségek közül a dugattyús gyémántdrótfűrész technológia mutatja a legígéretesebb alkalmazási lehetőségeket. A lézervágás, mint feltörekvő technika, jelentős előnyöket kínál, és várhatóan a jövőben az elsődleges vágási módszerré válik.
2.SiC egykristályos csiszolás
A harmadik generációs félvezetők képviselőjeként a szilícium-karbid (SiC) jelentős előnyöket kínál széles tiltott sávjának, nagy letörési elektromos mezőjének, nagy telítési elektronsodródási sebességének és kiváló hővezető képességének köszönhetően. Ezek a tulajdonságok különösen előnyössé teszik a SiC-t nagyfeszültségű alkalmazásokban (pl. 1200 V-os környezetben). A SiC-szubsztrátok feldolgozási technológiája az eszközgyártás alapvető részét képezi. Az aljzat felületi minősége és pontossága közvetlenül befolyásolja az epitaxiális réteg minőségét és a végső eszköz teljesítményét.
A köszörülési folyamat elsődleges célja a szeletelés során keletkezett felületi fűrésznyomok és sérült rétegek eltávolítása, valamint a vágási folyamat által okozott deformáció korrigálása. A SiC rendkívül nagy keménysége miatt a köszörülés kemény abrazív anyagok, például bór-karbid vagy gyémánt használatát igényli. A hagyományos köszörülést jellemzően durva köszörülésre és finom köszörülésre osztják.
2.1 Durva és finom őrlés
A csiszolást a szemcseméret alapján lehet kategorizálni:
Durva csiszolás: Nagyobb csiszolóanyagokat használ elsősorban a fűrésznyomok és a szeletelés során keletkezett káros rétegek eltávolítására, javítva a feldolgozási hatékonyságot.
Finomcsiszolás: Finomabb csiszolóanyagokat használ a durva csiszolás által hátrahagyott káros réteg eltávolítására, a felületi érdesség csökkentésére és a felület minőségének javítására.
Sok hazai SiC szubsztrát gyártó nagyméretű gyártási eljárásokat alkalmaz. Az egyik gyakori módszer a kétoldalas csiszolás öntöttvas lemez és monokristályos gyémántzagy használatával. Ez az eljárás hatékonyan eltávolítja a drótfűrészelés által hátrahagyott káros réteget, korrigálja a lapka alakját, és csökkenti a TTV-t (teljes vastagságváltozás), a görbülést és a vetemedést. Az anyagleválasztási sebesség stabil, jellemzően eléri a 0,8–1,2 μm/percet. A kapott lapkafelület azonban matt, viszonylag nagy érdességgel – jellemzően 50 nm körül –, ami nagyobb követelményeket támaszt a későbbi polírozási lépésekkel szemben.
2.2 Egyoldalas csiszolás
Az egyoldalas csiszolás során a lapkának egyszerre csak az egyik oldalát dolgozzák fel. A folyamat során a lapkát viaszba ágyazzák egy acéllemezre. Az alkalmazott nyomás hatására az aljzat enyhe deformáción megy keresztül, és a felső felülete ellaposodik. A csiszolás után az alsó felület kiegyenlítődik. A nyomás megszűnésekor a felső felület visszanyeri eredeti alakját, ami a már lecsiszolt alsó felületet is befolyásolja – mindkét oldal vetemedését és síkfelületének romlását okozva.
Ráadásul az őrlőlap rövid idő alatt homorúvá válhat, ami a lapka domborúvá válását okozza. A lap síkfelületének megőrzése érdekében gyakori csiszolás szükséges. Az alacsony hatásfok és a lapka gyenge síkfelülete miatt az egyoldalas csiszolás nem alkalmas tömeggyártásra.
A finomcsiszoláshoz jellemzően #8000-es köszörűkorongokat használnak. Japánban ez az eljárás viszonylag kiforrott, és még #30000-es polírozókorongokat is használnak. Ez lehetővé teszi, hogy a feldolgozott ostyák felületi érdessége 2 nm alá csökkenjen, így a ostyák további feldolgozás nélkül alkalmasak a végső CMP-re (kémiai-mechanikai polírozás).
2.3 Egyoldalas ritkítási technológia
A gyémánt egyoldalas vékonyítási technológia az egyoldalas csiszolás egy újszerű módszere. Amint az az 5. ábrán (itt nem látható) látható, az eljárás gyémántkötésű csiszolólapot használ. A lapkát vákuumadszorpcióval rögzítik, miközben a lapka és a gyémántcsiszolókorong egyszerre forog. A csiszolókorong fokozatosan lefelé mozog, hogy a lapkát a célzott vastagságra vékonyítsa. Miután az egyik oldal elkészült, a lapkát megfordítják, hogy a másik oldalt is megmunkálják.
Vékonyítás után egy 100 mm-es ostya a következőket érheti el:
Vastagság < 5 μm
TTV < 2 μm
Felületi érdesség < 1 nm
Ez az egylapos feldolgozási módszer nagy stabilitást, kiváló konzisztenciát és magas anyagleválasztási sebességet kínál. A hagyományos kétoldalas köszörüléshez képest ez a technika több mint 50%-kal javítja az őrlési hatékonyságot.
2.4 Kétoldalas csiszolás
A kétoldalas csiszolás egy felső és egy alsó csiszolólapot használ az aljzat mindkét oldalának egyidejű csiszolására, így biztosítva a kiváló felületi minőséget mindkét oldalon.
A folyamat során a csiszolólapok először a munkadarab legmagasabb pontjaira fejtenek ki nyomást, ami deformációt és fokozatos anyagleválasztást okoz ezeken a pontokon. Ahogy a kiemelkedő pontok kiegyenlítődnek, az aljzatra nehezedő nyomás fokozatosan egyenletesebbé válik, ami a teljes felületen egyenletes deformációt eredményez. Ez lehetővé teszi mind a felső, mind az alsó felület egyenletes csiszolását. Miután a csiszolás befejeződött és a nyomás megszűnt, az aljzat minden része egyenletesen visszaalakul az elszenvedett azonos nyomásnak köszönhetően. Ez minimális vetemedést és jó síkfelületet eredményez.
A lapka felületi érdessége a csiszolás után az abrazív szemcsemérettől függ – a kisebb részecskék simább felületet eredményeznek. Ha 5 μm-es abrazív anyagokat használunk kétoldalas csiszoláshoz, a lapka síkfelülete és vastagsága 5 μm-en belül szabályozható. Az atomerő-mikroszkópos (AFM) mérések körülbelül 100 nm-es felületi érdességet (Rq) mutatnak, akár 380 nm mély csiszolási gödrökkel és látható lineáris nyomokkal, amelyeket a csiszolóhatás okoz.
Egy fejlettebb módszer a kétoldalas csiszolás poliuretán habszivacs párnákkal és polikristályos gyémántszuszpenzióval. Ez az eljárás nagyon alacsony felületi érdességgel rendelkező lapkákat eredményez, Ra < 3 nm értéket érve, ami rendkívül előnyös a SiC szubsztrátok későbbi polírozása szempontjából.
A felületi karcolás azonban továbbra is megoldatlan probléma. Ráadásul az ebben az eljárásban használt polikristályos gyémántot robbanásos szintézissel állítják elő, ami technikailag kihívást jelent, kis mennyiségeket eredményez, és rendkívül drága.
SiC egykristályok polírozása
A szilícium-karbid (SiC) ostyák kiváló minőségű polírozott felületének eléréséhez a polírozásnak teljesen el kell távolítania a csiszolási gödröket és a nanométeres felületi egyenetlenségeket. A cél egy sima, hibamentes felület létrehozása szennyeződés vagy degradáció, felület alatti sérülés és maradék felületi feszültség nélkül.
3.1 SiC szeletek mechanikai polírozása és CMP-je
A SiC egykristályos tuskó növesztése után a felületi hibák megakadályozzák az epitaxiális növesztéshez való közvetlen felhasználását. Ezért további feldolgozásra van szükség. A tuskót először lekerekítéssel szabványos hengeres formára alakítják, majd drótvágással szeletekre vágják, végül pedig kristálytani orientációt ellenőriznek. A polírozás kritikus lépés a tuskó minőségének javításában, a kristálynövekedési hibák és a korábbi feldolgozási lépések által okozott lehetséges felületi károsodások kezelésében.
Négy fő módszer létezik a SiC felületi sérült rétegeinek eltávolítására:
Mechanikai polírozás: Egyszerű, de karcolásokat hagy maga után; alkalmas az első polírozásra.
Kémiai-mechanikai polírozás (CMP): Kémiai maratással távolítja el a karcolásokat; precíziós polírozásra alkalmas.
Hidrogénes maratás: Komplex berendezéseket igényel, általában a HTCVD eljárásokban használják.
Plazma-rásegítéses polírozás: Összetett és ritkán használt.
A kizárólag mechanikus polírozás általában karcolásokat okoz, míg a kizárólag kémiai polírozás egyenetlen maratást eredményezhet. A CMP mindkét előnyt ötvözi, és hatékony, költséghatékony megoldást kínál.
CMP működési elve
A CMP úgy működik, hogy a lapkát egy beállított nyomás alatt egy forgó polírozókoronggal szemben forgatja. Ez a relatív mozgás, a szuszpenzióban lévő nanoméretű abrazív anyagok mechanikai kopásával és a reaktív anyagok kémiai hatásával kombinálva felületi síkosodást eredményez.
Felhasznált főbb anyagok:
Polírozó iszap: Csiszolóanyagokat és kémiai reagenseket tartalmaz.
Polírozópárna: Használat közben kopik, csökkentve a pórusméretet és az iszapleadás hatékonyságát. Az érdesség visszaállításához rendszeres polírozás, jellemzően gyémántcsiszolóval.
Tipikus CMP folyamat
Csiszolóanyag: 0,5 μm gyémántszuszpenzió
Célfelület érdesség: ~0,7 nm
Kémiai mechanikai polírozás:
Polírozó berendezés: AP-810 egyoldalas polírozó
Nyomás: 200 g/cm²
Lemez sebessége: 50 fordulat/perc
Kerámia tartó sebessége: 38 ford/perc
A zagy összetétele:
SiO₂ (30 tömeg%, pH = 10,15)
0–70 tömeg% H₂O₂ (30 tömeg%, reagens minőségű)
Állítsd be a pH-t 8,5-re 5 tömeg% KOH és 1 tömeg% HNO₃ segítségével
Iszap áramlási sebessége: 3 l/perc, recirkulációs
Ez az eljárás hatékonyan javítja a SiC ostya minőségét, és megfelel a downstream folyamatok követelményeinek.
Technikai kihívások a mechanikus polírozásban
A SiC, mint széles tiltott sávú félvezető, létfontosságú szerepet játszik az elektronikai iparban. Kiváló fizikai és kémiai tulajdonságainak köszönhetően a SiC egykristályok alkalmasak extrém környezetekre, például magas hőmérsékletre, nagy frekvenciára, nagy teljesítményre és sugárzásállóságra. Kemény és törékeny jellege azonban komoly kihívást jelent a csiszolás és polírozás során.
Ahogy a vezető globális gyártók a 6 hüvelykesről a 8 hüvelykesre állnak át, az olyan problémák, mint a repedés és a szeletek sérülése a feldolgozás során, egyre hangsúlyosabbá váltak, ami jelentősen befolyásolja a hozamot. A 8 hüvelykes SiC-hordozók technikai kihívásainak kezelése mostanra kulcsfontosságú mércévé vált az iparág fejlődése szempontjából.
A 8 hüvelykes korszakban a SiC ostyák feldolgozása számos kihívással néz szembe:
A wafer skálázása szükséges a chipek tételenkénti teljesítményének növeléséhez, az élveszteség csökkentéséhez és a gyártási költségek csökkentéséhez – különösen az elektromos járművek iránti növekvő kereslet miatt.
Bár a 8 hüvelykes SiC egykristályok növekedése érett, a háttérfolyamatok, mint például a csiszolás és a polírozás, továbbra is szűk keresztmetszetekbe ütköznek, ami alacsony hozamokat eredményez (mindössze 40–50%).
A nagyobb ostyák összetettebb nyomáseloszlást tapasztalnak, ami megnehezíti a polírozási stressz kezelését és a hozam állandóságának biztosítását.
Bár a 8 hüvelykes ostyák vastagsága megközelíti a 6 hüvelykes ostyákét, a kezelés során hajlamosabbak a sérülésekre a feszültség és a vetemedés miatt.
A forgácsolással kapcsolatos feszültség, vetemedés és repedések csökkentése érdekében egyre gyakrabban alkalmaznak lézervágást. Azonban:
A hosszú hullámhosszú lézerek hőkárosodást okoznak.
A rövid hullámhosszú lézerek nehéz törmeléket generálnak és elmélyítik a sérült réteget, növelve a polírozás bonyolultságát.
SiC mechanikus polírozási munkafolyamata
Az általános folyamatábra a következőket tartalmazza:
Orientációs vágás
Durva csiszolás
Finomőrlés
Mechanikus polírozás
Kémiai mechanikai polírozás (CMP) mint utolsó lépés
A CMP-módszer megválasztása, a folyamatútvonal tervezése és a paraméterek optimalizálása kulcsfontosságú. A félvezetőgyártásban a CMP a meghatározó lépés az ultrasima, hibamentes és sérülésmentes felületű SiC-lapkák előállításához, amelyek elengedhetetlenek a kiváló minőségű epitaxiális növekedéshez.
(a) Vegye ki a SiC tömböt a tégelyből;
(b) Végezze el a kezdeti formázást külső átmérő köszörülésével;
(c) Határozza meg a kristály orientációját illesztési síkok vagy bevágások segítségével;
(d) Többszálas fűrészeléssel vágja a tömböt vékony lapkákra;
(e) Tükrös simaság elérése csiszolási és polírozási lépésekkel.
A feldolgozási lépések sorozatának befejezése után a SiC ostya külső széle gyakran élessé válik, ami növeli a lepattogzás kockázatát kezelés vagy használat közben. Az ilyen sérülékenység elkerülése érdekében élcsiszolás szükséges.
A hagyományos szeletelési eljárások mellett a SiC ostyák előállításának egy innovatív módszere a kötéstechnológia. Ez a megközelítés lehetővé teszi az ostyagyártást egy vékony SiC egykristályos réteg heterogén hordozóhoz (hordozó hordozóhoz) való kötésével.
A 3. ábra a folyamatot szemlélteti:
Először egy meghatározott mélységben delaminációs réteget alakítanak ki a SiC egykristály felületén hidrogénion-implantációval vagy hasonló technikákkal. A feldolgozott SiC egykristályt ezután egy sík hordozófelülethez kötik, majd nyomásnak és hőnek teszik ki. Ez lehetővé teszi a SiC egykristály réteg sikeres átvitelét és leválasztását a hordozófelületre.
A leválasztott SiC réteg felületkezelésen esik át a kívánt síkfelület elérése érdekében, és a későbbi kötési folyamatokban újra felhasználható. A SiC kristályok hagyományos szeleteléséhez képest ez a technika csökkenti a drága anyagok iránti igényt. Bár a technikai kihívások továbbra is fennállnak, a kutatás és fejlesztés aktívan halad az alacsonyabb költségű ostyagyártás lehetővé tétele érdekében.
A SiC nagy keménysége és kémiai stabilitása miatt – ami miatt szobahőmérsékleten is ellenáll a reakcióknak – mechanikai polírozásra van szükség a finom csiszolási gödrök eltávolításához, a felületi károsodás csökkentéséhez, a karcolások, a gödrösödés és a narancshéjhibák kiküszöböléséhez, a felületi érdesség csökkentéséhez, a síkfelület javításához és a felületi minőség javításához.
A kiváló minőségű polírozott felület eléréséhez a következőkre van szükség:
Állítsa be a csiszolóanyagok típusát,
Csökkentse a részecskeméretet,
Optimalizálja a folyamatparamétereket,
Válasszon megfelelő keménységű polírozóanyagokat és korongokat.
A 7. ábra azt mutatja, hogy az 1 μm-es abrazív anyagokkal végzett kétoldalas polírozás 10 μm-en belül szabályozhatja a síkfelületet és a vastagságváltozást, és a felületi érdességet körülbelül 0,25 nm-re csökkentheti.
3.2 Kémiai-mechanikai polírozás (CMP)
A kémiai-mechanikai polírozás (CMP) az ultrafinom részecskék koptatását kémiai maratással ötvözi, így sima, sík felületet hoz létre a feldolgozott anyagon. Az alapelv a következő:
Kémiai reakció megy végbe a polírozó iszap és a lapka felülete között, ami egy puha réteget képez.
A csiszolószemcsék és a puha réteg közötti súrlódás eltávolítja az anyagot.
A CMP előnyei:
Leküzd a tisztán mechanikai vagy kémiai polírozás hátrányait,
Globális és lokális planarizációt is megvalósít,
Magas síkfelületű és alacsony érdességű felületeket hoz létre,
Nem hagy kárt a felületen vagy a felület alatt.
Részletesen:
A lapka nyomás alatt elmozdul a polírozópárnához képest.
A zagyban található nanométer méretű abrazív anyagok (pl. SiO₂) részt vesznek a nyírásban, gyengítik a Si-C kovalens kötéseket és fokozzák az anyagleválasztást.
CMP technikák típusai:
Szabadon polírozható abrazív polírozás: A csiszolóanyagok (pl. SiO₂) iszapban szuszpendálódnak. Az anyageltávolítás háromrétegű abrazív eljárással (lap-párna-abrazív) történik. A csiszolóanyag méretét (jellemzően 60–200 nm), a pH-értéket és a hőmérsékletet pontosan szabályozni kell az egyenletesség javítása érdekében.
Fix abrazív polírozás: A csiszolóanyagok a polírozópárnába vannak ágyazva, hogy megakadályozzák az agglomerációt – ideális a nagy pontosságú megmunkáláshoz.
Polírozás utáni tisztítás:
A polírozott ostyák a következőkön esnek át:
Kémiai tisztítás (beleértve a desztillált vizet és az iszapmaradványok eltávolítását),
desztillált vízzel történő öblítés, és
Forró nitrogénes szárítás
a felületi szennyeződések minimalizálása érdekében.
Felületi minőség és teljesítmény
A felületi érdesség Ra < 0,3 nm értékre csökkenthető, ami megfelel a félvezető epitaxia követelményeinek.
Globális planarizáció: A kémiai lágyítás és a mechanikai eltávolítás kombinációja csökkenti a karcolásokat és az egyenetlen maratást, felülmúlva a tisztán mechanikai vagy kémiai módszereket.
Nagy hatékonyság: Kemény és törékeny anyagokhoz, például SiC-hez alkalmas, 200 nm/h feletti anyagleválasztási sebességgel.
Egyéb feltörekvő polírozási technikák
A CMP mellett alternatív módszereket is javasoltak, többek között:
Elektrokémiai polírozás, katalizátoros polírozás vagy maratás, és
Tribokémiai polírozás.
Ezek a módszerek azonban még kutatási szakaszban vannak, és a SiC kihívást jelentő anyagtulajdonságai miatt lassan fejlődtek.
Végső soron a SiC-feldolgozás egy fokozatos folyamat, amelynek során a vetemedés és az érdesség csökken a felület minőségének javítása érdekében, ahol a síkfelület és az érdesség szabályozása minden szakaszban kritikus fontosságú.
Feldolgozási technológia
A lapkacsiszolás során különböző szemcseméretű gyémántszuszpenziót használnak a lapka kívánt síkságra és felületi érdességre csiszolására. Ezt követi a polírozás, amely során mechanikai és kémiai mechanikai polírozási (CMP) technikákat is alkalmaznak, így sérülésmentesen polírozott szilícium-karbid (SiC) lapkákat hoznak létre.
A polírozás után a SiC ostyák szigorú minőségellenőrzésen esnek át olyan eszközök segítségével, mint az optikai mikroszkópok és röntgendiffraktométerek, hogy minden műszaki paraméter megfeleljen az előírt szabványoknak. Végül a polírozott ostyákat speciális tisztítószerekkel és ultratiszta vízzel tisztítják a felületi szennyeződések eltávolítása érdekében. Ezután ultratiszta nitrogéngázzal és centrifugális szárítókkal szárítják őket, ezzel teljessé téve a teljes gyártási folyamatot.
Évekig tartó erőfeszítések után jelentős előrelépés történt a SiC egykristályok feldolgozásában Kínában. Belföldön sikeresen kifejlesztettek 100 mm-es adalékolt félszigetelő 4H-SiC egykristályokat, és az n-típusú 4H-SiC és 6H-SiC egykristályok mostantól tételekben is előállíthatók. Olyan cégek, mint a TankeBlue és a TYST, már kifejlesztettek 150 mm-es SiC egykristályokat.
A SiC ostya feldolgozási technológiája tekintetében a hazai intézmények előzetesen feltárták a kristályok szeletelésének, őrlésének és polírozásának folyamatfeltételeit és útjait. Képesek olyan mintákat előállítani, amelyek alapvetően megfelelnek az eszközgyártás követelményeinek. A nemzetközi szabványokhoz képest azonban a hazai ostyák felületkezelési minősége még mindig jelentősen elmarad. Számos probléma merül fel:
A nemzetközi SiC-elméletek és feldolgozási technológiák szigorúan védettek és nem könnyen hozzáférhetők.
Hiányzik az elméleti kutatás és a folyamatfejlesztés és -optimalizálás támogatása.
A külföldi berendezések és alkatrészek importjának költségei magasak.
A berendezések tervezésével, a feldolgozási pontossággal és az anyagokkal kapcsolatos hazai kutatások továbbra is jelentős eltéréseket mutatnak a nemzetközi szinthez képest.
Jelenleg a Kínában használt nagy pontosságú műszerek nagy részét importból szerzik be. A vizsgálóberendezések és módszertanok is további fejlesztésre szorulnak.
A harmadik generációs félvezetők folyamatos fejlesztésével a SiC egykristályos szubsztrátok átmérője folyamatosan növekszik, a felületkezelési minőséggel szembeni követelmények pedig egyre magasabbak. A szeletfeldolgozási technológia a SiC egykristályok növesztése után az egyik legnagyobb technikai kihívást jelentő lépéssé vált.
A feldolgozásban meglévő kihívások kezelése érdekében elengedhetetlen a vágás, csiszolás és polírozás mechanizmusainak további tanulmányozása, valamint a SiC ostyagyártás megfelelő folyamatmódszereinek és útvonalainak feltárása. Ugyanakkor szükséges a fejlett nemzetközi feldolgozási technológiákból tanulni, és a legmodernebb ultraprecíziós megmunkálási technikákat és berendezéseket alkalmazni a kiváló minőségű hordozók előállítása érdekében.
A szeletek méretének növekedésével a kristálynövesztés és -feldolgozás nehézsége is növekszik. A downstream eszközök gyártási hatékonysága azonban jelentősen javul, és az egységköltség csökken. Jelenleg a fő SiC szeletbeszállítók világszerte 4 hüvelyk és 6 hüvelyk közötti átmérőjű termékeket kínálnak. Az olyan vezető vállalatok, mint a Cree és a II-VI, már megkezdték a 8 hüvelykes SiC szeletgyártó sorok fejlesztésének tervezését.
Közzététel ideje: 2025. május 23.