В: Кои са основните технологии, използвани при нарязването и обработката на SiC пластини?
A:Силициев карбид (SiC) има твърдост, втора по твърдост след диаманта, и се счита за силно твърд и крехък материал. Процесът на рязане, който включва нарязване на отгледани кристали на тънки пластини, е отнемащ време и е склонен към нащърбване. Като първа стъпка вSiCПри обработката на монокристали, качеството на рязане значително влияе върху последващото шлифоване, полиране и изтъняване. Рязането често води до повърхностни и подповърхностни пукнатини, което увеличава степента на счупване на пластините и производствените разходи. Следователно, контролирането на повредите от повърхностни пукнатини по време на рязане е от решаващо значение за усъвършенстване на производството на SiC устройства.
Понастоящем описаните методи за рязане на SiC включват рязане с фиксиран абразив, рязане със свободен абразив, лазерно рязане, прехвърляне на слоеве (студено разделяне) и рязане с електроерозия. Сред тях, възвратно-постъпателното многожилно рязане с фиксирани диамантени абразиви е най-често използваният метод за обработка на монокристали SiC. Въпреки това, тъй като размерите на блоковете достигат 8 инча и повече, традиционното рязане с тел става по-малко практично поради високите изисквания за оборудване, разходите и ниската ефективност. Съществува спешна нужда от нискобюджетни, нискозагубни и високоефективни технологии за рязане.
В: Какви са предимствата на лазерното рязане пред традиционното многожилно рязане?
A: Традиционното рязане с въже режеSiC блокпо определена посока на резени с дебелина няколкостотин микрона. След това резените се шлифоват с помощта на диамантени суспензии за отстраняване на следи от триони и подповърхностни повреди, последвано от химико-механично полиране (CMP) за постигане на глобална планаризация и накрая почистват, за да се получат SiC пластини.
Въпреки това, поради високата твърдост и крехкост на SiC, тези стъпки могат лесно да причинят деформация, напукване, повишена честота на счупване, по-високи производствени разходи и да доведат до висока грапавост на повърхността и замърсяване (прах, отпадъчни води и др.). Освен това, рязането с тел е бавно и има нисък добив. Оценките показват, че традиционното многожилно рязане постига само около 50% оползотворяване на материала и до 75% от материала се губи след полиране и шлайфане. Ранни данни за чуждестранно производство показват, че може да са необходими приблизително 273 дни непрекъснато 24-часово производство, за да се произведат 10 000 пластини - което е много времеемко.
В страната много компании за растеж на SiC кристали са фокусирани върху увеличаване на капацитета на пещите. Вместо просто да се разширява производството, по-важно е да се обмисли как да се намалят загубите, особено когато добивите от растеж на кристали все още не са оптимални.
Оборудването за лазерно рязане може значително да намали загубите на материал и да подобри добива. Например, използването на един 20 ммSiC блокРязането с тел може да доведе до около 30 пластини с дебелина 350 μm. Лазерното рязане може да доведе до повече от 50 пластини. Ако дебелината на пластината се намали до 200 μm, от един и същ слитък могат да се произведат повече от 80 пластини. Докато рязането с тел се използва широко за пластини с размер 6 инча и по-малки, рязането на 8-инчов SiC слитък може да отнеме 10-15 дни с традиционните методи, което изисква висококачествено оборудване и води до високи разходи с ниска ефективност. При тези условия предимствата на лазерното рязане стават ясни, което го прави основната технология на бъдещето за 8-инчови пластини.
При лазерно рязане времето за рязане на 8-инчова пластина може да бъде под 20 минути, със загуба на материал на пластина под 60 μm.
В обобщение, в сравнение с многожилното рязане, лазерното рязане предлага по-висока скорост, по-добър добив, по-ниска загуба на материал и по-чиста обработка.
В: Какви са основните технически предизвикателства при лазерното рязане на SiC?
A: Процесът на лазерно рязане включва две основни стъпки: лазерна модификация и разделяне на пластините.
В основата на лазерната модификация е оформянето на лъча и оптимизирането на параметрите. Параметри като мощност на лазера, диаметър на петното и скорост на сканиране влияят върху качеството на аблацията на материала и успеха на последващото разделяне на пластините. Геометрията на модифицираната зона определя грапавостта на повърхността и трудността на разделянето. Високата грапавост на повърхността усложнява по-късното шлифоване и увеличава загубата на материал.
След модификация, разделянето на пластините обикновено се постига чрез сили на срязване, като например студено разрушаване или механично напрежение. Някои битови системи използват ултразвукови преобразуватели, за да индуцират вибрации за разделяне, но това може да причини отчупване и дефекти по ръбовете, намалявайки крайния добив.
Въпреки че тези две стъпки не са по своята същност трудни, несъответствията в качеството на кристалите – дължащи се на различни процеси на растеж, нива на легиране и разпределение на вътрешното напрежение – влияят значително върху трудността при рязане, добива и загубата на материал. Самото идентифициране на проблемните области и регулирането на зоните на лазерно сканиране може да не подобри съществено резултатите.
Ключът към широкото приложение се крие в разработването на иновативни методи и оборудване, които могат да се адаптират към широк спектър от качества на кристалите от различни производители, оптимизиране на параметрите на процеса и изграждане на лазерни системи за рязане с универсална приложимост.
В: Може ли технологията за лазерно рязане да се прилага към други полупроводникови материали освен SiC?
A: Технологията за лазерно рязане исторически се прилага за широк спектър от материали. В полупроводниците първоначално е била използвана за нарязване на пластини и оттогава се е разширила до нарязване на големи монокристали.
Освен SiC, лазерното рязане може да се използва и за други твърди или крехки материали, като диамант, галиев нитрид (GaN) и галиев оксид (Ga₂O₃). Предварителните проучвания на тези материали са показали осъществимостта и предимствата на лазерното рязане за полупроводникови приложения.
В: Има ли в момента зрели продукти за лазерно рязане на местно ниво? На какъв етап е вашето проучване?
A: Оборудването за лазерно рязане на SiC с голям диаметър се счита за основно оборудване за бъдещето на производството на 8-инчови SiC пластини. В момента само Япония може да предостави такива системи, а те са скъпи и подлежат на ограничения за износ.
Вътрешното търсене на системи за лазерно рязане/изтъняване се оценява на около 1000 бройки, въз основа на производствените планове на SiC и съществуващия капацитет за рязане на въжени триони. Големи местни компании са инвестирали сериозно в разработка, но все още няма зряло, налично в търговската мрежа местно оборудване, което да е достигнало промишлено внедряване.
Изследователски групи разработват собствена технология за лазерно повдигане от 2001 г. и сега са разширили това до лазерно нарязване и изтъняване на SiC с голям диаметър. Те са разработили прототипна система и процеси на нарязване, способни да: Рязане и изтъняване на полуизолиращи SiC пластини с размер 4–6 инча; Нарязване на проводими SiC блокове с размер 6–8 инча; Показатели за производителност: Полуизолиращ SiC с размер 6–8 инча: време за нарязване 10–15 минути/пластмаса; загуба на материал <30 μm; Проводим SiC с размер 6–8 инча: време за нарязване 14–20 минути/пластмаса; загуба на материал <60 μm.
Очакваният добив на пластини се е увеличил с над 50%
След нарязване, пластините отговарят на националните стандарти за геометрия след шлайфане и полиране. Проучванията показват също, че индуцираните от лазера термични ефекти не оказват съществено влияние върху напрежението или геометрията във пластините.
Същото оборудване е използвано и за проверка на осъществимостта на рязане на монокристали от диамант, GaN и Ga₂O₃.
Време на публикуване: 23 май 2025 г.