В: Какие основные технологии используются при нарезке и обработке кремниевых пластин?
A:карбид кремния Карбид кремния (SiC) обладает твердостью, уступающей только алмазу, и считается очень твердым и хрупким материалом. Процесс нарезки, включающий разрезание выращенных кристаллов на тонкие пластины, является трудоемким и подвержен сколам. В качестве первого этапа вSiCВ процессе обработки монокристаллов качество нарезки существенно влияет на последующую шлифовку, полировку и утонение. Нарезка часто приводит к образованию поверхностных и подповерхностных трещин, увеличивая процент поломок пластин и производственные затраты. Поэтому контроль повреждений, вызванных поверхностными трещинами во время нарезки, имеет решающее значение для совершенствования производства устройств на основе карбида кремния.
К числу существующих методов нарезки SiC относятся нарезка с фиксированным абразивом, нарезка без абразива, лазерная резка, послойная резка (холодное разделение) и электроэрозионная резка. Среди них наиболее распространенным методом обработки монокристаллов SiC является возвратно-поступательная многопроволочная резка с фиксированными алмазными абразивами. Однако, по мере увеличения размера слитков до 8 дюймов и более, традиционная проволочная пила становится менее практичной из-за высоких требований к оборудованию, стоимости и низкой эффективности. Существует острая необходимость в недорогих, малопотерных и высокоэффективных технологиях нарезки.
В: Каковы преимущества лазерной резки по сравнению с традиционной многопроводной резкой?
А: Традиционная проволочная пила режетСлиток SiCВдоль определенного направления получают срезы толщиной в несколько сотен микрон. Затем срезы шлифуют алмазными суспензиями для удаления следов от пилы и подповерхностных повреждений, после чего проводят химико-механическую полировку (ХМП) для достижения общей планарности, и, наконец, очищают для получения кремниево-карбидных пластин.
Однако из-за высокой твердости и хрупкости SiC эти этапы легко могут привести к деформации, растрескиванию, увеличению количества поломок, повышению производственных затрат, а также к высокой шероховатости поверхности и загрязнению (пылью, сточными водами и т. д.). Кроме того, распиловка проволокой — медленный процесс с низким выходом годной продукции. По оценкам, традиционная многопроволочная резка обеспечивает лишь около 50% использования материала, а до 75% материала теряется после полировки и шлифовки. Ранние данные зарубежного производства показали, что для изготовления 10 000 пластин может потребоваться приблизительно 273 дня непрерывного 24-часового производства — очень трудоемкий процесс.
На внутреннем рынке многие компании, занимающиеся выращиванием кристаллов SiC, сосредоточены на увеличении мощности печей. Однако, вместо простого расширения производства, гораздо важнее подумать о том, как сократить потери, особенно когда выход продукции при выращивании кристаллов еще не оптимален.
Оборудование для лазерной резки может значительно сократить потери материала и повысить выход годной продукции. Например, использование одного 20-миллиметрового лазера.Слиток SiCПроволочная распиловка позволяет получить около 30 пластин толщиной 350 мкм. Лазерная резка позволяет получить более 50 пластин. Если толщина пластины уменьшить до 200 мкм, из одного слитка можно изготовить более 80 пластин. Хотя проволочная распиловка широко используется для пластин размером 6 дюймов и меньше, резка 8-дюймового слитка SiC традиционными методами может занять 10–15 дней, требуя высокотехнологичного оборудования и сопряженная с высокими затратами и низкой эффективностью. В этих условиях преимущества лазерной резки становятся очевидными, что делает ее основной технологией будущего для 8-дюймовых пластин.
При лазерной резке время нарезки одной 8-дюймовой пластины может составлять менее 20 минут, а потери материала на пластине — менее 60 мкм.
В заключение, по сравнению с многопроводной резкой, лазерная резка обеспечивает более высокую скорость, лучший выход годной продукции, меньшие потери материала и более чистую обработку.
В: Каковы основные технические проблемы при лазерной нарезке SiC?
А: Процесс лазерной нарезки включает два основных этапа: лазерную модификацию и разделение пластин.
Суть лазерной модификации заключается в формировании лазерного луча и оптимизации параметров. Такие параметры, как мощность лазера, диаметр пятна и скорость сканирования, влияют на качество абляции материала и успешность последующего разделения пластин. Геометрия модифицированной зоны определяет шероховатость поверхности и сложность разделения. Высокая шероховатость поверхности затрудняет последующую шлифовку и увеличивает потери материала.
После модификации разделение пластин обычно достигается за счет сдвиговых сил, таких как холодное разрушение или механическое напряжение. В некоторых бытовых системах для создания вибраций с целью разделения используются ультразвуковые преобразователи, но это может привести к сколам и дефектам краев, снижая конечный выход годной продукции.
Хотя эти два этапа сами по себе несложны, несоответствия в качестве кристаллов — из-за различных процессов роста, уровней легирования и распределения внутренних напряжений — существенно влияют на сложность нарезки, выход годной продукции и потери материала. Простое выявление проблемных участков и корректировка зон лазерного сканирования могут существенно не улучшить результаты.
Ключ к широкому внедрению заключается в разработке инновационных методов и оборудования, способных адаптироваться к широкому диапазону качества кристаллов от различных производителей, оптимизации параметров процесса и создании систем лазерной нарезки с универсальной применимостью.
В: Можно ли применять технологию лазерной нарезки к другим полупроводниковым материалам, помимо карбида кремния?
А: Технология лазерной резки исторически применялась для обработки широкого спектра материалов. В полупроводниковой промышленности она первоначально использовалась для нарезки пластин, а затем распространилась на нарезку крупных монокристаллических материалов.
Помимо карбида кремния (SiC), лазерная резка может использоваться и для других твердых или хрупких материалов, таких как алмаз, нитрид галлия (GaN) и оксид галлия (Ga₂O₃). Предварительные исследования этих материалов продемонстрировали осуществимость и преимущества лазерной резки для применения в полупроводниковой промышленности.
В: Существуют ли на данный момент зрелые отечественные продукты для лазерной резки? На каком этапе находятся ваши исследования?
A: Оборудование для лазерной нарезки кремниево-карбидных пластин большого диаметра широко рассматривается как ключевое оборудование для будущего производства 8-дюймовых кремниево-карбидных пластин. В настоящее время такие системы могут поставлять только Япония, но они дороги и подлежат экспортным ограничениям.
По оценкам, внутренний спрос на системы лазерной резки/утончения составляет около 1000 единиц, исходя из планов производства SiC и существующих мощностей проволочных пил. Крупные отечественные компании вложили значительные средства в разработку, но ни одно зрелое, коммерчески доступное оборудование для внутреннего рынка пока не вышло на промышленный уровень.
С 2001 года исследовательские группы разрабатывают собственную технологию лазерного отслаивания, и теперь распространили ее на лазерную резку и утонение кремниево-карбидных пластин большого диаметра. Они разработали прототип системы и процессы резки, способные: резку и утонение полуизолирующих кремниево-карбидных пластин диаметром 4–6 дюймов; резку проводящих кремниево-карбидных слитков диаметром 6–8 дюймов. Показатели производительности: полуизолирующий кремний-карбид 6–8 дюймов: время резки 10–15 минут/пластина; потери материала <30 мкм; проводящий кремний-карбид 6–8 дюймов: время резки 14–20 минут/пластина; потери материала <60 мкм.
Расчетный выход годных пластин увеличился более чем на 50%.
После нарезки пластины соответствуют национальным стандартам по геометрии после шлифовки и полировки. Исследования также показывают, что тепловые эффекты, вызванные лазером, не оказывают существенного влияния на напряжение или геометрию пластин.
Это же оборудование использовалось для проверки возможности нарезки монокристаллов алмаза, нитрида галлия и оксида галлия.
Дата публикации: 23 мая 2025 г.