В: Какие основные технологии используются при резке и обработке пластин SiC?
A:карбид кремния (SiC) по твёрдости уступает только алмазу и считается очень твёрдым и хрупким материалом. Процесс резки, включающий нарезку выращенных кристаллов на тонкие пластины, занимает много времени и подвержен сколам. В качестве первого шагаSiCПри обработке монокристаллов качество нарезки существенно влияет на последующую шлифовку, полировку и утонение. Нарезка часто приводит к появлению поверхностных и подповерхностных трещин, что увеличивает вероятность разрушения пластин и производственные затраты. Поэтому контроль за повреждением поверхностных трещин в процессе нарезки имеет решающее значение для совершенствования производства SiC-приборов.
В настоящее время известны такие методы резки SiC, как резка с использованием фиксированного абразива, резка с использованием свободного абразива, лазерная резка, перенос слоев (холодное разделение) и резка электроэрозионным методом. Среди них наиболее распространенным методом обработки монокристаллов SiC является возвратно-поступательная резка многопроволочными резцами с использованием фиксированных алмазных абразивов. Однако, когда размеры слитков достигают 8 дюймов и более, традиционная проволочная резка становится менее практичной из-за высоких требований к оборудованию, высокой стоимости и низкой эффективности. Существует острая потребность в недорогих, малопотерьных и высокоэффективных технологиях резки.
В: Каковы преимущества лазерной резки по сравнению с традиционной многострунной резкой?
A:Традиционная проволочная пила режетСлиток SiCВ заданном направлении нарезаются пластины толщиной в несколько сотен микрометров. Затем пластины шлифуются с помощью алмазных пульп для удаления следов пилы и подповерхностных повреждений, после чего проводится химико-механическая полировка (ХМП) для достижения полной планаризации и, наконец, очистка для получения пластин SiC.
Однако из-за высокой твёрдости и хрупкости SiC эти этапы могут легко привести к короблению, растрескиванию, повышенной поломке, повышению производственных затрат, а также к высокой шероховатости поверхности и загрязнению (пылью, сточными водами и т. д.). Кроме того, резка проволочной пилой медленная и имеет низкую производительность. Оценки показывают, что традиционная многопроволочная резка обеспечивает лишь около 50% использования материала, а до 75% материала теряется после полировки и шлифовки. Ранние зарубежные данные о производстве показали, что для изготовления 10 000 пластин может потребоваться около 273 дней непрерывного круглосуточного производства, что очень затратно по времени.
В США многие компании, занимающиеся выращиванием кристаллов SiC, сосредоточены на увеличении производительности печей. Однако, вместо того чтобы просто наращивать производство, важнее подумать о сокращении потерь, особенно когда выход готовой продукции при выращивании кристаллов ещё не достиг оптимального уровня.
Оборудование для лазерной резки может значительно сократить потери материала и повысить выход готовой продукции. Например, использование одного резака диаметром 20 ммСлиток SiCПроволочная резка позволяет получить около 30 пластин толщиной 350 мкм. Лазерная резка позволяет получить более 50 пластин. При уменьшении толщины пластины до 200 мкм из одного слитка можно получить более 80 пластин. Хотя проволочная резка широко применяется для пластин диаметром 6 дюймов и меньше, резка слитка SiC диаметром 8 дюймов традиционными методами может занять 10–15 дней, требуя высокопроизводительного оборудования, высоких затрат и низкой эффективности. В этих условиях преимущества лазерной резки становятся очевидными, делая её основной технологией будущего для 8-дюймовых пластин.
При лазерной резке время резки одной 8-дюймовой пластины может составлять менее 20 минут, при этом потери материала на пластину составляют менее 60 мкм.
Подводя итог, можно сказать, что по сравнению с многоструйной резкой лазерная резка обеспечивает более высокую скорость, лучшую производительность, меньшие потери материала и более чистую обработку.
В: Каковы основные технические проблемы при лазерной резке SiC?
A:Процесс лазерной резки включает два основных этапа: лазерную модификацию и разделение пластин.
Основой лазерной модификации является формирование луча и оптимизация его 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 осуществляется с помощью сдвигающих усилий, таких как холодный разрыв или механическое напряжение. В некоторых отечественных системах для разделения используются ультразвуковые преобразователи, создающие вибрации, но это может привести к сколам и дефектам кромок, что снижает конечный выход годных изделий.
Хотя эти два этапа сами по себе не являются сложными, различия в качестве кристаллов, обусловленные различиями в процессах роста, уровнях легирования и распределении внутренних напряжений, существенно влияют на сложность резки, выход годного и потери материала. Простое выявление проблемных областей и корректировка зон лазерного сканирования не могут существенно улучшить результаты.
Ключом к широкому внедрению является разработка инновационных методов и оборудования, которые могут адаптироваться к широкому диапазону качеств кристаллов от разных производителей, оптимизация параметров процесса и создание систем лазерной резки с универсальной применимостью.
В: Можно ли применять технологию лазерной резки к другим полупроводниковым материалам, помимо SiC?
A: Технология лазерной резки исторически применялась к широкому спектру материалов. В полупроводниках она изначально использовалась для резки пластин, а затем получила распространение и для резки крупных монокристаллов.
Помимо SiC, лазерная резка может применяться и для других твёрдых или хрупких материалов, таких как алмаз, нитрид галлия (GaN) и оксид галлия (Ga₂O₃). Предварительные исследования этих материалов продемонстрировали возможность и преимущества лазерной резки для полупроводниковых приложений.
В: Существуют ли в настоящее время отечественные образцы оборудования для лазерной резки? На какой стадии находятся ваши исследования?
A: Оборудование для лазерной резки SiC большого диаметра широко рассматривается как ключевое оборудование для будущего производства 8-дюймовых SiC-пластин. В настоящее время такие системы может предоставить только Япония, но они дороги и подпадают под экспортные ограничения.
По оценкам, внутренний спрос на системы лазерной резки/утонения составит около 1000 единиц, исходя из планов производства SiC и существующих мощностей по производству проволочных пил. Крупные отечественные компании вложили значительные средства в разработку, но ни одно из готовых, коммерчески доступных отечественных устройств пока не получило промышленного внедрения.
Исследовательские группы разрабатывают собственную технологию лазерного съёма с 2001 года и теперь распространили её на лазерную резку и утонение SiC большого диаметра. Они разработали прототип системы и процессы резки, способные: Резать и утонять полуизолирующие пластины SiC диаметром 4–6 дюймов; Резать проводящие слитки SiC диаметром 6–8 дюймов. Показатели производительности: Полуизолирующий SiC диаметром 6–8 дюймов: время резки 10–15 минут на пластину; потери материала <30 мкм; Проводящий SiC диаметром 6–8 дюймов: время резки 14–20 минут на пластину; потери материала <60 мкм.
Расчетный выход пластин увеличился более чем на 50%
После нарезки пластины соответствуют национальным стандартам геометрии после шлифовки и полировки. Исследования также показывают, что лазерное тепловое воздействие не оказывает существенного влияния на напряжения или геометрию пластин.
Это же оборудование использовалось и для проверки возможности резки монокристаллов алмаза, GaN и Ga₂O₃.
Время публикации: 23 мая 2025 г.