Как материал полупроводниковой подложки третьего поколения,карбид кремния (SiC)Монокристаллы имеют широкие перспективы применения в производстве высокочастотных и мощных электронных устройств. Технология обработки SiC играет решающую роль в производстве высококачественных материалов для подложек. В данной статье представлено современное состояние исследований в области технологий обработки SiC как в Китае, так и за рубежом, проанализированы и сравнены механизмы резки, шлифовки и полировки, а также тенденции в области плоскостности и шероховатости поверхности пластин. Также отмечены существующие проблемы в области обработки пластин SiC и рассмотрены направления дальнейшего развития.
Карбид кремния (SiC)Пластины являются важнейшими базовыми материалами для полупроводниковых приборов третьего поколения и имеют важное значение и рыночный потенциал в таких областях, как микроэлектроника, силовая электроника и полупроводниковое освещение. Благодаря чрезвычайно высокой твердости и химической стабильностиМонокристаллы SiC, традиционные методы обработки полупроводников не совсем подходят для их обработки. Хотя многие международные компании провели обширные исследования технически сложной обработки монокристаллов SiC, соответствующие технологии держатся в строгой тайне.
В последние годы Китай активизировал усилия по разработке материалов и устройств на основе монокристаллов SiC. Однако развитие технологий SiC-устройств в стране в настоящее время сдерживается ограничениями в области технологий обработки и качества пластин. Поэтому Китаю крайне важно улучшить возможности обработки SiC для повышения качества подложек из монокристаллов SiC, их практического применения и массового производства.
Основные этапы обработки включают в себя: резка → грубая шлифовка → тонкая шлифовка → грубая полировка (механическая полировка) → тонкая полировка (химико-механическая полировка, ХМП) → проверка.
Шаг | Обработка пластин SiC | Традиционная обработка полупроводниковых монокристаллических материалов |
Резка | Использует технологию многострунной резки для разрезания слитков SiC на тонкие пластины | Обычно используются методы резки лезвий по внутреннему или внешнему диаметру. |
Шлифовка | Разделяется на грубую и тонкую шлифовку для удаления следов пилы и поврежденных слоев, вызванных резкой. | Методы измельчения могут различаться, но цель одна. |
Полировка | Включает грубую и сверхточную полировку с использованием механической и химико-механической полировки (ХМП) | Обычно включает химико-механическую полировку (ХМП), хотя конкретные этапы могут отличаться. |
Резка монокристаллов SiC
При обработкеМонокристаллы SiC, резка является первым и крайне важным шагом. Изгиб пластины, ее коробление и общая вариация толщины (TTV), возникающие в процессе резки, определяют качество и эффективность последующих операций шлифования и полирования.
Режущие инструменты можно разделить по форме на алмазные пилы внутреннего диаметра (ID), пилы наружного диаметра (OD), ленточные пилы и канатные пилы. Канатные пилы, в свою очередь, по типу движения подразделяются на возвратно-поступательные и петлевые (бесконечные) канатные системы. В зависимости от режущего механизма абразива, методы резки канатными пилами можно разделить на два типа: резка свободным абразивом и резка алмазным канатом с фиксированным абразивом.
1.1 Традиционные методы резки
Глубина реза пил для резки по наружному диаметру (OD) ограничена диаметром полотна. В процессе резки полотно подвержено вибрации и деформациям, что приводит к высокому уровню шума и низкой жёсткости. Пилы для резки по внутреннему диаметру (ID) используют алмазные абразивы, расположенные по внутренней окружности полотна в качестве режущей кромки. Толщина таких полотен может достигать 0,2 мм. Во время резки полотно для резки по внутреннему диаметру вращается с высокой скоростью, а разрезаемый материал движется радиально относительно центра полотна, обеспечивая резку за счёт этого относительного движения.
Алмазные ленточные пилы требуют частых остановок и реверса, а скорость резки очень низкая — обычно не более 2 м/с. Они также подвержены значительному механическому износу и требуют высоких затрат на техническое обслуживание. Из-за ширины пильного полотна радиус реза не может быть слишком малым, и многослойная резка невозможна. Эти традиционные пильные инструменты ограничены жесткостью основания и не могут выполнять криволинейные пропилы или имеют ограниченный радиус поворота. Они способны выполнять только прямые пропилы, создают широкие пропилы, имеют низкую производительность и, следовательно, непригодны для резки.Кристаллы SiC.
1.2 Многоканальная резка с помощью свободной абразивной проволочной пилы
Техника резки проволочной пилой со свободным абразивом использует быстрое движение проволоки для переноса шлама в пропил, что позволяет удалять материал. В первую очередь она использует возвратно-поступательную структуру и в настоящее время является зрелым и широко используемым методом эффективной многопластинчатой резки монокристаллического кремния. Однако ее применение в резке SiC изучено менее подробно.
Пилы с проволочным резом на свободном абразиве позволяют обрабатывать пластины толщиной менее 300 мкм. Они обеспечивают низкие потери при пропиле, редко приводят к сколам и обеспечивают относительно хорошее качество поверхности. Однако из-за механизма удаления материала, основанного на прокатке и вдавливании абразива, на поверхности пластины могут образовываться значительные остаточные напряжения, микротрещины и более глубокие слои повреждений. Это приводит к короблению пластины, затрудняет контроль точности профиля поверхности и увеличивает нагрузку на последующие этапы обработки.
Качество резки во многом зависит от шлама; необходимо поддерживать остроту абразивов и их концентрацию. Переработка и утилизация шлама требуют больших затрат. При резке крупногабаритных слитков абразивы с трудом проникают в глубокие и длинные пропилы. При одинаковом размере абразивного зерна потери при пропиле выше, чем у проволочных пил с фиксированным абразивом.
1.3 Фиксированная абразивная алмазная канатная пила для многоканатной резки
Пилы с фиксированным абразивным алмазным канатом обычно изготавливаются путем внедрения алмазных частиц в подложку из стальной проволоки с помощью методов гальванизации, спекания или связывания смолой. Пилы с гальваническим алмазным канатом обладают такими преимуществами, как более узкие пропилы, лучшее качество среза, более высокая эффективность, меньшее загрязнение и способность резать материалы высокой твердости.
В настоящее время наиболее распространённым методом резки SiC является возвратно-поступательная алмазная проволочная пила с гальваническим покрытием. На рисунке 1 (здесь не показан) показана плоскостность поверхности пластин SiC, полученных этим методом. По мере резки увеличивается коробление пластины. Это связано с тем, что площадь контакта проволоки с материалом увеличивается по мере её движения вниз, что приводит к увеличению сопротивления и вибрации проволоки. Когда проволока достигает максимального диаметра пластины, вибрация достигает своего пика, что приводит к максимальной деформации.
На более поздних стадиях резки, из-за ускорения проволоки, движения с постоянной скоростью, замедления, остановки и реверсирования, а также трудностей с удалением мусора с помощью охлаждающей жидкости, качество поверхности пластины ухудшается. Реверсирование проволоки и колебания скорости, а также крупные алмазные частицы на проволоке являются основными причинами царапин на поверхности.
1.4 Технология холодного разделения
Холодное разделение монокристаллов SiC является инновационным процессом в области обработки полупроводниковых материалов третьего поколения. В последние годы он привлек значительное внимание благодаря своим заметным преимуществам в повышении выхода и сокращении потерь материала. Технологию можно проанализировать с трех сторон: принцип работы, технологический процесс и основные преимущества.
Определение ориентации кристаллов и шлифовка внешнего диаметра: Перед обработкой необходимо определить ориентацию кристаллов слитка SiC. Затем слиток формируется в цилиндрическую структуру (обычно называемую шайбой SiC) посредством шлифовки внешнего диаметра. Этот шаг закладывает основу для последующей направленной резки и нарезки.
Многопроволочная резка: этот метод использует абразивные частицы в сочетании с режущими проволоками для резки цилиндрического слитка. Однако он страдает от значительных потерь при резке и проблем с неровностью поверхности.
Технология лазерной резки: лазер используется для формирования модифицированного слоя внутри кристалла, от которого можно отделять тонкие пластины. Такой подход снижает потери материала и повышает эффективность обработки, что делает его новым перспективным направлением резки пластин SiC.
Оптимизация процесса резки
Резка фиксированной абразивной многоструйной резкой: в настоящее время это основная технология, хорошо подходящая для высоких характеристик твердости SiC.
Электроэрозионная обработка (ЭЭО) и технология холодного разделения: эти методы предоставляют разнообразные решения, адаптированные к конкретным требованиям.
Процесс полировки: важно сбалансировать скорость удаления материала и повреждение поверхности. Химико-механическая полировка (ХМП) применяется для улучшения однородности поверхности.
Мониторинг в реальном времени: Внедряются технологии онлайн-контроля для мониторинга шероховатости поверхности в режиме реального времени.
Лазерная резка: этот метод уменьшает потери при пропиле и сокращает циклы обработки, хотя зона термического воздействия остается сложной задачей.
Гибридные технологии обработки: Сочетание механических и химических методов повышает эффективность обработки.
Эта технология уже нашла промышленное применение. Например, Infineon приобрела SILTECTRA и теперь владеет основными патентами, поддерживающими массовое производство 8-дюймовых пластин. В Китае такие компании, как Delong Laser, достигли эффективности вывода 30 пластин на слиток для обработки 6-дюймовых пластин, что на 40% лучше традиционных методов.
По мере ускорения темпов развития отечественного производства оборудования ожидается, что эта технология станет основным решением для обработки подложек из карбида кремния (SiC). С увеличением диаметра полупроводниковых материалов традиционные методы резки устарели. Среди существующих вариантов наиболее перспективными являются возвратно-поступательные алмазные проволочные пилы. Лазерная резка, как новый метод, обладает значительными преимуществами и, как ожидается, станет основным методом резки в будущем.
2、Шлифование монокристаллов SiC
Карбид кремния (SiC), являясь представителем полупроводников третьего поколения, обладает значительными преимуществами благодаря широкой запрещенной зоне, высокому электрическому полю пробоя, высокой скорости дрейфа электронов насыщения и превосходной теплопроводности. Эти свойства делают SiC особенно перспективным материалом для высоковольтных приложений (например, 1200 В). Технология обработки подложек SiC является основополагающей частью производства устройств. Качество поверхности и точность подложки напрямую влияют на качество эпитаксиального слоя и характеристики конечного устройства.
Основная цель процесса шлифования — удаление следов пилы и слоев повреждений, образовавшихся во время резки, а также исправление деформации, вызванной процессом резки. Учитывая чрезвычайно высокую твердость SiC, шлифование требует использования твердых абразивов, таких как карбид бора или алмаз. Обычное шлифование обычно делится на грубое шлифование и тонкое шлифование.
2.1 Грубый и тонкий помол
Шлифование можно классифицировать по размеру абразивных частиц:
Грубое шлифование: в первую очередь используются более крупные абразивы для удаления следов пилы и поврежденных слоев, образовавшихся во время резки, что повышает эффективность обработки.
Тонкая шлифовка: использование более мелких абразивов для удаления поврежденного слоя, оставленного грубой шлифовкой, уменьшения шероховатости поверхности и повышения ее качества.
Многие отечественные производители подложек из SiC используют крупносерийные технологии производства. Распространенный метод включает двустороннюю шлифовку чугунной пластиной с использованием суспензии монокристаллических алмазов. Этот процесс эффективно удаляет поврежденный слой, оставленный проволочной пилой, корректирует форму пластины и уменьшает общую вариацию толщины (TTV), прогиб и коробление. Скорость съема материала стабильна и обычно достигает 0,8–1,2 мкм/мин. Однако получаемая поверхность пластины матовая с относительно высокой шероховатостью — обычно около 50 нм — что предъявляет повышенные требования к последующим этапам полировки.
2.2 Односторонняя шлифовка
Односторонняя шлифовка обрабатывает только одну сторону пластины за раз. Во время этого процесса пластина закрепляется воском на стальной пластине. Под действием давления подложка слегка деформируется, а верхняя поверхность выравнивается. После шлифовки нижняя поверхность выравнивается. Когда давление снимается, верхняя поверхность имеет тенденцию восстанавливать свою первоначальную форму, что также влияет на уже отшлифованную нижнюю поверхность, вызывая деформацию обеих сторон и ухудшение их плоскостности.
Более того, шлифовальная пластина может за короткое время стать вогнутой, что приведёт к выпуклости пластины. Для поддержания плоскостности пластины требуется частая правка. Из-за низкой эффективности и неплоскостности пластины односторонняя шлифовка не подходит для массового производства.
Обычно для тонкого шлифования используются шлифовальные круги №8000. В Японии этот процесс достаточно хорошо освоен, и даже используются полировальные круги №30000. Это позволяет снизить шероховатость поверхности обработанных пластин до уровня менее 2 нм, что делает их готовыми к окончательной химико-механической полировке (ХМП) без дополнительной обработки.
2.3 Технология одностороннего утонения
Технология одностороннего алмазного утончения — это новый метод одностороннего шлифования. Как показано на рисунке 5 (здесь не показано), в этом процессе используется шлифовальная пластина с алмазной связкой. Пластина фиксируется с помощью вакуумной адсорбции, при этом пластина и алмазный шлифовальный круг вращаются одновременно. Шлифовальный круг постепенно перемещается вниз, чтобы утончить пластину до целевой толщины. После завершения одной стороны пластина переворачивается для обработки другой стороны.
После утонения пластина диаметром 100 мм может достичь:
Дуга < 5 мкм
TTV < 2 мкм
Шероховатость поверхности < 1 нм
Этот метод обработки отдельных пластин обеспечивает высокую стабильность, отличную однородность и высокую скорость удаления материала. По сравнению с традиционным двусторонним шлифованием, этот метод повышает эффективность шлифования более чем на 50%.
2.4 Двусторонняя шлифовка
Двусторонняя шлифовка использует как верхнюю, так и нижнюю шлифовальную пластину для одновременной шлифовки обеих сторон подложки, обеспечивая превосходное качество поверхности с обеих сторон.
В ходе процесса шлифовальные пластины сначала оказывают давление на самые высокие точки заготовки, вызывая деформацию и постепенное удаление материала в этих точках. По мере выравнивания высоких точек давление на подложку постепенно становится более равномерным, что приводит к последовательной деформации по всей поверхности. Это позволяет равномерно шлифовать как верхнюю, так и нижнюю поверхности. После завершения шлифования и снятия давления каждая часть подложки восстанавливается равномерно из-за одинакового давления, которому она подвергалась. Это приводит к минимальной деформации и хорошей плоскостности.
Шероховатость поверхности пластины после шлифования зависит от размера абразивных частиц — более мелкие частицы дают более гладкие поверхности. При использовании абразивов размером 5 мкм для двустороннего шлифования плоскостность пластины и изменение толщины можно контролировать в пределах 5 мкм. Измерения с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) показывают шероховатость поверхности (Rq) около 100 нм с ямками шлифования глубиной до 380 нм и видимыми линейными следами, вызванными абразивным воздействием.
Более продвинутый метод предполагает двухстороннюю шлифовку с использованием пенополиуретановых дисков в сочетании с поликристаллической алмазной суспензией. Этот процесс позволяет получать пластины с очень низкой шероховатостью поверхности, достигающей Ra < 3 нм, что весьма полезно для последующей полировки подложек из SiC.
Однако проблема царапания поверхности остаётся нерешённой. Кроме того, поликристаллический алмаз, используемый в этом процессе, производится методом взрывного синтеза, что технически сложно, даёт небольшие объёмы производства и чрезвычайно дорого.
Полировка монокристаллов SiC
Для получения высококачественной полированной поверхности пластин карбида кремния (SiC) полировка должна полностью удалять ямки шлифования и нанометровые неровности поверхности. Цель — получить гладкую, бездефектную поверхность без загрязнений и деградации, без подповерхностных повреждений и без остаточных поверхностных напряжений.
3.1 Механическая полировка и ХМП пластин SiC
После выращивания монокристаллического слитка SiC дефекты поверхности не позволяют использовать его напрямую для эпитаксиального роста. Поэтому требуется дополнительная обработка. Сначала слиток формируется в стандартную цилиндрическую форму путем округления, затем разрезается на пластины с помощью резки проволокой, после чего выполняется проверка кристаллографической ориентации. Полировка является критически важным шагом в улучшении качества пластины, устраняя потенциальные повреждения поверхности, вызванные дефектами роста кристаллов и предыдущими этапами обработки.
Существует четыре основных метода удаления поверхностных повреждений на SiC:
Механическая полировка: простая, но оставляет царапины; подходит для первичной полировки.
Химико-механическая полировка (ХМП): удаляет царапины путем химического травления; подходит для прецизионной полировки.
Травление водородом: требует сложного оборудования, обычно используемого в процессах HTCVD.
Плазменная полировка: сложная и редко применяемая процедура.
Механическая полировка часто приводит к появлению царапин, а химическая — к неравномерному травлению. ХМП сочетает в себе оба преимущества и предлагает эффективное и экономичное решение.
Принцип работы CMP
Процесс ХМП основан на вращении пластины под заданным давлением относительно вращающегося полировального круга. Это относительное движение в сочетании с механическим истиранием наночастицами в суспензии и химическим воздействием реактивных агентов обеспечивает планаризацию поверхности.
Основные использованные материалы:
Полировальная суспензия: содержит абразивы и химические реагенты.
Полировальный круг: изнашивается в процессе использования, уменьшая размер пор и снижая эффективность подачи пульпы. Для восстановления шероховатости требуется регулярная правка, обычно с использованием алмазного правящего инструмента.
Типичный процесс CMP
Абразив: алмазная суспензия 0,5 мкм
Шероховатость целевой поверхности: ~0,7 нм
Химико-механическая полировка:
Полировальное оборудование: односторонний полировальный станок AP-810
Давление: 200 г/см²
Скорость вращения пластины: 50 об/мин
Скорость вращения керамического держателя: 38 об/мин
Состав суспензии:
SiO₂ (30% масс., pH = 10,15)
0–70% масс. H₂O₂ (30% масс., химически чистый)
Отрегулируйте pH до 8,5, используя 5% масс. KOH и 1% масс. HNO₃
Расход шлама: 3 л/мин, рециркулируемый
Этот процесс эффективно улучшает качество пластин SiC и отвечает требованиям последующих процессов.
Технические проблемы механической полировки
SiC, как широкозонный полупроводник, играет важнейшую роль в электронной промышленности. Благодаря превосходным физическим и химическим свойствам, монокристаллы SiC подходят для экстремальных условий, таких как высокие температуры, высокие частоты, высокая мощность и радиационная стойкость. Однако его твёрдость и хрупкость создают серьёзные трудности при шлифовке и полировке.
По мере перехода ведущих мировых производителей с 6-дюймовых на 8-дюймовые пластины такие проблемы, как растрескивание и повреждение пластин в процессе обработки, стали более заметными, что существенно влияет на выход годных изделий. Решение технических проблем, связанных с 8-дюймовыми подложками из SiC, в настоящее время является ключевым ориентиром для развития отрасли.
В эпоху 8-дюймовых пластин обработка SiC сталкивается с многочисленными проблемами:
Масштабирование пластин необходимо для увеличения выхода чипов за партию, снижения потерь на кромках и снижения производственных затрат, особенно с учетом растущего спроса в электромобилях.
Несмотря на то, что выращивание 8-дюймовых монокристаллов SiC достигло зрелости, такие конечные процессы, как шлифовка и полировка, по-прежнему сталкиваются с узкими местами, что приводит к низкому выходу продукции (всего 40–50%).
Более крупные пластины испытывают более сложное распределение давления, что усложняет управление напряжением полировки и постоянством выхода годного.
Хотя толщина 8-дюймовых пластин приближается к толщине 6-дюймовых пластин, они более подвержены повреждениям при транспортировке из-за напряжений и коробления.
Для снижения напряжения, коробления и растрескивания, связанных с резкой, все чаще используется лазерная резка. Однако:
Длинноволновые лазеры вызывают термические повреждения.
Коротковолновые лазеры создают тяжелые частицы и углубляют поврежденный слой, что усложняет полировку.
Рабочий процесс механической полировки SiC
Общая последовательность процесса включает в себя:
Ориентационная резка
Грубый помол
Тонкий помол
Механическая полировка
Химико-механическая полировка (ХМП) как заключительный этап
Выбор метода ХМП, проектирование технологического маршрута и оптимизация параметров имеют решающее значение. В производстве полупроводников ХМП является определяющим этапом для получения SiC-пластин с ультрагладкой, бездефектной и неповрежденной поверхностью, что необходимо для высококачественного эпитаксиального роста.
(а) Извлеките слиток SiC из тигля;
(б) Выполнить начальную формовку с помощью шлифования наружного диаметра;
(c) Определите ориентацию кристалла с помощью установочных плоскостей или выемок;
(d) Разрежьте слиток на тонкие пластины с помощью многопроволочной пилы;
(e) Достижение зеркальной гладкости поверхности путем шлифования и полировки.
После завершения ряда этапов обработки внешний край пластины SiC часто становится острым, что увеличивает риск сколов при транспортировке или использовании. Чтобы избежать этой хрупкости, требуется шлифовка кромок.
Помимо традиционных процессов нарезки, инновационный метод изготовления пластин SiC включает технологию сращивания. Этот подход позволяет изготавливать пластины путем присоединения тонкого монокристаллического слоя SiC к гетерогенной подложке (подложке-подложке).
Рисунок 3 иллюстрирует последовательность процесса:
Сначала на поверхности монокристалла SiC формируется слой отслоения на заданной глубине с помощью имплантации ионов водорода или аналогичного метода. Обработанный монокристалл SiC затем приклеивается к плоской подложке и подвергается воздействию давления и нагрева. Это позволяет успешно перенести и отделить слой монокристалла SiC на подложку.
Отделённый слой SiC подвергается поверхностной обработке для достижения необходимой плоскостности и может быть повторно использован в последующих процессах сращивания. По сравнению с традиционной резкой кристаллов SiC, этот метод снижает потребность в дорогостоящих материалах. Несмотря на сохраняющиеся технические сложности, исследования и разработки активно развиваются, чтобы обеспечить более низкозатратное производство пластин.
Учитывая высокую твердость и химическую стабильность SiC, что делает его устойчивым к реакциям при комнатной температуре, для удаления мелких шлифовальных раковин, уменьшения повреждений поверхности, устранения царапин, раковин и дефектов типа «апельсиновая корка», снижения шероховатости поверхности, улучшения плоскостности и повышения качества поверхности требуется механическая полировка.
Для получения качественной полированной поверхности необходимо:
Отрегулируйте типы абразивов,
Уменьшить размер частиц,
Оптимизировать параметры процесса,
Выбирайте полировальные материалы и полировальные круги достаточной твердости.
На рисунке 7 показано, что двусторонняя полировка абразивами размером 1 мкм позволяет контролировать плоскостность и изменение толщины в пределах 10 мкм, а также снижать шероховатость поверхности примерно до 0,25 нм.
3.2 Химико-механическая полировка (ХМП)
Химико-механическая полировка (ХМП) сочетает в себе ультратонкую абразивную обработку и химическое травление для формирования гладкой, ровной поверхности обрабатываемого материала. Основной принцип:
Между полировальной суспензией и поверхностью пластины происходит химическая реакция, в результате которой образуется мягкий слой.
Трение между абразивными частицами и мягким слоем приводит к удалению материала.
Преимущества КМП:
Устраняет недостатки чисто механической или химической полировки,
Обеспечивает как глобальную, так и локальную планаризацию,
Создает поверхности с высокой плоскостностью и низкой шероховатостью,
Не оставляет поверхностных и подповерхностных повреждений.
Подробно:
Пластина перемещается относительно полировальной головки под давлением.
Абразивные частицы нанометрового размера (например, SiO₂) в суспензии участвуют в сдвиге, ослабляя ковалентные связи Si–C и улучшая удаление материала.
Типы методов CMP:
Полировка свободным абразивом: Абразивы (например, SiO₂) взвешены в пульпе. Удаление материала происходит посредством трехкомпонентной абразивной обработки (пластина–подушка–абразив). Размер абразива (обычно 60–200 нм), pH и температура должны точно контролироваться для улучшения однородности.
Полировка фиксированным абразивом: абразивы встроены в полировальный круг, чтобы предотвратить агломерацию — идеально для высокоточной обработки.
Очистка после полировки:
Полированные пластины подвергаются:
Химическая очистка (включая удаление деионизированной воды и остатков шлама),
Промывка деионизированной водой и
Сушка горячим азотом
для минимизации поверхностных загрязнений.
Качество поверхности и эксплуатационные характеристики
Шероховатость поверхности может быть снижена до Ra < 0,3 нм, что соответствует требованиям полупроводниковой эпитаксии.
Глобальная планаризация: сочетание химического размягчения и механического удаления уменьшает царапины и неравномерное травление, превосходя по эффективности чисто механические или химические методы.
Высокая эффективность: подходит для твердых и хрупких материалов, таких как SiC, со скоростью съема материала более 200 нм/ч.
Другие новые методы полировки
Помимо ХМП были предложены альтернативные методы, в том числе:
Электрохимическая полировка, полировка или травление с использованием катализатора, а также
Трибохимическая полировка.
Однако эти методы все еще находятся на стадии исследований и развиваются медленно из-за сложных свойств материала SiC.
В конечном итоге обработка SiC представляет собой постепенный процесс уменьшения коробления и шероховатости для улучшения качества поверхности, где контроль плоскостности и шероховатости имеет решающее значение на каждом этапе.
Технология обработки
На этапе шлифования пластин алмазная суспензия с различными размерами частиц используется для шлифования пластины до необходимой плоскостности и шероховатости поверхности. Затем следует полировка с использованием как механических, так и химико-механических методов полировки (ХМП) для получения полированных пластин из карбида кремния (SiC) без повреждений.
После полировки пластины SiC проходят строгий контроль качества с использованием таких инструментов, как оптические микроскопы и рентгеновские дифрактометры, чтобы гарантировать, что все технические параметры соответствуют требуемым стандартам. Наконец, отполированные пластины очищаются с использованием специализированных чистящих средств и сверхчистой воды для удаления поверхностных загрязнений. Затем их сушат с использованием сверхчистого азотного газа и центрифужных сушилок, завершая весь процесс производства.
После многих лет усилий в Китае был достигнут значительный прогресс в обработке монокристаллов SiC. Внутри страны были успешно разработаны 100-миллиметровые легированные полуизолирующие монокристаллы 4H-SiC, а монокристаллы n-типа 4H-SiC и 6H-SiC теперь можно производить партиями. Такие компании, как TankeBlue и TYST, уже разработали 150-миллиметровые монокристаллы SiC.
Что касается технологии обработки пластин SiC, то отечественные институты предварительно изучили технологические условия и маршруты резки, шлифовки и полировки кристаллов. Они способны производить образцы, которые в основном соответствуют требованиям для изготовления устройств. Однако по сравнению с международными стандартами качество обработки поверхности отечественных пластин все еще значительно отстает. Существует несколько проблем:
Международные теории и технологии обработки SiC тщательно охраняются и нелегкодоступны.
Отсутствуют теоретические исследования и поддержка улучшения и оптимизации процессов.
Стоимость импорта зарубежного оборудования и комплектующих высока.
Отечественные исследования в области проектирования оборудования, точности обработки и материалов по-прежнему значительно отстают от международного уровня.
В настоящее время большинство высокоточных приборов, используемых в Китае, импортируются. Испытательное оборудование и методики также требуют дальнейшего совершенствования.
С развитием полупроводников третьего поколения диаметр монокристаллических подложек SiC неуклонно увеличивается, а вместе с ним и требования к качеству обработки поверхности. Технология обработки пластин стала одним из наиболее технически сложных этапов после выращивания монокристаллов SiC.
Для решения существующих проблем в области обработки необходимо дальнейшее изучение механизмов резки, шлифовки и полировки, а также поиск подходящих технологических методов и маршрутов для производства пластин SiC. Одновременно необходимо перенимать передовые международные технологии обработки и внедрять современные методы и оборудование сверхточной обработки для производства высококачественных подложек.
С увеличением размера пластины возрастает сложность выращивания и обработки кристаллов. Однако эффективность производства последующих устройств значительно повышается, а себестоимость единицы продукции снижается. В настоящее время основные мировые поставщики SiC-пластин предлагают продукцию диаметром от 4 до 6 дюймов. Ведущие компании, такие как Cree и II-VI, уже начали планировать разработку линий по производству 8-дюймовых SiC-пластин.
Время публикации: 23 мая 2025 г.