Ang Kasalukuyang Katayuan at Trend ng SiC Wafer Processing Technology

Bilang isang third-generation semiconductor substrate material,silikon karbida (SiC)Ang solong kristal ay may malawak na mga prospect ng aplikasyon sa paggawa ng mga high-frequency at high-power na electronic device. Ang teknolohiya ng pagpoproseso ng SiC ay gumaganap ng isang mapagpasyang papel sa paggawa ng mga de-kalidad na materyales ng substrate. Ipinakilala ng artikulong ito ang kasalukuyang estado ng pananaliksik sa mga teknolohiya sa pagpoproseso ng SiC sa China at sa ibang bansa, na sinusuri at pinaghahambing ang mga mekanismo ng proseso ng pagputol, paggiling, at pag-polish, pati na rin ang mga uso sa flatness ng wafer at pagkamagaspang sa ibabaw. Itinuturo din nito ang mga umiiral na hamon sa pagpoproseso ng SiC wafer at tinatalakay ang mga direksyon sa pag-unlad sa hinaharap.

Silicon carbide (SiC)ang mga wafer ay mga kritikal na pundasyong materyales para sa mga third-generation na semiconductor na device at may malaking kahalagahan at potensyal sa merkado sa mga larangan tulad ng microelectronics, power electronics, at semiconductor lighting. Dahil sa napakataas na tigas at katatagan ng kemikal ngSiC solong kristal, ang mga tradisyonal na pamamaraan ng pagproseso ng semiconductor ay hindi ganap na angkop para sa kanilang machining. Bagama't maraming mga internasyonal na kumpanya ang nagsagawa ng malawak na pananaliksik sa teknikal na hinihingi na pagproseso ng mga solong kristal ng SiC, ang mga nauugnay na teknolohiya ay mahigpit na pinananatiling kumpidensyal.

Sa mga nagdaang taon, ang Tsina ay nagpalaki ng mga pagsisikap sa pagbuo ng mga SiC na solong kristal na materyales at aparato. Gayunpaman, ang pagsulong ng teknolohiya ng SiC device sa bansa ay kasalukuyang napipigilan ng mga limitasyon sa mga teknolohiya sa pagproseso at kalidad ng wafer. Samakatuwid, mahalaga para sa Tsina na mapabuti ang mga kakayahan sa pagpoproseso ng SiC upang mapahusay ang kalidad ng mga solong kristal na substrate ng SiC at makamit ang kanilang praktikal na aplikasyon at mass production.

Kabilang sa mga pangunahing hakbang sa pagproseso ang: pagputol → magaspang na paggiling → pinong paggiling → magaspang na buli (mechanical polishing) → pinong buli (chemical mechanical polishing, CMP) → inspeksyon.

Pagputol ng SiC Single Crystals

Sa pagproseso ngSiC solong kristal, ang pagputol ay ang una at isang lubhang kritikal na hakbang. Tinutukoy ng bow, warp, at total thickness variation (TTV) ng wafer na nagreresulta mula sa proseso ng pagputol ang kalidad at pagiging epektibo ng mga kasunod na operasyon ng paggiling at pag-polish.

Ang mga tool sa pagputol ay maaaring ikategorya ayon sa hugis sa diamond inner diameter (ID) saws, outer diameter (OD) saws, band saws, at wire saws. Ang mga wire saws, sa turn, ay maaaring uriin ayon sa kanilang uri ng paggalaw sa reciprocating at loop (walang katapusang) wire system. Batay sa mekanismo ng pagputol ng nakasasakit, ang mga diskarte sa paghiwa ng wire saw ay maaaring nahahati sa dalawang uri: libreng abrasive wire sawing at fixed abrasive diamond wire sawing.

1.1 Mga Tradisyunal na Paraan ng Pagputol

Ang lalim ng pagputol ng outer diameter (OD) saws ay limitado ng diameter ng blade. Sa panahon ng proseso ng pagputol, ang talim ay madaling kapitan ng panginginig ng boses at paglihis, na nagreresulta sa mataas na antas ng ingay at mahinang tigas. Ang inner diameter (ID) saws ay gumagamit ng diamond abrasive sa inner circumference ng blade bilang cutting edge. Ang mga blades na ito ay maaaring kasing manipis ng 0.2 mm. Sa panahon ng paghiwa, ang ID blade ay umiikot nang napakabilis habang ang materyal na puputulin ay gumagalaw nang radially sa gitna ng blade, na nakakamit ng paghiwa sa pamamagitan ng kaugnay na paggalaw na ito.

Ang mga diamond band saws ay nangangailangan ng madalas na paghinto at pagbabalik, at ang bilis ng pagputol ay napakababa—karaniwang hindi hihigit sa 2 m/s. Nagdurusa din sila sa makabuluhang mekanikal na pagkasuot at mataas na gastos sa pagpapanatili. Dahil sa lapad ng saw blade, ang cutting radius ay hindi maaaring masyadong maliit, at hindi posible ang multi-slice cutting. Ang mga tradisyunal na tool sa paglalagari ay nalilimitahan ng tigas ng base at hindi maaaring gumawa ng mga hubog na hiwa o may limitadong radii ng pagliko. Ang mga ito ay may kakayahan lamang sa mga tuwid na pagbawas, gumawa ng malalawak na kerf, may mababang rate ng ani, at sa gayon ay hindi angkop para sa pagputol.Mga kristal ng SiC.

1.2 Libreng Abrasive Wire Saw Multi-Wire Cutting

Ang libreng abrasive wire saw slicing technique ay gumagamit ng mabilis na paggalaw ng wire upang dalhin ang slurry sa kerf, na nagbibigay-daan sa pag-alis ng materyal. Pangunahing ginagamit nito ang isang reciprocating structure at kasalukuyang isang mature at malawakang ginagamit na paraan para sa mahusay na multi-wafer cutting ng single-crystal silicon. Gayunpaman, ang aplikasyon nito sa pagputol ng SiC ay hindi gaanong pinag-aralan.

Ang mga libreng abrasive wire saws ay maaaring magproseso ng mga wafer na may kapal na mas mababa sa 300 μm. Nag-aalok sila ng mababang pagkawala ng kerf, bihirang maging sanhi ng chipping, at nagreresulta sa medyo magandang kalidad ng ibabaw. Gayunpaman, dahil sa mekanismo ng pag-alis ng materyal—batay sa pag-roll at indentation ng mga abrasive—may posibilidad na bumuo ang wafer surface ng makabuluhang natitirang stress, microcracks, at mas malalim na mga layer ng pinsala. Ito ay humahantong sa wafer warping, ginagawa itong mahirap na kontrolin ang katumpakan ng profile sa ibabaw, at pinapataas ang pagkarga sa mga susunod na hakbang sa pagproseso.

Ang pagganap ng pagputol ay labis na naiimpluwensyahan ng slurry; ito ay kinakailangan upang mapanatili ang sharpness ng abrasives at ang konsentrasyon ng slurry. Ang slurry treatment at recycling ay magastos. Kapag pinuputol ang malalaking laki ng mga ingot, ang mga abrasive ay nahihirapang tumagos sa malalim at mahabang mga kerf. Sa ilalim ng parehong laki ng abrasive na butil, ang pagkawala ng kerf ay mas malaki kaysa sa fixed-abrasive wire saws.

1.3 Fixed Abrasive Diamond Wire Saw Multi-Wire Cutting

Ang mga nakapirming abrasive na diamond wire saws ay karaniwang ginagawa sa pamamagitan ng pag-embed ng mga particle ng brilyante sa isang steel wire substrate sa pamamagitan ng electroplating, sintering, o resin bonding method. Ang mga electroplated diamond wire saws ay nag-aalok ng mga pakinabang tulad ng mas makitid na mga kerf, mas mahusay na kalidad ng slice, mas mataas na kahusayan, mas mababang kontaminasyon, at ang kakayahang mag-cut ng mga materyales na may mataas na tigas.

Ang reciprocating electroplated diamond wire saw ay kasalukuyang pinakamalawak na ginagamit na paraan para sa pagputol ng SiC. Ang Figure 1 (hindi ipinapakita dito) ay naglalarawan ng flatness sa ibabaw ng SiC wafers na pinutol gamit ang diskarteng ito. Habang tumatagal ang pagputol, tumataas ang wafer warpage. Ito ay dahil ang lugar ng contact sa pagitan ng wire at ng materyal ay tumataas habang ang wire ay gumagalaw pababa, na nagpapataas ng resistensya at wire vibration. Kapag ang wire ay umabot sa maximum na diameter ng wafer, ang vibration ay nasa tuktok nito, na nagreresulta sa maximum na warpage.

Sa mga huling yugto ng pagputol, dahil sa bumibilis ang wire, stable-speed movement, deceleration, stopping, at reversal, kasama ang mga kahirapan sa pag-alis ng mga debris gamit ang coolant, lumalala ang kalidad ng ibabaw ng wafer. Ang pagbabaligtad ng kawad at mga pagbabago sa bilis, pati na rin ang malalaking particle ng brilyante sa wire, ang mga pangunahing sanhi ng mga gasgas sa ibabaw.

1.4 Cold Separation Technology

Ang malamig na paghihiwalay ng mga solong kristal ng SiC ay isang makabagong proseso sa larangan ng pagproseso ng materyal na semiconductor ng ikatlong henerasyon. Sa mga nagdaang taon, nakakuha ito ng makabuluhang atensyon dahil sa mga kapansin-pansing pakinabang nito sa pagpapabuti ng ani at pagbabawas ng pagkawala ng materyal. Maaaring masuri ang teknolohiya mula sa tatlong aspeto: prinsipyo ng pagtatrabaho, daloy ng proseso, at pangunahing mga pakinabang.

Crystal Orientation Determination at Outer Diameter Grinding: Bago ang pagproseso, dapat matukoy ang crystal orientation ng SiC ingot. Ang ingot ay hinuhubog sa isang cylindrical na istraktura (karaniwang tinatawag na SiC puck) sa pamamagitan ng outer diameter grinding. Ang hakbang na ito ay naglalagay ng pundasyon para sa kasunod na itinuro na pagputol at pagpipiraso.

Multi-Wire Cutting: Gumagamit ang paraang ito ng mga abrasive na particle na sinamahan ng pagputol ng mga wire upang hatiin ang cylindrical ingot. Gayunpaman, naghihirap ito mula sa makabuluhang pagkawala ng kerf at mga isyu sa hindi pagkakapantay-pantay sa ibabaw.

Laser Cutting Technology: Ang isang laser ay ginagamit upang bumuo ng isang binagong layer sa loob ng kristal, kung saan ang mga manipis na hiwa ay maaaring tanggalin. Binabawasan ng diskarteng ito ang pagkawala ng materyal at pinahuhusay ang kahusayan sa pagproseso, na ginagawa itong isang promising na bagong direksyon para sa pagputol ng SiC wafer.

Pag-optimize ng Proseso ng Pagputol

Fixed Abrasive Multi-Wire Cutting: Ito ang kasalukuyang pangunahing teknolohiya, na angkop para sa mataas na tigas na katangian ng SiC.

Electrical Discharge Machining (EDM) at Cold Separation Technology: Nagbibigay ang mga pamamaraang ito ng sari-saring solusyon na iniayon sa mga partikular na kinakailangan.

Proseso ng Polishing: Mahalagang balansehin ang bilis ng pag-alis ng materyal at pinsala sa ibabaw. Ang Chemical Mechanical Polishing (CMP) ay ginagamit upang mapabuti ang pagkakapareho ng ibabaw.

Real-Time na Pagsubaybay: Ang mga teknolohiya sa online na inspeksyon ay ipinakilala upang subaybayan ang pagkamagaspang sa ibabaw sa real-time.

Laser Slicing: Binabawasan ng diskarteng ito ang pagkawala ng kerf at pinaikli ang mga cycle ng pagpoproseso, kahit na nananatiling isang hamon ang apektadong thermal zone.

Hybrid Processing Technologies: Ang pagsasama-sama ng mga mekanikal at kemikal na pamamaraan ay nagpapahusay sa kahusayan sa pagproseso.

Nakamit na ng teknolohiyang ito ang pang-industriyang aplikasyon. Ang Infineon, halimbawa, ay nakakuha ng SILTECTRA at ngayon ay may hawak na mga pangunahing patent na sumusuporta sa mass production ng 8-inch na mga wafer. Sa China, ang mga kumpanyang tulad ng Delong Laser ay nakamit ang kahusayan sa output na 30 wafer bawat ingot para sa 6-pulgadang pagpoproseso ng wafer, na kumakatawan sa isang 40% na pagpapabuti sa mga tradisyonal na pamamaraan.

Habang bumibilis ang pagmamanupaktura ng domestic equipment, inaasahang magiging pangunahing solusyon ang teknolohiyang ito para sa pagproseso ng substrate ng SiC. Sa pagtaas ng diameter ng mga materyales ng semiconductor, ang mga tradisyonal na pamamaraan ng pagputol ay naging lipas na. Kabilang sa mga kasalukuyang opsyon, ang reciprocating diamond wire saw na teknolohiya ay nagpapakita ng pinaka-promising na mga prospect ng aplikasyon. Ang pagputol ng laser, bilang isang umuusbong na pamamaraan, ay nag-aalok ng mga makabuluhang pakinabang at inaasahang magiging pangunahing paraan ng pagputol sa hinaharap.

2,SiC Single Crystal Grinding

Bilang kinatawan ng mga third-generation semiconductors, nag-aalok ang silicon carbide (SiC) ng mga makabuluhang bentahe dahil sa malawak nitong bandgap, mataas na breakdown electric field, mataas na saturation electron drift velocity, at mahusay na thermal conductivity. Ang mga katangiang ito ay ginagawang partikular na kapaki-pakinabang ang SiC sa mga high-voltage na aplikasyon (hal., 1200V na kapaligiran). Ang teknolohiya sa pagpoproseso para sa mga substrate ng SiC ay isang pangunahing bahagi ng paggawa ng device. Ang kalidad ng ibabaw at katumpakan ng substrate ay direktang nakakaapekto sa kalidad ng epitaxial layer at ang pagganap ng panghuling aparato.

Ang pangunahing layunin ng proseso ng paggiling ay upang alisin ang mga marka ng lagari sa ibabaw at pinsala sa mga layer na dulot ng paghiwa, at upang itama ang pagpapapangit na dulot ng proseso ng pagputol. Dahil sa napakataas na tigas ng SiC, ang paggiling ay nangangailangan ng paggamit ng mga matitigas na abrasive tulad ng boron carbide o brilyante. Ang karaniwang paggiling ay karaniwang nahahati sa magaspang na paggiling at pinong paggiling.

2.1 Magaspang at Pinong Paggiling

Ang paggiling ay maaaring ikategorya batay sa laki ng nakasasakit na butil:

Magaspang na Paggiling: Gumagamit ng mas malalaking abrasive upang maalis ang mga marka ng lagari at mga layer ng pinsala na dulot sa panahon ng paghiwa, pagpapabuti ng kahusayan sa pagproseso.

Fine Grinding: Gumagamit ng mas pinong abrasive para alisin ang damage layer na natitira sa pamamagitan ng coarse grinding, bawasan ang pagkamagaspang sa ibabaw, at pagandahin ang kalidad ng surface.

Maraming mga domestic SiC substrate manufacturer ang gumagamit ng malakihang proseso ng produksyon. Ang isang karaniwang paraan ay kinabibilangan ng double-sided grinding gamit ang isang cast iron plate at monocrystalline diamond slurry. Ang prosesong ito ay epektibong nag-aalis ng pinsalang layer na iniwan ng wire sawing, itinatama ang hugis ng wafer, at binabawasan ang TTV (Total Thickness Variation), Bow, at Warp. Ang bilis ng pag-alis ng materyal ay stable, karaniwang umaabot sa 0.8–1.2 μm/min. Gayunpaman, ang nagreresultang ibabaw ng wafer ay matte na may medyo mataas na pagkamagaspang—karaniwan ay humigit-kumulang 50 nm—na nagpapataw ng mas mataas na pangangailangan sa kasunod na mga hakbang sa pag-polish.

2.2 Single-Sided Grinding

Isang panig lang ng wafer ang pinoproseso ng single-sided grinding sa isang pagkakataon. Sa prosesong ito, ang wafer ay nakakabit sa isang bakal na plato. Sa ilalim ng inilapat na presyon, ang substrate ay sumasailalim sa bahagyang pagpapapangit, at ang itaas na ibabaw ay pipi. Pagkatapos ng paggiling, ang mas mababang ibabaw ay leveled. Kapag inalis ang presyon, ang itaas na ibabaw ay may posibilidad na bumawi sa orihinal nitong hugis, na nakakaapekto rin sa naka-ground na ibabang ibabaw—na nagiging sanhi ng magkabilang panig sa pag-warp at pagbaba sa pagiging patag.

Bukod dito, ang grinding plate ay maaaring maging malukong sa maikling panahon, na nagiging sanhi ng ostiya upang maging matambok. Upang mapanatili ang patag ng plato, kinakailangan ang madalas na pagbibihis. Dahil sa mababang kahusayan at mahinang wafer flatness, ang single-sided grinding ay hindi angkop para sa mass production.

Kadalasan, ginagamit ang #8000 grinding wheels para sa pinong paggiling. Sa Japan, ang prosesong ito ay medyo mature at kahit na gumagamit ng #30000 polishing wheels. Pinapayagan nito ang pagkamagaspang sa ibabaw ng mga naprosesong wafer na umabot sa ibaba 2 nm, na ginagawang handa ang mga wafer para sa huling CMP (Chemical Mechanical Polishing) nang walang karagdagang pagproseso.

2.3 Single-Sided Thinning Technology

Ang Diamond Single-Sided Thinning Technology ay isang nobelang paraan ng single-side grinding. Gaya ng inilalarawan sa Figure 5 (hindi ipinapakita dito), ang proseso ay gumagamit ng isang diamond-bonded grinding plate. Ang wafer ay naayos sa pamamagitan ng vacuum adsorption, habang parehong umiikot ang wafer at ang diamond grinding wheel. Ang grinding wheel ay unti-unting gumagalaw pababa upang manipis ang wafer sa isang target na kapal. Matapos makumpleto ang isang panig, ang wafer ay binaligtad upang iproseso ang kabilang panig.

Pagkatapos ng paggawa ng malabnaw, ang isang 100 mm wafer ay makakamit:

Bow < 5 μm

TTV < 2 μm

Kagaspangan ng ibabaw < 1 nm

Nag-aalok ang single-wafer processing method na ito ng mataas na stability, mahusay na consistency, at mataas na rate ng pag-alis ng materyal. Kung ikukumpara sa maginoo na double-sided grinding, ang diskarteng ito ay nagpapabuti sa kahusayan ng paggiling ng higit sa 50%.

2.4 Dalawang-Panig na Paggiling

Ang double-sided grinding ay gumagamit ng parehong upper at lower grinding plate upang sabay-sabay na gilingin ang magkabilang panig ng substrate, na tinitiyak ang mahusay na kalidad ng ibabaw sa magkabilang panig.

Sa panahon ng proseso, ang mga grinding plate ay unang naglalagay ng presyon sa pinakamataas na punto ng workpiece, na nagiging sanhi ng pagpapapangit at unti-unting pag-alis ng materyal sa mga puntong iyon. Habang ang mga matataas na lugar ay na-leveled, ang presyon sa substrate ay unti-unting nagiging mas pare-pareho, na nagreresulta sa pare-parehong pagpapapangit sa buong ibabaw. Ito ay nagbibigay-daan sa parehong itaas at mas mababang mga ibabaw upang maging pantay na lupa. Kapag nakumpleto na ang paggiling at nailabas ang presyon, ang bawat bahagi ng substrate ay pantay na bumabawi dahil sa pantay na presyon na naranasan nito. Ito ay humahantong sa minimal na warping at magandang flatness.

Ang pagkamagaspang sa ibabaw ng wafer pagkatapos ng paggiling ay depende sa nakasasakit na laki ng butil—mas maliliit na particle ang nagbubunga ng mas makinis na mga ibabaw. Kapag gumagamit ng 5 μm abrasive para sa double-sided grinding, ang wafer flatness at kapal ay maaaring kontrolin sa loob ng 5 μm. Ang mga sukat ng Atomic Force Microscopy (AFM) ay nagpapakita ng pagkamagaspang sa ibabaw (Rq) na humigit-kumulang 100 nm, na may mga nakakagiling na hukay na hanggang 380 nm ang lalim at nakikitang mga linear na marka na dulot ng abrasive na pagkilos.

Ang isang mas advanced na paraan ay nagsasangkot ng double-sided grinding gamit ang polyurethane foam pad na sinamahan ng polycrystalline diamond slurry. Ang prosesong ito ay gumagawa ng mga wafer na may napakababang pagkamagaspang sa ibabaw, na nakakamit ng Ra <3 nm, na lubos na kapaki-pakinabang para sa kasunod na buli ng mga substrate ng SiC.

Gayunpaman, ang scratching sa ibabaw ay nananatiling hindi nalutas na isyu. Bukod pa rito, ang polycrystalline na brilyante na ginamit sa prosesong ito ay ginawa sa pamamagitan ng explosive synthesis, na teknikal na mapaghamong, nagbubunga ng mababang dami, at napakamahal.

Pagpapakintab ng SiC Single Crystals

Upang makamit ang isang mataas na kalidad na pinakintab na ibabaw sa mga wafer ng silicon carbide (SiC), dapat na ganap na alisin ng polishing ang mga grinding pit at nanometer-scale surface undulations. Ang layunin ay gumawa ng makinis, walang depekto na ibabaw na walang kontaminasyon o pagkasira, walang pinsala sa ilalim ng ibabaw, at walang natitirang stress sa ibabaw.

3.1 Mechanical Polishing at CMP ng SiC Wafers

Pagkatapos ng paglaki ng isang SiC single crystal ingot, pinipigilan ito ng mga depekto sa ibabaw na direktang magamit para sa paglaki ng epitaxial. Samakatuwid, kinakailangan ang karagdagang pagproseso. Ang ingot ay unang hinuhubog sa isang karaniwang cylindrical na anyo sa pamamagitan ng rounding, pagkatapos ay hiniwa sa mga wafer gamit ang wire cutting, na sinusundan ng crystallographic orientation verification. Ang polishing ay isang kritikal na hakbang sa pagpapabuti ng kalidad ng wafer, pagtugon sa potensyal na pinsala sa ibabaw na dulot ng mga depekto sa paglaki ng kristal at mga naunang hakbang sa pagproseso.

Mayroong apat na pangunahing pamamaraan para sa pag-alis ng mga layer ng pinsala sa ibabaw sa SiC:

Mechanical polishing: Simple ngunit nag-iiwan ng mga gasgas; angkop para sa paunang buli.

Chemical Mechanical Polishing (CMP): Tinatanggal ang mga gasgas sa pamamagitan ng chemical etching; angkop para sa precision buli.

Hydrogen etching: Nangangailangan ng kumplikadong kagamitan, na karaniwang ginagamit sa mga proseso ng HTCVD.

Plasma-assisted polishing: Kumplikado at bihirang gamitin.

Ang mekanikal-lamang na buli ay may posibilidad na magdulot ng mga gasgas, habang ang kemikal-lamang na buli ay maaaring humantong sa hindi pantay na pag-ukit. Pinagsasama ng CMP ang parehong mga pakinabang at nag-aalok ng isang mahusay, cost-effective na solusyon.

Prinsipyo ng Paggawa ng CMP

Gumagana ang CMP sa pamamagitan ng pag-ikot ng wafer sa ilalim ng isang nakatakdang presyon laban sa isang umiikot na polishing pad. Ang kamag-anak na paggalaw na ito, na sinamahan ng mekanikal na abrasion mula sa nano-sized na mga abrasive sa slurry at ang kemikal na pagkilos ng mga reaktibong ahente, ay nakakamit ng surface planarization.

Mga pangunahing materyales na ginamit:

Polishing slurry: Naglalaman ng mga abrasive at chemical reagents.

Polishing pad: Nawawala habang ginagamit, binabawasan ang laki ng butas at kahusayan sa paghahatid ng slurry. Ang regular na pagbibihis, kadalasang gumagamit ng diamond dresser, ay kinakailangan upang maibalik ang pagkamagaspang.

Karaniwang Proseso ng CMP

Abrasive: 0.5 μm diamond slurry

Target na pagkamagaspang sa ibabaw: ~0.7 nm

Chemical Mechanical Polishing:

Kagamitan sa pagpapakintab: AP-810 single-sided polisher

Presyon: 200 g/cm²

Bilis ng plato: 50 rpm

Bilis ng ceramic holder: 38 rpm

Komposisyon ng slurry:

SiO₂ (30 wt%, pH = 10.15)

0–70 wt% H₂O₂ (30 wt%, reagent grade)

Ayusin ang pH sa 8.5 gamit ang 5 wt% KOH at 1 wt% HNO₃

Rate ng daloy ng slurry: 3 L/min, na-recirculate

Ang prosesong ito ay epektibong nagpapabuti sa kalidad ng SiC wafer at nakakatugon sa mga kinakailangan para sa mga proseso sa ibaba ng agos.

Mga Teknikal na Hamon sa Mechanical Polishing

Ang SiC, bilang isang malawak na bandgap semiconductor, ay gumaganap ng mahalagang papel sa industriya ng electronics. May mahusay na pisikal at kemikal na mga katangian, ang SiC solong kristal ay angkop para sa matinding kapaligiran, tulad ng mataas na temperatura, mataas na dalas, mataas na kapangyarihan, at paglaban sa radiation. Gayunpaman, ang matigas at malutong nitong kalikasan ay nagpapakita ng mga pangunahing hamon para sa paggiling at pagpapakintab.

Habang lumilipat ang mga nangungunang pandaigdigang tagagawa mula sa 6-pulgada hanggang 8-pulgada na mga wafer, ang mga isyu gaya ng pag-crack at pagkasira ng wafer sa panahon ng pagproseso ay naging mas kitang-kita, na makabuluhang nakakaapekto sa ani. Ang pagtugon sa mga teknikal na hamon ng 8-pulgadang SiC substrates ay isa na ngayong pangunahing benchmark para sa pagsulong ng industriya.

Sa 8-pulgadang panahon, ang pagpoproseso ng SiC wafer ay nahaharap sa maraming hamon:

Kinakailangan ang pag-scale ng wafer upang mapataas ang output ng chip sa bawat batch, mabawasan ang pagkawala ng gilid, at mapababa ang mga gastos sa produksyon—lalo na dahil sa tumataas na demand sa mga application ng electric vehicle.

Habang ang paglaki ng 8-pulgadang SiC na solong kristal ay nag-mature, ang mga back-end na proseso tulad ng paggiling at pag-polish ay nahaharap pa rin sa mga bottleneck, na nagreresulta sa mababang ani (40–50%) lamang.

Ang mga malalaking wafer ay nakakaranas ng mas kumplikadong mga distribusyon ng presyon, na nagpapataas ng kahirapan sa pamamahala ng polishing stress at pagkakapare-pareho ng ani.

Bagama't ang kapal ng 8-pulgadang wafer ay malapit na sa 6-pulgada na wafer, mas madaling masira ang mga ito habang hinahawakan dahil sa stress at pag-warping.

Upang mabawasan ang stress na nauugnay sa pagputol, warpage, at pag-crack, lalong ginagamit ang laser cutting. Gayunpaman:

Ang mga laser na may mahabang wavelength ay nagdudulot ng thermal damage.

Ang mga short-wavelength na laser ay bumubuo ng mabibigat na debris at nagpapalalim sa layer ng pinsala, na nagpapataas ng pagiging kumplikado ng buli.

Mechanical Polishing Workflow para sa SiC

Kasama sa pangkalahatang daloy ng proseso ang:

Paggupit ng oryentasyon

Magaspang na paggiling

Pinong paggiling

Mechanical polishing

Chemical Mechanical Polishing (CMP) bilang panghuling hakbang

Ang pagpili ng paraan ng CMP, disenyo ng ruta ng proseso, at pag-optimize ng mga parameter ay mahalaga. Sa paggawa ng semiconductor, ang CMP ang determinadong hakbang para sa paggawa ng mga SiC wafer na may napakakinis, walang depekto, at walang pinsalang ibabaw, na mahalaga para sa mataas na kalidad na paglaki ng epitaxial.

(a) Alisin ang SiC ingot mula sa crucible;

(b) Magsagawa ng paunang paghubog gamit ang panlabas na diameter na paggiling;

(c) Tukuyin ang oryentasyong kristal gamit ang mga alignment flat o notches;

(d) Hiwain ang ingot sa manipis na mga manipis gamit ang multi-wire sawing;

(e) Makamit ang parang salamin na kinis sa ibabaw sa pamamagitan ng mga hakbang sa paggiling at pagpapakintab.

Matapos makumpleto ang serye ng mga hakbang sa pagproseso, ang panlabas na gilid ng SiC wafer ay madalas na nagiging matalas, na nagpapataas ng panganib ng pag-chipping habang hinahawakan o ginagamit. Upang maiwasan ang gayong pagkasira, kinakailangan ang paggiling sa gilid.

Bilang karagdagan sa mga tradisyunal na proseso ng paghiwa, ang isang makabagong paraan para sa paghahanda ng mga SiC wafer ay nagsasangkot ng teknolohiya ng pagbubuklod. Ang pamamaraang ito ay nagbibigay-daan sa paggawa ng wafer sa pamamagitan ng pagbubuklod ng manipis na SiC na single-crystal na layer sa isang heterogenous na substrate (suportang substrate).

Inilalarawan ng Figure 3 ang daloy ng proseso:

Una, ang isang delamination layer ay nabuo sa isang tinukoy na lalim sa ibabaw ng SiC solong kristal sa pamamagitan ng hydrogen ion implantation o katulad na mga diskarte. Ang naprosesong SiC na solong kristal ay idinidikit sa isang patag na sumusuportang substrate at sumasailalim sa presyon at init. Nagbibigay-daan ito sa matagumpay na paglipat at paghihiwalay ng SiC single-crystal layer papunta sa sumusuportang substrate.

Ang hiwalay na layer ng SiC ay sumasailalim sa paggamot sa ibabaw upang makamit ang kinakailangang flatness at maaaring magamit muli sa mga susunod na proseso ng pagbubuklod. Kung ikukumpara sa tradisyonal na paghiwa ng mga kristal na SiC, binabawasan ng pamamaraang ito ang pangangailangan para sa mga mamahaling materyales. Bagama't nananatili ang mga teknikal na hamon, ang pananaliksik at pag-unlad ay aktibong sumusulong upang paganahin ang mas murang produksyon ng wafer.

Dahil sa mataas na tigas at kemikal na katatagan ng SiC—na ginagawa itong lumalaban sa mga reaksyon sa temperatura ng silid—kinakailangan ang mekanikal na buli upang alisin ang mga pinong grinding pit, bawasan ang pinsala sa ibabaw, alisin ang mga gasgas, pitting, at mga depekto sa balat ng orange, bawasan ang pagkamagaspang sa ibabaw, mapabuti ang flatness, at mapahusay ang kalidad ng ibabaw.

Upang makamit ang isang mataas na kalidad na pinakintab na ibabaw, kinakailangan na:

Ayusin ang mga nakasasakit na uri,

Bawasan ang laki ng butil,

I-optimize ang mga parameter ng proseso,

Pumili ng mga materyales sa buli at pad na may sapat na tigas.

Ipinapakita ng Figure 7 na ang double-sided polishing na may 1 μm abrasive ay maaaring makontrol ang flatness at kapal ng pagkakaiba-iba sa loob ng 10 μm, at bawasan ang pagkamagaspang sa ibabaw sa humigit-kumulang 0.25 nm.

3.2 Chemical Mechanical Polishing (CMP)

Pinagsasama ng Chemical Mechanical Polishing (CMP) ang ultrafine particle abrasion at chemical etching upang bumuo ng makinis at planar na ibabaw sa materyal na pinoproseso. Ang pangunahing prinsipyo ay:

Ang isang kemikal na reaksyon ay nangyayari sa pagitan ng buli na slurry at ng wafer na ibabaw, na bumubuo ng isang malambot na layer.

Ang alitan sa pagitan ng mga nakasasakit na particle at ang malambot na layer ay nag-aalis ng materyal.

Mga bentahe ng CMP:

Napagtagumpayan ang mga disbentaha ng purong mekanikal o kemikal na buli,

Nakakamit ang parehong global at lokal na planarization,

Gumagawa ng mga ibabaw na may mataas na patag at mababang pagkamagaspang,

Hindi nag-iiwan ng pinsala sa ibabaw o ilalim ng balat.

Sa detalye:

Ang wafer ay gumagalaw na may kaugnayan sa polishing pad sa ilalim ng presyon.

Ang mga nanometer-scale na abrasive (hal., SiO₂) sa slurry ay lumalahok sa paggugupit, pagpapahina ng mga Si-C covalent bond at pagpapahusay ng pagtanggal ng materyal.

Mga Uri ng CMP Technique:

Libreng Abrasive Polishing: Ang mga abrasive (hal., SiO₂) ay sinuspinde sa slurry. Ang pag-alis ng materyal ay nangyayari sa pamamagitan ng tatlong-katawan na abrasion (wafer–pad–abrasive). Ang laki ng abrasive (karaniwang 60–200 nm), pH, at temperatura ay dapat na tumpak na kontrolin upang mapabuti ang pagkakapareho.

Fixed Abrasive Polishing: Ang mga abrasive ay naka-embed sa polishing pad upang maiwasan ang pagsasama-sama—angkop para sa pagproseso ng mataas na katumpakan.

Paglilinis pagkatapos ng pagpapakintab:

Ang mga pinakintab na ostiya ay sumasailalim sa:

Paglilinis ng kemikal (kabilang ang DI water at pagtanggal ng slurry residue),

DI tubig pagbabanlaw, at

Mainit na pagpapatayo ng nitrogen

upang mabawasan ang mga kontaminado sa ibabaw.

Kalidad at Pagganap ng Ibabaw

Ang pagkamagaspang sa ibabaw ay maaaring bawasan sa Ra <0.3 nm, na nakakatugon sa mga kinakailangan ng semiconductor epitaxy.

Pandaigdigang Planarisasyon: Ang kumbinasyon ng kemikal na paglambot at mekanikal na pagtanggal ay binabawasan ang mga gasgas at hindi pantay na pag-ukit, na higit na gumaganap ng purong mekanikal o kemikal na mga pamamaraan.

Mataas na Kahusayan: Angkop para sa matitigas at malutong na materyales tulad ng SiC, na may mga rate ng pag-alis ng materyal na higit sa 200 nm/h.

Iba pang Umuusbong na Mga Teknik sa Pag-polish

Bilang karagdagan sa CMP, ang mga alternatibong pamamaraan ay iminungkahi, kabilang ang:

Electrochemical polishing, Catalyst-assisted polishing o etching, at

Tribochemical polishing.

Gayunpaman, ang mga pamamaraang ito ay nasa yugto pa rin ng pananaliksik at dahan-dahang nabuo dahil sa mga mapaghamong materyal na katangian ng SiC.

Sa huli, ang pagpoproseso ng SiC ay isang unti-unting proseso ng pagbabawas ng warpage at pagkamagaspang upang mapabuti ang kalidad ng ibabaw, kung saan kritikal ang flatness at roughness control sa bawat yugto.

Teknolohiya sa Pagproseso

Sa yugto ng paggiling ng wafer, ginagamit ang brilyante slurry na may iba't ibang laki ng butil upang gilingin ang wafer sa kinakailangang flatness at pagkamagaspang sa ibabaw. Sinusundan ito ng pag-polish, gamit ang parehong mekanikal at kemikal na mechanical polishing (CMP) na mga pamamaraan upang makagawa ng mga wafer na walang pinsala na pinakintab na silicon carbide (SiC).

Pagkatapos ng polishing, ang mga SiC wafer ay sumasailalim sa mahigpit na inspeksyon ng kalidad gamit ang mga instrumento gaya ng optical microscopes at X-ray diffractometers upang matiyak na ang lahat ng teknikal na parameter ay nakakatugon sa mga kinakailangang pamantayan. Sa wakas, ang mga pinakintab na wafer ay nililinis gamit ang mga espesyal na ahente ng paglilinis at ultrapure na tubig upang alisin ang mga kontaminant sa ibabaw. Pagkatapos ay pinatutuyo ang mga ito gamit ang ultra-high purity nitrogen gas at spin dryer, na kumukumpleto sa buong proseso ng produksyon.

Pagkatapos ng mga taon ng pagsisikap, makabuluhang pag-unlad ang nagawa sa SiC single crystal processing sa loob ng China. Domestically, matagumpay na na-develop ang 100 mm doped semi-insulating 4H-SiC single crystals, at ang n-type na 4H-SiC at 6H-SiC single crystals ay maaari na ngayong magawa sa mga batch. Ang mga kumpanya tulad ng TankeBlue at TYST ay nakabuo na ng 150 mm SiC na solong kristal.

Sa mga tuntunin ng teknolohiya sa pagpoproseso ng SiC wafer, ang mga domestic na institusyon ay paunang nag-explore ng mga kondisyon ng proseso at mga ruta para sa paghiwa, paggiling, at pag-polish ng kristal. May kakayahan silang gumawa ng mga sample na karaniwang nakakatugon sa mga kinakailangan para sa paggawa ng device. Gayunpaman, kumpara sa mga internasyonal na pamantayan, ang kalidad ng pagproseso sa ibabaw ng mga domestic wafer ay nahuhuli pa rin nang malaki. Mayroong ilang mga isyu:

Ang mga International SiC theories at processing technology ay mahigpit na pinoprotektahan at hindi madaling ma-access.

May kakulangan ng teoretikal na pananaliksik at suporta para sa pagpapabuti at pag-optimize ng proseso.

Ang halaga ng pag-import ng mga dayuhang kagamitan at mga bahagi ay mataas.

Ang lokal na pananaliksik sa disenyo ng kagamitan, katumpakan ng pagproseso, at mga materyales ay nagpapakita pa rin ng mga makabuluhang agwat kumpara sa mga internasyonal na antas.

Sa kasalukuyan, karamihan sa mga instrumentong may mataas na katumpakan na ginagamit sa China ay inaangkat. Ang mga kagamitan at pamamaraan ng pagsubok ay nangangailangan din ng karagdagang pagpapabuti.

Sa patuloy na pag-unlad ng mga third-generation semiconductors, ang diameter ng SiC single crystal substrates ay patuloy na tumataas, kasama ang mas mataas na mga kinakailangan para sa kalidad ng pagproseso sa ibabaw. Ang teknolohiya ng pagpoproseso ng wafer ay naging isa sa mga pinaka-technical na mapaghamong hakbang pagkatapos ng paglago ng solong kristal ng SiC.

Upang matugunan ang mga umiiral na hamon sa pagproseso, mahalagang pag-aralan pa ang mga mekanismong kasangkot sa pagputol, paggiling, at pag-polish, at upang galugarin ang mga angkop na pamamaraan ng proseso at mga ruta para sa paggawa ng SiC wafer. Kasabay nito, kinakailangan na matuto mula sa mga advanced na internasyonal na teknolohiya sa pagpoproseso at magpatibay ng makabagong ultra-precision machining technique at kagamitan upang makagawa ng mga de-kalidad na substrate.

Habang lumalaki ang laki ng wafer, tumataas din ang kahirapan ng paglaki at pagproseso ng kristal. Gayunpaman, ang kahusayan sa pagmamanupaktura ng mga downstream na aparato ay makabuluhang nagpapabuti, at ang halaga ng yunit ay nabawasan. Sa kasalukuyan, ang pangunahing mga supplier ng SiC wafer sa buong mundo ay nag-aalok ng mga produkto mula sa 4 na pulgada hanggang 6 na pulgada ang lapad. Ang mga nangungunang kumpanya tulad ng Cree at II-VI ay nagsimula na sa pagpaplano para sa pagbuo ng 8-pulgadang SiC wafer production lines.