Ang Kasalukuyang Katayuan at mga Uso ng Teknolohiya sa Pagproseso ng SiC Wafer

Bilang isang materyal na substrate ng semiconductor sa ikatlong henerasyon,silikon karbida (SiC)Ang single crystal ay may malawak na posibilidad ng aplikasyon sa paggawa ng mga high-frequency at high-power electronic device. Ang teknolohiya sa pagproseso ng SiC ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa paggawa ng mga de-kalidad na materyales sa substrate. Ipinakikilala ng artikulong ito ang kasalukuyang estado ng pananaliksik sa mga teknolohiya sa pagproseso ng SiC kapwa sa Tsina at sa ibang bansa, sinusuri at inihahambing ang mga mekanismo ng mga proseso ng pagputol, paggiling, at pagpapakintab, pati na rin ang mga trend sa pagiging patag ng wafer at pagiging magaspang ng ibabaw. Itinuturo rin nito ang mga umiiral na hamon sa pagproseso ng SiC wafer at tinatalakay ang mga direksyon sa pag-unlad sa hinaharap.

Silikon karbida (SiC)Ang mga wafer ay mahahalagang pundasyong materyales para sa mga third-generation semiconductor device at may malaking kahalagahan at potensyal sa merkado sa mga larangan tulad ng microelectronics, power electronics, at semiconductor lighting. Dahil sa napakataas na katigasan at kemikal na katatagan ngMga kristal na SiC na nag-iisang, ang mga tradisyunal na pamamaraan sa pagproseso ng semiconductor ay hindi lubos na angkop para sa kanilang machining. Bagama't maraming internasyonal na kumpanya ang nagsagawa ng malawak na pananaliksik sa teknikal na hinihinging pagproseso ng mga SiC single crystal, ang mga kaugnay na teknolohiya ay mahigpit na pinananatiling kumpidensyal.

Sa mga nakaraang taon, pinag-ibayo ng Tsina ang mga pagsisikap sa pagpapaunlad ng mga materyales at aparatong SiC single crystal. Gayunpaman, ang pagsulong ng teknolohiya ng aparatong SiC 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 pagproseso ng SiC upang mapahusay ang kalidad ng mga substrate na SiC single crystal at makamit ang kanilang praktikal na aplikasyon at malawakang produksyon.

Ang mga pangunahing hakbang sa pagproseso ay kinabibilangan ng: pagputol → magaspang na paggiling → pinong paggiling → magaspang na pagpapakintab (mekanikal na pagpapakintab) → pinong pagpapakintab (kemikal na pagpapakintab, CMP) → inspeksyon.

Pagputol ng SiC Single Crystals

Sa pagproseso ngMga kristal na SiC na nag-iisang, ang pagputol ang una at isang napakahalagang hakbang. Ang bow, warp, at total thickness variation (TTV) ng wafer na nagreresulta mula sa proseso ng pagputol ang siyang nagtatakda ng kalidad at bisa ng mga kasunod na operasyon ng paggiling at pagpapakintab.

Ang mga kagamitang pangputol ay maaaring ikategorya ayon sa hugis sa diamond inner diameter (ID) saw, outer diameter (OD) saw, band saw, at wire saw. Ang mga wire saw naman ay maaaring uriin ayon sa uri ng paggalaw sa reciprocating at loop (walang katapusang) wire system. Batay sa mekanismo ng pagputol ng abrasive, ang mga pamamaraan ng paghiwa ng wire saw ay maaaring hatiin sa dalawang uri: free abrasive wire sawing at fixed abrasive diamond wire sawing.

1.1 Mga Tradisyonal na Paraan ng Pagputol

Ang lalim ng pagputol ng mga outer diameter (OD) saw ay limitado ng diameter ng talim. Sa proseso ng pagputol, ang talim ay madaling kapitan ng panginginig at paglihis, na nagreresulta sa mataas na antas ng ingay at mahinang tigas. Ang mga inner diameter (ID) saw ay gumagamit ng mga diamond abrasive sa panloob na circumference ng talim bilang cutting edge. Ang mga talim na ito ay maaaring kasing nipis ng 0.2 mm. Sa panahon ng paghihiwa, ang ID blade ay umiikot sa mataas na bilis habang ang materyal na puputulin ay gumagalaw nang radial relatibo sa gitna ng talim, na nakakamit ang paghiwa sa pamamagitan ng relatibong paggalaw na ito.

Ang mga diamond band saw ay nangangailangan ng madalas na paghinto at pagbaligtad, at ang bilis ng pagputol ay napakababa—karaniwan ay hindi hihigit sa 2 m/s. Nagdurusa rin ang mga ito mula sa malaking pagkasira ng makina at mataas na gastos sa pagpapanatili. Dahil sa lapad ng talim ng lagari, hindi maaaring masyadong maliit ang radius ng pagputol, at hindi posible ang pagputol gamit ang maraming hiwa. Ang mga tradisyonal na kagamitan sa paglalagari na ito ay limitado ng tigas ng base at hindi maaaring gumawa ng mga kurbadong hiwa o may limitadong radius ng pag-ikot. Ang mga ito ay may kakayahang gumawa lamang ng mga tuwid na hiwa, gumagawa ng malalapad na kerf, may mababang rate ng ani, at samakatuwid ay hindi angkop para sa pagputol.Mga kristal na SiC.

1.2 Libreng Abrasive Wire Saw para sa Pagputol ng Maraming Kawad

Ang free abrasive wire saw slicing technique ay gumagamit ng mabilis na paggalaw ng alambre upang dalhin ang slurry papunta sa kerf, na nagbibigay-daan sa pag-alis ng materyal. Pangunahin itong gumagamit ng reciprocating structure at kasalukuyang isang mature at malawakang ginagamit na pamamaraan para sa mahusay na multi-wafer cutting ng single-crystal silicon. Gayunpaman, ang aplikasyon nito sa SiC cutting ay hindi pa gaanong malawakang pinag-aaralan.

Ang mga free abrasive wire saw ay kayang magproseso ng mga wafer na may kapal na mas mababa sa 300 μm. Nag-aalok ang mga ito ng mababang kerf loss, bihirang magdulot ng chipping, at nagreresulta sa medyo magandang kalidad ng ibabaw. Gayunpaman, dahil sa mekanismo ng pag-alis ng materyal—batay sa paggulong at pag-ukit ng mga abrasive—ang ibabaw ng wafer ay may posibilidad na magkaroon ng malaking residual stress, mga microcrack, at mas malalalim na patong ng pinsala. Ito ay humahantong sa wafer warping, nagpapahirap sa pagkontrol sa katumpakan ng profile ng ibabaw, at nagpapataas ng load sa mga kasunod na hakbang sa pagproseso.

Ang pagganap ng pagputol ay lubos na naiimpluwensyahan ng slurry; kinakailangan upang mapanatili ang talas ng mga abrasive at ang konsentrasyon ng slurry. Magastos ang pagproseso at pag-recycle ng slurry. Kapag pinuputol ang malalaking ingot, nahihirapan ang mga abrasive na tumagos sa malalalim at mahahabang kerf. Sa ilalim ng parehong laki ng butil ng abrasive, ang pagkawala ng kerf ay mas malaki kaysa sa mga fixed-abrasive wire saw.

1.3 Nakapirming Nakasasakit na Diamond Wire Saw para sa Pagputol ng Maraming Kawad

Ang mga fixed abrasive diamond wire saw ay karaniwang ginagawa sa pamamagitan ng paglalagay ng mga particle ng diamond sa isang substrate ng steel wire sa pamamagitan ng electroplating, sintering, o resin bonding methods. Ang mga electroplated diamond wire saw ay nag-aalok ng mga bentahe tulad ng mas makitid na kerfs, mas mahusay na kalidad ng hiwa, mas mataas na kahusayan, mas mababang kontaminasyon, at ang kakayahang putulin ang mga materyales na may mataas na tigas.

Ang reciprocating electroplated diamond wire saw ang kasalukuyang pinakamalawak na ginagamit na paraan para sa pagputol ng SiC. Inilalarawan ng Figure 1 (hindi ipinapakita rito) ang patag na ibabaw ng mga SiC wafer na pinutol gamit ang pamamaraang ito. Habang umuusad ang pagputol, tumataas ang wafer warpage. Ito ay dahil tumataas ang contact area sa pagitan ng alambre at ng materyal habang gumagalaw pababa ang alambre, na nagpapataas ng resistensya at panginginig ng alambre. Kapag naabot ng alambre ang pinakamataas na diameter ng wafer, ang panginginig ng boses ay nasa tugatog nito, na nagreresulta sa pinakamataas na warpage.

Sa mga huling yugto ng pagputol, dahil sa pag-accelerate, stable-speed na paggalaw, deceleration, stopping, at reverse, kasama ang mga kahirapan sa pag-alis ng mga debris gamit ang coolant, lumalala ang kalidad ng ibabaw ng wafer. Ang reversal at pagbabago-bago ng bilis ng wire, pati na rin ang malalaking diyamante sa wire, ang mga pangunahing sanhi ng mga gasgas sa ibabaw.

1.4 Teknolohiya ng Paghihiwalay ng Malamig

Ang malamig na paghihiwalay ng mga SiC single crystal ay isang makabagong proseso sa larangan ng pagproseso ng mga materyales na semiconductor sa ikatlong henerasyon. Sa mga nakaraang taon, nakakuha ito ng malaking atensyon dahil sa mga kapansin-pansing bentahe nito sa pagpapabuti ng ani at pagbabawas ng pagkawala ng materyal. Ang teknolohiya ay maaaring suriin mula sa tatlong aspeto: prinsipyo ng paggana, daloy ng proseso, at mga pangunahing bentahe.

Pagtukoy sa Oryentasyon ng Kristal at Paggiling sa Panlabas na Diyametro: Bago ang pagproseso, dapat munang matukoy ang oryentasyon ng kristal ng SiC ingot. Ang ingot ay hinuhubog sa isang silindrikong istraktura (karaniwang tinatawag na SiC puck) sa pamamagitan ng paggiling sa panlabas na diyametro. Ang hakbang na ito ang naglalatag ng pundasyon para sa kasunod na direksyon ng pagputol at paghiwa.

Pagputol gamit ang Maraming Kawad: Ang pamamaraang ito ay gumagamit ng mga nakasasakit na partikulo na sinamahan ng mga alambreng pangputol upang hiwain ang silindrong ingot. Gayunpaman, nagdurusa ito sa malaking pagkawala ng kerf at mga isyu sa hindi pantay na ibabaw.

Teknolohiya ng Pagputol Gamit ang Laser: Ginagamit ang laser upang bumuo ng isang binagong patong sa loob ng kristal, kung saan maaaring tanggalin ang manipis na mga hiwa. Binabawasan ng pamamaraang ito ang pagkawala ng materyal at pinahuhusay ang kahusayan sa pagproseso, na ginagawa itong isang promising na bagong direksyon para sa pagputol gamit ang SiC wafer.

Pag-optimize ng Proseso ng Pagputol

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

Electrical Discharge Machining (EDM) at Teknolohiya ng Cold Separation: Ang mga pamamaraang ito ay nagbibigay ng iba't ibang solusyon na iniayon sa mga partikular na pangangailangan.

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

Pagsubaybay sa Real-Time: Ipinakikilala ang mga teknolohiya sa online na inspeksyon upang masubaybayan ang pagkamagaspang ng ibabaw sa real-time.

Paghiwa Gamit ang Laser: Binabawasan ng pamamaraang ito ang pagkawala ng kerf at pinapaikli ang mga siklo ng pagproseso, bagama't nananatiling isang hamon ang sonang apektado ng init.

Mga Teknolohiya sa Pagprosesong Hybrid: Ang pagsasama-sama ng mga mekanikal at kemikal na pamamaraan ay nagpapahusay sa kahusayan sa pagproseso.

Ang teknolohiyang ito ay nakamit na ang aplikasyon sa industriya. Halimbawa, nakuha ng Infineon ang SILTECTRA at ngayon ay may hawak na mga pangunahing patente na sumusuporta sa malawakang produksyon ng 8-pulgadang wafer. Sa Tsina, ang mga kumpanyang tulad ng Delong Laser ay nakamit ang kahusayan sa output na 30 wafer bawat ingot para sa 6-pulgadang pagproseso ng wafer, na kumakatawan sa 40% na pagpapabuti kumpara sa mga tradisyunal na pamamaraan.

Habang bumibilis ang paggawa ng mga kagamitang domestiko, inaasahang magiging pangunahing solusyon ang teknolohiyang ito para sa pagproseso ng SiC substrate. Dahil sa pagtaas ng diyametro ng mga materyales na semiconductor, lipas na ang mga tradisyonal na pamamaraan ng pagputol. Sa mga kasalukuyang opsyon, ang teknolohiya ng reciprocating diamond wire saw ang nagpapakita ng pinakamaaasahan na mga posibilidad ng aplikasyon. Ang laser cutting, bilang isang umuusbong na pamamaraan, ay nag-aalok ng mga makabuluhang bentahe at inaasahang magiging pangunahing paraan ng pagputol sa hinaharap.

2,SiC Single Crystal Grinding

Bilang kinatawan ng mga third-generation semiconductor, ang silicon carbide (SiC) ay nag-aalok ng mga makabuluhang bentahe dahil sa malawak na 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 pagproseso para sa mga SiC substrate 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 sa performance ng huling device.

Ang pangunahing layunin ng proseso ng paggiling ay ang pag-alis ng mga marka ng lagari sa ibabaw at mga patong ng pinsala na dulot ng paghihiwa, at upang itama ang deformasyon na dulot ng proseso ng pagputol. Dahil sa napakataas na tigas ng SiC, ang paggiling ay nangangailangan ng paggamit ng matitigas na abrasive tulad ng boron carbide o diamond. Ang kumbensyonal na 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 partikulo:

Magaspang na Paggiling: Gumagamit ng mas malalaking abrasive pangunahin upang alisin ang mga marka ng lagari at mga patong ng pinsala na dulot ng paghihiwa, na nagpapabuti sa kahusayan sa pagproseso.

Pinong Paggiling: Gumagamit ng mas pinong mga abrasive upang alisin ang pinsalang iniwan ng magaspang na paggiling, bawasan ang pagkamagaspang ng ibabaw, at pahusayin ang kalidad ng ibabaw.

Maraming lokal na tagagawa ng SiC substrate ang gumagamit ng malawakang proseso ng produksyon. Ang isang karaniwang pamamaraan ay kinabibilangan ng paggiling gamit ang dobleng panig gamit ang cast iron plate at monocrystalline diamond slurry. Epektibong inaalis ng prosesong ito ang 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 matatag, karaniwang umaabot sa 0.8–1.2 μm/min. Gayunpaman, ang nagreresultang ibabaw ng wafer ay matte na may medyo mataas na roughness—karaniwan ay nasa humigit-kumulang 50 nm—na nagpapataw ng mas mataas na pangangailangan sa mga kasunod na hakbang sa pagpapakintab.

2.2 Paggiling na May Isang Panig

Ang single-sided grinding ay nagpoproseso lamang ng isang gilid ng wafer sa isang pagkakataon. Sa prosesong ito, ang wafer ay inilalagay sa wax at ikinakabit sa isang steel plate. Sa ilalim ng inilapat na presyon, ang substrate ay sumasailalim sa bahagyang deformation, at ang itaas na ibabaw ay pinapatag. Pagkatapos ng paggiling, ang ibabang ibabaw ay pinapatag. Kapag naalis ang presyon, ang itaas na ibabaw ay may posibilidad na bumalik sa orihinal nitong hugis, na nakakaapekto rin sa na-grind na ibabang ibabaw—na nagiging sanhi ng pagbaluktot at pagkasira ng pagiging patag ng magkabilang gilid.

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

Karaniwan, ang mga #8000 grinding wheel ang ginagamit para sa pinong paggiling. Sa Japan, ang prosesong ito ay medyo mature na at gumagamit pa ng mga #30000 polishing wheel. Pinapayagan nito ang surface roughness ng mga naprosesong wafer na umabot sa ibaba 2 nm, na ginagawang handa ang mga wafer para sa pangwakas na CMP (Chemical Mechanical Polishing) nang walang karagdagang pagproseso.

2.3 Teknolohiya ng Pagnipis na May Isang Panig

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

Pagkatapos ng pagnipis, ang isang 100 mm na wafer ay maaaring makamit ang:

Pana < 5 μm

TTV < 2 μm

Kagaspangan ng ibabaw < 1 nm

Ang pamamaraang ito ng pagproseso gamit ang iisang wafer ay nag-aalok ng mataas na estabilidad, mahusay na konsistensya, at mataas na bilis ng pag-alis ng materyal. Kung ikukumpara sa kumbensyonal na paggiling na may dalawang panig, ang pamamaraang ito ay nagpapabuti sa kahusayan ng paggiling nang mahigit 50%.

2.4 Paggiling na May Dalawang Panig

Ang paggiling na may dalawang panig ay gumagamit ng parehong pang-itaas at pang-ibabang plato ng paggiling upang sabay na gilingin ang magkabilang panig ng substrate, na tinitiyak ang mahusay na kalidad ng ibabaw sa magkabilang panig.

Sa proseso, ang mga grinding plate ay unang naglalapat ng presyon sa pinakamataas na bahagi ng workpiece, na nagdudulot ng deformation at unti-unting pag-aalis ng materyal sa mga puntong iyon. Habang ang mga matataas na bahagi ay pinapatag, ang presyon sa substrate ay unti-unting nagiging mas pare-pareho, na nagreresulta sa pare-parehong deformation sa buong ibabaw. Pinapayagan nito ang parehong itaas at ibabang bahagi na maging pantay na giling. Kapag natapos na ang paggiling at nailabas na 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 pagbaluktot at mahusay na pagkapatag.

Ang pagkamagaspang sa ibabaw ng wafer pagkatapos ng paggiling ay nakadepende sa laki ng nakasasakit na particle—ang mas maliliit na particle ay nagbubunga ng mas makinis na mga ibabaw. Kapag gumagamit ng 5 μm na mga abrasive para sa paggiling na may dalawang panig, ang pagiging patag ng wafer at pagkakaiba-iba ng 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 hukay sa paggiling na hanggang 380 nm ang lalim at nakikitang mga guhit na marka na dulot ng aksyong nakasasakit.

Ang isang mas advanced na pamamaraan ay kinabibilangan ng double-sided grinding gamit ang polyurethane foam pad na sinamahan ng polycrystalline diamond slurry. Ang prosesong ito ay nakakagawa ng mga wafer na may napakababang surface roughness, na nakakamit ng Ra < 3 nm, na lubos na kapaki-pakinabang para sa kasunod na pagpapakintab ng mga SiC substrate.

Gayunpaman, ang pagkamot sa ibabaw ay nananatiling isang hindi nalutas na isyu. Bukod pa rito, ang polycrystalline diamond na ginagamit sa prosesong ito ay nalilikha sa pamamagitan ng explosive synthesis, na teknikal na mahirap, nagbubunga ng kaunting dami, at napakamahal.

Pagpapakintab ng SiC Single Crystals

Upang makamit ang isang mataas na kalidad at makintab na ibabaw sa mga silicon carbide (SiC) wafer, dapat na ganap na maalis ng pagpapakintab ang mga grinding pit at nanometer-scale surface alun-alon. Ang layunin ay makagawa ng isang makinis at walang depekto na ibabaw na walang kontaminasyon o pagkasira, walang pinsala sa ilalim ng ibabaw, at walang natitirang surface stress.

3.1 Mekanikal na Pagpapakintab at CMP ng mga SiC Wafer

Matapos ang paglaki ng isang SiC single crystal ingot, ang mga depekto sa ibabaw ay pumipigil dito na direktang magamit para sa epitaxial growth. Samakatuwid, kinakailangan ang karagdagang pagproseso. Ang ingot ay unang hinuhubog sa isang karaniwang cylindrical na anyo sa pamamagitan ng pag-ikot, pagkatapos ay hinihiwa sa mga wafer gamit ang wire cutting, na sinusundan ng crystallographic orientation verification. Ang pagpapakintab ay isang kritikal na hakbang sa pagpapabuti ng kalidad ng wafer, pagtugon sa mga 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:

Mekanikal na pagpapakintab: Simple ngunit nag-iiwan ng mga gasgas; angkop para sa unang pagpapakintab.

Kemikal na Mekanikal na Pagpapakintab (CMP): Tinatanggal ang mga gasgas sa pamamagitan ng kemikal na pag-ukit; angkop para sa tumpak na pagpapakintab.

Pag-ukit ng hydrogen: Nangangailangan ng kumplikadong kagamitan, karaniwang ginagamit sa mga proseso ng HTCVD.

Pagpapakintab na tinutulungan ng plasma: Komplikado at bihirang gamitin.

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

Prinsipyo ng Paggana ng CMP

Gumagana ang CMP sa pamamagitan ng pag-ikot ng wafer sa ilalim ng itinakdang presyon laban sa isang umiikot na polishing pad. Ang relatibong galaw na ito, kasama ang mekanikal na abrasion mula sa mga nano-sized na abrasive sa slurry at ang kemikal na aksyon ng mga reactive agent, ay nakakamit ang surface planarization.

Mga pangunahing materyales na ginamit:

Bula sa pagpapakintab: Naglalaman ng mga abrasive at kemikal na reagent.

Polishing pad: Nasisira habang ginagamit, na binabawasan ang laki ng butas at kahusayan sa paghahatid ng slurry. Kinakailangan ang regular na pagbibihis, karaniwang gamit ang diamond dresser, upang maibalik ang pagkamagaspang.

Karaniwang Proseso ng CMP

Nakasasakit: 0.5 μm brilyante slurry

Target na pagkamagaspang sa ibabaw: ~0.7 nm

Kemikal na Mekanikal na Pagpapakintab:

Kagamitan sa pagpapakintab: AP-810 single-sided polisher

Presyon: 200 g/cm²

Bilis ng plato: 50 rpm

Bilis ng lalagyan ng seramiko: 38 rpm

Komposisyon ng slurry:

SiO₂ (30 wt%, pH = 10.15)

0–70 wt% H₂O₂ (30 wt%, grado ng reagent)

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

Rate ng daloy ng slurry: 3 L/min, muling iniikot

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

Mga Hamong Teknikal sa Mekanikal na Pagpapakintab

Ang SiC, bilang isang semiconductor na may malawak na bandgap, ay may mahalagang papel sa industriya ng elektronika. Dahil sa mahusay na pisikal at kemikal na katangian, ang mga single crystal ng SiC ay angkop para sa matinding kapaligiran, tulad ng mataas na temperatura, mataas na frequency, mataas na power, at resistensya sa radiation. Gayunpaman, ang matigas at malutong nitong katangian ay nagdudulot ng malalaking hamon para sa paggiling at pagpapakintab.

Habang lumilipat ang mga nangungunang pandaigdigang tagagawa mula sa 6-pulgada patungong 8-pulgadang wafer, ang mga isyu tulad ng pagbibitak at pinsala sa wafer habang pinoproseso ay naging mas kitang-kita, na lubhang nakakaapekto sa ani. Ang pagtugon sa mga teknikal na hamon ng 8-pulgadang SiC substrates ay isa na ngayong mahalagang benchmark para sa pagsulong ng industriya.

Sa panahon ng 8-pulgada, ang pagproseso ng SiC wafer ay nahaharap sa maraming hamon:

Kinakailangan ang wafer scaling upang mapataas ang chip output bawat batch, mabawasan ang edge loss, at mapababa ang mga gastos sa produksyon—lalo na dahil sa tumataas na demand sa mga aplikasyon ng electric vehicle.

Bagama't hinog na ang paglaki ng 8-pulgadang SiC single crystals, ang mga proseso sa likod tulad ng paggiling at pagpapakintab ay nahaharap pa rin sa mga bottleneck, na nagreresulta sa mababang ani (40-50%) lamang.

Ang mas malalaking wafer ay nakararanas ng mas kumplikadong distribusyon ng presyon, na nagpapataas ng kahirapan sa pamamahala ng stress sa pagpapakintab at consistency ng ani.

Bagama't ang kapal ng 8-pulgadang wafer ay halos katulad na ng sa 6-pulgadang wafer, mas madali ang mga ito masira habang ginagamit dahil sa stress at pagbaluktot.

Upang mabawasan ang stress, warpage, at cracking na may kaugnayan sa pagputol, ang laser cutting ay lalong ginagamit. Gayunpaman:

Ang mga laser na may mahahabang haba ng daluyong ay nagdudulot ng pinsalang dulot ng init.

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

Daloy ng Trabaho sa Mekanikal na Pagpapakintab para sa SiC

Ang pangkalahatang daloy ng proseso ay kinabibilangan ng:

Pagputol ng oryentasyon

Magaspang na paggiling

Pinong paggiling

Mekanikal na pagpapakintab

Kemikal na Mekanikal na Pagpapakintab (CMP) bilang pangwakas na hakbang

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

(a) Tanggalin ang SiC ingot mula sa crucible;

(b) Isagawa ang unang paghubog gamit ang paggiling gamit ang panlabas na diyametro;

(c) Tukuyin ang oryentasyon ng kristal gamit ang mga alignment flat o notch;

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

(e) Makamit ang kinis ng ibabaw na parang salamin 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 kadalasang nagiging matalas, na nagpapataas ng panganib ng pagkapira-piraso habang hinahawakan o ginagamit. Upang maiwasan ang ganitong kahinaan, kinakailangan ang paggiling sa gilid.

Bukod sa mga tradisyonal na proseso ng paghiwa, ang isang makabagong pamamaraan para sa paghahanda ng mga SiC wafer ay kinabibilangan ng teknolohiya ng pagbubuklod. Ang pamamaraang ito ay nagbibigay-daan sa paggawa ng wafer sa pamamagitan ng pagbubuklod ng isang manipis na SiC single-crystal layer sa isang heterogeneous substrate (supporting substrate).

Inilalarawan ng Figure 3 ang daloy ng proseso:

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

Ang pinaghiwalay na patong ng SiC ay sumasailalim sa paggamot sa ibabaw upang makamit ang kinakailangang patag at maaaring gamitin muli sa mga kasunod 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 mababang gastos sa produksyon ng wafer.

Dahil sa mataas na katigasan at kemikal na katatagan ng SiC—na siyang dahilan kung bakit ito lumalaban sa mga reaksiyon sa temperatura ng silid—kinakailangan ang mekanikal na pagpapakintab upang maalis ang mga pinong hukay, mabawasan ang pinsala sa ibabaw, maalis ang mga gasgas, butas, at mga depekto sa balat ng dalandan, mabawasan ang pagkamagaspang ng ibabaw, mapabuti ang pagiging patag, at mapahusay ang kalidad ng ibabaw.

Upang makamit ang isang de-kalidad at makintab na ibabaw, kinakailangan ang mga sumusunod na hakbang:

Ayusin ang mga uri ng nakasasakit,

Bawasan ang laki ng partikulo,

I-optimize ang mga parameter ng proseso,

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

Ipinapakita ng Figure 7 na ang double-sided polishing gamit ang 1 μm abrasives ay kayang kontrolin ang pagkapatag at pagkakaiba-iba ng kapal sa loob ng 10 μm, at mabawasan ang pagkamagaspang ng ibabaw sa humigit-kumulang 0.25 nm.

3.2 Kemikal na Mekanikal na Pagpapakintab (CMP)

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

Isang kemikal na reaksyon ang nangyayari sa pagitan ng polishing slurry at ng ibabaw ng wafer, na bumubuo ng isang malambot na patong.

Ang alitan sa pagitan ng mga nakasasakit na partikulo at ng malambot na patong ay nag-aalis ng materyal.

Mga kalamangan ng CMP:

Nalalampasan ang mga disbentaha ng purong mekanikal o kemikal na pagpapakintab,

Nakakamit ang parehong pandaigdigan at lokal na pagpaplano,

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

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

Sa detalye:

Ang wafer ay gumagalaw kaugnay ng polishing pad sa ilalim ng presyon.

Ang mga abrasive na kasinglaki ng nanometro (hal., SiO₂) sa slurry ay nakikilahok sa paggugupit, pagpapahina ng mga Si–C covalent bond at pagpapahusay ng pag-aalis ng materyal.

Mga Uri ng Teknik ng CMP:

Libreng Pagpupunas gamit ang Nakasasakit: Ang mga nakasasakit (hal., SiO₂) ay nakasuspinde sa slurry. Ang pag-aalis ng materyal ay nangyayari sa pamamagitan ng three-body abrasion (wafer-pad-abrasive). Ang laki ng nakasasakit (karaniwang 60–200 nm), pH, at temperatura ay dapat na tumpak na kontrolado upang mapabuti ang pagkakapareho.

Nakapirming Pagpupunas na Nakasasakit: Ang mga abrasive ay nakabaon sa polishing pad upang maiwasan ang pag-iipon—mainam para sa pagprosesong may mataas na katumpakan.

Paglilinis Pagkatapos ng Pagpapakintab:

Ang mga pinakintab na wafer ay sumasailalim sa:

Paglilinis gamit ang kemikal (kabilang ang pag-alis ng DI water at slurry residue),

Pagbanlaw gamit ang tubig na DI, at

Mainit na pagpapatuyo ng nitroheno

upang mabawasan ang mga kontaminante sa ibabaw.

Kalidad at Pagganap ng Ibabaw

Maaaring mabawasan ang surface roughness sa Ra < 0.3 nm, na nakakatugon sa mga kinakailangan sa semiconductor epitaxy.

Global Planarization: Ang kombinasyon ng kemikal na paglambot at mekanikal na pag-aalis ay nakakabawas sa mga gasgas at hindi pantay na pag-ukit, na mas mahusay kaysa sa mga purong mekanikal o kemikal na pamamaraan.

Mataas na Kahusayan: Angkop para sa matigas 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 Pagpapakintab

Bukod sa CMP, iminungkahi ang mga alternatibong pamamaraan, kabilang ang:

Elektrokemikal na pagpapakintab, Pagpapakintab o pag-ukit na tinutulungan ng katalista, at

Pagpapakinis ng tribokemikal.

Gayunpaman, ang mga pamamaraang ito ay nasa yugto pa rin ng pananaliksik at mabagal na umunlad dahil sa mapanghamong katangian ng materyal ng SiC.

Sa huli, ang pagproseso ng SiC ay isang unti-unting proseso ng pagbabawas ng warpage at pagkamagaspang upang mapabuti ang kalidad ng ibabaw, kung saan ang pagkontrol sa pagiging patag at pagkamagaspang ay kritikal sa bawat yugto.

Teknolohiya sa Pagproseso

Sa yugto ng paggiling ng wafer, ginagamit ang diamond slurry na may iba't ibang laki ng particle upang gilingin ang wafer hanggang sa kinakailangang patag at magaspang na ibabaw. Sinusundan ito ng pagpapakintab, gamit ang parehong mekanikal at kemikal na mekanikal na pagpapakintab (CMP) na mga pamamaraan upang makagawa ng mga pinakintab na silicon carbide (SiC) wafer na walang pinsala.

Pagkatapos ng pagpapakintab, ang mga SiC wafer ay sumasailalim sa mahigpit na inspeksyon sa kalidad gamit ang mga instrumento tulad ng optical microscope at X-ray diffractometer upang matiyak na ang lahat ng teknikal na parametro ay nakakatugon sa mga kinakailangang pamantayan. Panghuli, ang mga pinakintab na wafer ay nililinis gamit ang mga espesyal na ahente ng paglilinis at ultrapure na tubig upang alisin ang mga kontaminante sa ibabaw. Pagkatapos ay pinatutuyo ang mga ito gamit ang ultra-high purity nitrogen gas at spin dryers, na siyang kumukumpleto sa buong proseso ng produksyon.

Matapos ang mga taon ng pagsisikap, nakamit na ang makabuluhang pag-unlad sa pagproseso ng SiC single crystal sa loob ng Tsina. Sa loob ng bansa, matagumpay na nabuo ang 100 mm doped semi-insulating 4H-SiC single crystals, at maaari na ngayong gawin nang maramihan ang n-type 4H-SiC single crystals. Ang mga kumpanyang tulad ng TankeBlue at TYST ay nakabuo na ng 150 mm SiC single crystals.

Tungkol sa teknolohiya sa pagproseso ng SiC wafer, paunang sinuri ng mga lokal na institusyon ang mga kondisyon at ruta ng proseso para sa paghiwa, paggiling, at pagpapakintab ng kristal. Kaya nilang gumawa ng mga sample na karaniwang nakakatugon sa mga kinakailangan para sa paggawa ng aparato. Gayunpaman, kumpara sa mga internasyonal na pamantayan, ang kalidad ng pagproseso ng ibabaw ng mga lokal na wafer ay nahuhuli pa rin nang malaki. Mayroong ilang mga isyu:

Ang mga internasyonal na teorya ng SiC at mga teknolohiya sa pagproseso ay mahigpit na protektado at hindi madaling ma-access.

Kulang ang teoretikal na pananaliksik at suporta para sa pagpapabuti at pag-optimize ng proseso.

Mataas ang gastos sa pag-angkat ng mga dayuhang kagamitan at piyesa.

Ang lokal na pananaliksik sa disenyo ng kagamitan, katumpakan sa 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 Tsina ay inaangkat. Ang mga kagamitan at metodolohiya sa pagsubok ay nangangailangan din ng karagdagang pagpapabuti.

Kasabay ng patuloy na pag-unlad ng mga third-generation semiconductor, ang diyametro 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 sa pagproseso ng wafer ay naging isa sa mga pinakamahirap na hakbang sa teknikal pagkatapos ng paglaki ng SiC single crystal.

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

Habang tumataas ang laki ng wafer, tumataas din ang kahirapan ng paglaki at pagproseso ng kristal. Gayunpaman, ang kahusayan sa paggawa ng mga downstream device ay bumubuti nang malaki, at ang gastos sa bawat yunit ay nababawasan. Sa kasalukuyan, ang mga pangunahing supplier ng SiC wafer sa buong mundo ay nag-aalok ng mga produktong may diyametro mula 4 na pulgada hanggang 6 na pulgada. Ang mga nangungunang kumpanya tulad ng Cree at II-VI ay nagsimula nang magplano para sa pagbuo ng mga linya ng produksyon ng 8-pulgadang SiC wafer.