Starea actuală și tendințele tehnologiei de procesare a napolitanelor SiC

Ca material substrat semiconductor de a treia generație,carbură de siliciu (SiC)Monocristalul are perspective largi de aplicare în fabricarea dispozitivelor electronice de înaltă frecvență și putere mare. Tehnologia de procesare a SiC joacă un rol decisiv în producerea de materiale substrat de înaltă calitate. Acest articol prezintă stadiul actual al cercetării privind tehnologiile de procesare a SiC atât în ​​China, cât și în străinătate, analizând și comparând mecanismele proceselor de tăiere, șlefuire și lustruire, precum și tendințele în ceea ce privește planeitatea și rugozitatea suprafeței napolitanelor. De asemenea, evidențiază provocările existente în procesarea napolitanelor de SiC și discută direcțiile viitoare de dezvoltare.

Carbură de siliciu (SiC)Napolitanele sunt materiale fundamentale critice pentru dispozitivele semiconductoare de a treia generație și au o importanță semnificativă și un potențial de piață semnificativ în domenii precum microelectronica, electronica de putere și iluminatul semiconductorilor. Datorită durității extrem de ridicate și a stabilității chimice amonocristale de SiC, metodele tradiționale de prelucrare a semiconductorilor nu sunt în întregime potrivite pentru prelucrarea lor. Deși multe companii internaționale au efectuat cercetări ample privind prelucrarea complexă din punct de vedere tehnic a monocristalelor de SiC, tehnologiile relevante sunt păstrate strict confidențiale.

În ultimii ani, China și-a intensificat eforturile în dezvoltarea de materiale și dispozitive monocristaline SiC. Cu toate acestea, avansarea tehnologiei dispozitivelor SiC în țară este în prezent limitată de limitările tehnologiilor de procesare și de calitatea napolitanelor. Prin urmare, este esențial ca China să îmbunătățească capacitățile de procesare SiC pentru a spori calitatea substraturilor monocristaline SiC și a realiza aplicarea lor practică și producția de masă.

Principalele etape de prelucrare includ: tăiere → șlefuire grosieră → șlefuire fină → lustruire grosieră (lustruire mecanică) → lustruire fină (lustruire chimico-mecanică, CMP) → inspecție.

Tăierea monocristalelor de SiC

În procesareamonocristale de SiC, tăierea este prima etapă și una extrem de importantă. Curbura, deformarea și variația grosimii totale (TTV) a plachetei rezultate în urma procesului de tăiere determină calitatea și eficacitatea operațiunilor ulterioare de șlefuire și lustruire.

Uneltele de tăiere pot fi clasificate după formă în ferăstraie diamantate cu diametru interior (ID), ferăstraie cu diametru exterior (OD), ferăstraie cu bandă și ferăstraie cu sârmă. La rândul lor, ferăstraiele cu sârmă pot fi clasificate după tipul lor de mișcare în sisteme cu sârmă alternativă și în buclă (fără sfârșit). Pe baza mecanismului de tăiere al abrazivului, tehnicile de tăiere cu ferăstrău cu sârmă pot fi împărțite în două tipuri: tăiere cu sârmă abrazivă liberă și tăiere cu sârmă diamantată abrazivă fixă.

1.1 Metode tradiționale de tăiere

Adâncimea de tăiere a ferăstraielor cu diametru exterior (OD) este limitată de diametrul lamei. În timpul procesului de tăiere, lama este predispusă la vibrații și deviații, ceea ce duce la niveluri ridicate de zgomot și o rigiditate slabă. Fierăstraiele cu diametru interior (ID) utilizează abrazivi diamantați pe circumferința interioară a lamei ca muchie de tăiere. Aceste lame pot avea o grosime de până la 0,2 mm. În timpul felierii, lama ID se rotește cu viteză mare, în timp ce materialul care urmează să fie tăiat se mișcă radial față de centrul lamei, realizând felierea prin această mișcare relativă.

Fierăstraiele cu bandă diamantată necesită opriri și inversări frecvente, iar viteza de tăiere este foarte mică - de obicei, nu depășește 2 m/s. De asemenea, acestea suferă de uzură mecanică semnificativă și costuri ridicate de întreținere. Datorită lățimii lamei de ferăstrău, raza de tăiere nu poate fi prea mică, iar tăierea în mai multe felii nu este posibilă. Aceste unelte tradiționale de tăiere sunt limitate de rigiditatea bazei și nu pot realiza tăieturi curbe sau au raze de rotire restricționate. Sunt capabile doar de tăieturi drepte, produc fante largi, au o rată de randament scăzută și, prin urmare, sunt nepotrivite pentru tăiere.Cristale de SiC.

1.2 Tăiere cu sârmă abrazivă liberă, tăiere cu mai multe sârme

Tehnica de tăiere cu sârmă abrazivă liberă folosește mișcarea rapidă a sârmei pentru a transporta suspensia în fantă, permițând îndepărtarea materialului. Aceasta folosește în principal o structură alternativă și este în prezent o metodă matură și utilizată pe scară largă pentru tăierea eficientă cu mai multe plachete a siliciului monocristalin. Cu toate acestea, aplicarea sa în tăierea SiC a fost studiată mai puțin pe larg.

Fierăstraiele cu sârmă abrazivă pot prelucra napolitane cu grosimi mai mici de 300 μm. Acestea oferă pierderi reduse la tăiere, rareori provoacă ciobire și au ca rezultat o calitate relativ bună a suprafeței. Cu toate acestea, din cauza mecanismului de îndepărtare a materialului - bazat pe rularea și indentarea abrazivilor - suprafața napolitanei tinde să dezvolte tensiuni reziduale semnificative, microfisuri și straturi de deteriorare mai profunde. Acest lucru duce la deformarea napolitanei, face dificil controlul preciziei profilului suprafeței și crește sarcina asupra etapelor ulterioare de procesare.

Performanța de tăiere este puternic influențată de suspensie; este necesar să se mențină ascuțimea abrazivilor și concentrația suspensiei. Tratarea și reciclarea suspensiei sunt costisitoare. La tăierea lingourilor de dimensiuni mari, abrazivii au dificultăți în a pătrunde în crestături adânci și lungi. La aceeași dimensiune a granulelor abrazive, pierderea prin crestătură este mai mare decât cea a ferăstraielor cu fir abraziv fix.

1.3 Tăiere cu fir diamantat abraziv fix cu ferăstrău multi-fir

Fierăstraiele abrazive fixe cu sârmă diamantată sunt de obicei fabricate prin încorporarea particulelor de diamant pe un substrat de sârmă de oțel prin metode de galvanizare, sinterizare sau lipire cu rășină. Fierăstraiele cu sârmă diamantată electrolizată oferă avantaje precum tăieturi mai înguste, o calitate mai bună a felierii, o eficiență mai mare, o contaminare mai mică și capacitatea de a tăia materiale cu duritate ridicată.

Ferăstrăul cu sârmă diamantată electrolizată alternativ este în prezent cea mai utilizată metodă pentru tăierea SiC. Figura 1 (neprezentată aici) ilustrează planeitatea suprafeței napolitanelor de SiC tăiate folosind această tehnică. Pe măsură ce tăierea progresează, deformarea napolitanei crește. Acest lucru se datorează faptului că suprafața de contact dintre sârmă și material crește pe măsură ce sârma se mișcă în jos, crescând rezistența și vibrația sârmei. Când sârma atinge diametrul maxim al napolitanei, vibrația este la apogeu, rezultând o deformare maximă.

În etapele ulterioare ale tăierii, din cauza accelerării, mișcării cu viteză stabilă, decelerării, opririi și inversării direcției firului, împreună cu dificultățile de îndepărtare a resturilor cu agentul de răcire, calitatea suprafeței plachetei se deteriorează. Inversarea direcției firului și fluctuațiile de viteză, precum și particulele mari de diamant de pe fir, sunt principalele cauze ale zgârieturilor de suprafață.

1.4 Tehnologia de separare la rece

Separarea la rece a monocristalelor de SiC este un proces inovator în domeniul procesării materialelor semiconductoare de a treia generație. În ultimii ani, a atras o atenție semnificativă datorită avantajelor sale notabile în îmbunătățirea randamentului și reducerea pierderilor de material. Tehnologia poate fi analizată din trei aspecte: principiul de funcționare, fluxul procesului și avantajele principale.

Determinarea orientării cristalului și șlefuirea diametrului exterior: Înainte de procesare, trebuie determinată orientarea cristalului lingoului de SiC. Lingoul este apoi modelat într-o structură cilindrică (numită în mod obișnuit disc de SiC) prin șlefuirea diametrului exterior. Această etapă pune bazele pentru tăierea și felierea direcțională ulterioară.

Tăiere cu mai multe fire: Această metodă folosește particule abrazive combinate cu fire de tăiere pentru a felia lingoul cilindric. Cu toate acestea, prezintă probleme semnificative de pierdere a tăieturii și de neuniformitate a suprafeței.

Tehnologia de tăiere cu laser: Un laser este utilizat pentru a forma un strat modificat în interiorul cristalului, din care se pot detașa felii subțiri. Această abordare reduce pierderile de material și îmbunătățește eficiența procesării, ceea ce o face o nouă direcție promițătoare pentru tăierea plachetelor de SiC.

Optimizarea procesului de tăiere

Tăiere cu fir multiplu cu abraziv fix: Aceasta este tehnologia principală în prezent, fiind potrivită pentru caracteristicile de duritate ridicată ale SiC.

Prelucrarea prin electroeroziune (EDM) și tehnologia de separare la rece: Aceste metode oferă soluții diversificate, adaptate cerințelor specifice.

Procesul de lustruire: Este esențial să se echilibreze rata de îndepărtare a materialului și deteriorarea suprafeței. Lustruirea chimico-mecanică (CMP) este utilizată pentru a îmbunătăți uniformitatea suprafeței.

Monitorizare în timp real: Sunt introduse tehnologii de inspecție online pentru a monitoriza rugozitatea suprafeței în timp real.

Tăiere cu laser: Această tehnică reduce pierderile de tăiere și scurtează ciclurile de procesare, deși zona afectată termic rămâne o provocare.

Tehnologii de procesare hibride: Combinarea metodelor mecanice și chimice îmbunătățește eficiența procesării.

Această tehnologie a atins deja aplicații industriale. Infineon, de exemplu, a achiziționat SILTECTRA și deține acum brevete de bază care susțin producția în masă de napolitane de 8 inci. În China, companii precum Delong Laser au atins o eficiență de producție de 30 de napolitane per lingou pentru procesarea napolitanelor de 6 inci, reprezentând o îmbunătățire de 40% față de metodele tradiționale.

Pe măsură ce producția de echipamente autohtone se accelerează, se așteaptă ca această tehnologie să devină soluția principală pentru prelucrarea substraturilor de SiC. Odată cu creșterea diametrului materialelor semiconductoare, metodele tradiționale de tăiere au devenit învechite. Printre opțiunile actuale, tehnologia ferăstrăului cu fir diamantat alternativ prezintă cele mai promițătoare perspective de aplicare. Tăierea cu laser, ca tehnică emergentă, oferă avantaje semnificative și se anticipează că va deveni principala metodă de tăiere în viitor.

2.Măcinarea monocristalului SiC

Ca reprezentant al semiconductorilor de a treia generație, carbura de siliciu (SiC) oferă avantaje semnificative datorită benzii sale interzise largi, câmpului electric de străpungere ridicat, vitezei mari de derivă a electronilor de saturație și conductivității termice excelente. Aceste proprietăți fac ca SiC să fie deosebit de avantajos în aplicațiile de înaltă tensiune (de exemplu, medii de 1200V). Tehnologia de procesare a substraturilor de SiC este o parte fundamentală a fabricării dispozitivelor. Calitatea suprafeței și precizia substratului afectează direct calitatea stratului epitaxial și performanța dispozitivului final.

Scopul principal al procesului de șlefuire este de a îndepărta urmele de suprafață și straturile de deteriorare cauzate de tăiere în timpul felierii și de a corecta deformarea indusă de procesul de tăiere. Având în vedere duritatea extrem de mare a SiC, șlefuirea necesită utilizarea unor abrazivi duri, cum ar fi carbura de bor sau diamantul. Șlefuirea convențională este de obicei împărțită în șlefuire grosieră și șlefuire fină.

2.1 Măcinare grosieră și fină

Șlefuirea poate fi clasificată în funcție de dimensiunea particulelor abrazive:

Șlefuire grosieră: Folosește abrazivi mai mari în principal pentru a îndepărta urmele de fierăstrău și straturile de deteriorare cauzate în timpul felierii, îmbunătățind eficiența procesării.

Șlefuire fină: Utilizează abrazivi mai fini pentru a îndepărta stratul de deteriorare lăsat de șlefuirea grosieră, a reduce rugozitatea suprafeței și a îmbunătăți calitatea acesteia.

Mulți producători autohtoni de substraturi SiC utilizează procese de producție la scară largă. O metodă comună implică șlefuirea pe ambele fețe folosind o placă de fontă și o pastă de diamant monocristalină. Acest proces îndepărtează eficient stratul de deteriorare lăsat de tăierea cu sârmă, corectează forma napolitanei și reduce TTV (variația grosimii totale), curbura și deformarea. Rata de îndepărtare a materialului este stabilă, ajungând de obicei la 0,8–1,2 μm/min. Cu toate acestea, suprafața napolitană rezultată este mată, cu o rugozitate relativ mare - de obicei în jur de 50 nm - ceea ce impune cerințe mai mari asupra etapelor ulterioare de lustruire.

2.2 Șlefuire pe o singură față

Șlefuirea pe o singură față procesează doar o parte a plachetei la un moment dat. În timpul acestui proces, placheta este montată cu ceară pe o placă de oțel. Sub presiunea aplicată, substratul suferă o ușoară deformare, iar suprafața superioară este aplatizată. După șlefuire, suprafața inferioară este nivelată. Când presiunea este îndepărtată, suprafața superioară tinde să-și revină la forma inițială, ceea ce afectează și suprafața inferioară deja șlefuită - determinând deformarea și degradarea planeității ambelor părți.

Mai mult, placa de șlefuire poate deveni concavă în scurt timp, provocând convexitatea plachetei. Pentru a menține planeitatea plăcii, este necesară o rectificare frecventă. Din cauza eficienței scăzute și a planeității slabe a plachetei, șlefuirea pe o singură față nu este potrivită pentru producția de masă.

De obicei, pentru șlefuirea fină se utilizează pietre abrazive de #8000. În Japonia, acest proces este relativ matur și utilizează chiar și pietre de lustruit de #30000. Acest lucru permite ca rugozitatea suprafeței napolitanelor procesate să ajungă sub 2 nm, pregătind napolitanele pentru CMP (lustruirea chimică-mecanică) finală fără procesare suplimentară.

2.3 Tehnologie de subțiere pe o singură față

Tehnologia de subțiere cu diamant pe o singură față este o metodă nouă de șlefuire pe o singură față. Așa cum este ilustrat în Figura 5 (neprezentată aici), procesul utilizează o placă de șlefuire cu liant diamantat. Placa este fixată prin adsorbție în vid, în timp ce atât placa, cât și roata de șlefuire cu diamant se rotesc simultan. Roata de șlefuire se mișcă treptat în jos pentru a subția placheta la o grosime țintă. După ce o parte este finalizată, placheta este întoarsă pentru a procesa cealaltă parte.

După subțiere, o napolitană de 100 mm poate realiza:

Curbură < 5 μm

TTV < 2 μm

Rugozitatea suprafeței < 1 nm

Această metodă de procesare cu o singură plachetă oferă o stabilitate ridicată, o consistență excelentă și o rată mare de îndepărtare a materialului. Comparativ cu șlefuirea convențională pe ambele fețe, această tehnică îmbunătățește eficiența șlefuirii cu peste 50%.

2.4 Șlefuire pe ambele fețe

Șlefuirea pe ambele fețe utilizează atât o placă de șlefuire superioară, cât și una inferioară pentru a șlefui simultan ambele fețe ale substratului, asigurând o calitate excelentă a suprafeței pe ambele părți.

În timpul procesului, plăcile de șlefuire aplică mai întâi presiune în cele mai înalte puncte ale piesei de prelucrat, provocând deformare și îndepărtarea treptată a materialului în acele puncte. Pe măsură ce punctele înalte sunt nivelate, presiunea asupra substratului devine treptat mai uniformă, rezultând o deformare consistentă pe întreaga suprafață. Acest lucru permite șlefuirea uniformă atât a suprafețelor superioare, cât și a celor inferioare. Odată ce șlefuirea este completă și presiunea este eliberată, fiecare parte a substratului își revine uniform datorită presiunii egale la care a fost supusă. Acest lucru duce la o deformare minimă și la o planeitate bună.

Rugozitatea suprafeței plachetei după șlefuire depinde de dimensiunea particulelor abrazive - particulele mai mici produc suprafețe mai netede. Atunci când se utilizează abrazivi de 5 μm pentru șlefuirea pe ambele fețe, planeitatea și variația grosimii plachetei pot fi controlate cu o precizie de până la 5 μm. Măsurătorile efectuate cu microscopie cu forță atomică (AFM) arată o rugozitate a suprafeței (Rq) de aproximativ 100 nm, cu gropi de șlefuire de până la 380 nm adâncime și urme liniare vizibile cauzate de acțiunea abrazivă.

O metodă mai avansată implică șlefuirea pe ambele fețe folosind plăcuțe de spumă poliuretanică combinate cu o pastă de diamant policristalin. Acest proces produce napolitane cu o rugozitate superficială foarte scăzută, atingând o Ra < 3 nm, ceea ce este foarte benefic pentru lustruirea ulterioară a substraturilor de SiC.

Cu toate acestea, zgârierea suprafeței rămâne o problemă nerezolvată. În plus, diamantul policristalin utilizat în acest proces este produs prin sinteză explozivă, ceea ce este dificil din punct de vedere tehnic, produce cantități mici și este extrem de scump.

Lustruirea monocristalelor de SiC

Pentru a obține o suprafață lustruită de înaltă calitate pe napolitanele din carbură de siliciu (SiC), lustruirea trebuie să elimine complet gropițele de șlefuire și ondulațiile de suprafață la scară nanometrică. Scopul este de a produce o suprafață netedă, fără defecte, fără contaminare sau degradare, fără daune la nivelul subsolului și fără stres rezidual la suprafață.

3.1 Lustruirea mecanică și CMP a napolitanelor de SiC

După creșterea unui lingou monocristal de SiC, defectele de suprafață împiedică utilizarea directă a acestuia pentru creșterea epitaxială. Prin urmare, este necesară o prelucrare ulterioară. Lingoul este mai întâi modelat într-o formă cilindrică standard prin rotunjire, apoi feliat în napolitane folosind tăierea cu sârmă, urmată de verificarea orientării cristalografice. Lustruirea este o etapă esențială în îmbunătățirea calității napolitanelor, abordând potențialele deteriorări ale suprafeței cauzate de defectele de creștere a cristalelor și de etapele anterioare de prelucrare.

Există patru metode principale pentru îndepărtarea straturilor de deteriorare a suprafeței de pe SiC:

Lustruire mecanică: Simplă, dar lasă zgârieturi; potrivită pentru lustruirea inițială.

Lustruire chimico-mecanică (CMP): Îndepărtează zgârieturile prin gravare chimică; potrivită pentru lustruirea de precizie.

Gravare cu hidrogen: Necesită echipamente complexe, utilizate în mod obișnuit în procesele HTCVD.

Lustruire asistată de plasmă: Complexă și rar utilizată.

Lustruirea exclusiv mecanică tinde să provoace zgârieturi, în timp ce lustruirea exclusiv chimică poate duce la corodare neuniformă. CMP combină ambele avantaje și oferă o soluție eficientă și rentabilă.

Principiul de funcționare al CMP

CMP funcționează prin rotirea plachetei sub o presiune setată împotriva unui disc de lustruit rotativ. Această mișcare relativă, combinată cu abraziunea mecanică a abrazivilor de dimensiuni nanometrice din suspensie și acțiunea chimică a agenților reactivi, realizează planarizarea suprafeței.

Materiale cheie utilizate:

Suspensie de lustruire: Conține abrazivi și reactivi chimici.

Disc de lustruit: Se uzează în timpul utilizării, reducând dimensiunea porilor și eficiența de livrare a suspensiei. Este necesară o curățare regulată, de obicei folosind o mașină de curățat cu diamant, pentru a restabili rugozitatea.

Proces CMP tipic

Abraziv: suspensie de diamant de 0,5 μm

Rugozitatea suprafeței țintă: ~0,7 nm

Lustruire chimică mecanică:

Echipament de lustruire: Mașină de lustruit cu o singură față AP-810

Presiune: 200 g/cm²

Viteza plăcii: 50 rpm

Turația suportului ceramic: 38 rpm

Compoziția suspensiei:

SiO₂ (30% greutate, pH = 10,15)

0–70% greutate H₂O₂ (30% greutate, grad reactiv)

Ajustați pH-ul la 8,5 folosind 5% greutate KOH și 1% greutate HNO₃

Debit de suspensie: 3 L/min, recirculat

Acest proces îmbunătățește eficient calitatea napolitanei de SiC și îndeplinește cerințele pentru procesele ulterioare.

Provocări tehnice în lustruirea mecanică

SiC, ca semiconductor cu bandă interzisă largă, joacă un rol vital în industria electronică. Având proprietăți fizice și chimice excelente, monocristalele de SiC sunt potrivite pentru medii extreme, cum ar fi temperaturi ridicate, frecvență ridicată, putere mare și rezistență la radiații. Cu toate acestea, natura sa dură și fragilă prezintă provocări majore pentru șlefuire și lustruire.

Pe măsură ce producătorii de top la nivel mondial trec de la napolitane de 6 inci la napolitane de 8 inci, probleme precum fisurarea și deteriorarea napolitanelor în timpul procesării au devenit mai importante, afectând semnificativ randamentul. Abordarea provocărilor tehnice ale substraturilor SiC de 8 inci este acum un punct de referință cheie pentru progresul industriei.

În era de 8 inci, procesarea plachetelor de SiC se confruntă cu numeroase provocări:

Scalarea napolitanelor este necesară pentru a crește producția de cipuri per lot, a reduce pierderile pe muchii și a reduce costurile de producție - în special având în vedere cererea tot mai mare în aplicațiile pentru vehiculele electrice.

Deși creșterea monocristalelor de SiC de 8 inci s-a maturizat, procesele finale, cum ar fi șlefuirea și lustruirea, se confruntă încă cu blocaje, rezultând randamente scăzute (doar 40-50%).

Napolitanele mai mari se confruntă cu distribuții de presiune mai complexe, ceea ce crește dificultatea gestionării stresului de lustruire și a consistenței randamentului.

Deși grosimea napolitanelor de 8 inci se apropie de cea a napolitanelor de 6 inci, acestea sunt mai predispuse la deteriorare în timpul manipulării din cauza stresului și deformării.

Pentru a reduce stresul, deformarea și fisurarea legate de tăiere, tăierea cu laser este din ce în ce mai utilizată. Cu toate acestea:

Laserele cu lungime de undă lungă provoacă daune termice.

Laserele cu lungime de undă scurtă generează resturi grele și adâncesc stratul de deteriorare, crescând complexitatea lustruirii.

Flux de lucru pentru lustruirea mecanică a SiC

Fluxul general al procesului include:

Tăiere orientativă

Măcinare grosieră

Măcinare fină

Lustruire mecanică

Lustruirea chimico-mecanică (CMP) ca etapă finală

Alegerea metodei CMP, proiectarea rutei de proces și optimizarea parametrilor sunt cruciale. În fabricarea semiconductorilor, CMP este etapa determinantă pentru producerea de napolitane de SiC cu suprafețe ultra-netede, fără defecte și fără deteriorări, esențiale pentru o creștere epitaxială de înaltă calitate.

(a) Scoateți lingoul de SiC din creuzet;

(b) Efectuarea modelării inițiale prin șlefuirea diametrului exterior;

(c) Determinarea orientării cristalului folosind planuri de aliniere sau crestături;

(d) Tăiați lingoul în napolitane subțiri folosind un ferăstrău cu mai multe fire;

(e) Obținerea unei suprafețe netede, asemănătoare oglinzii, prin etape de șlefuire și lustruire.

După finalizarea seriei de etape de procesare, marginea exterioară a plachetei de SiC devine adesea ascuțită, ceea ce crește riscul de ciobire în timpul manipulării sau utilizării. Pentru a evita o astfel de fragilitate, este necesară șlefuirea marginilor.

Pe lângă procesele tradiționale de feliere, o metodă inovatoare pentru prepararea napolitanelor de SiC implică tehnologia de lipire. Această abordare permite fabricarea napolitanelor prin lipirea unui strat subțire de monocristal de SiC pe un substrat eterogen (substrat de suport).

Figura 3 ilustrează fluxul procesului:

Mai întâi, se formează un strat de delaminare la o adâncime specificată pe suprafața monocristalului de SiC prin implantare de ioni de hidrogen sau tehnici similare. Monocristalul de SiC procesat este apoi lipit de un substrat suport plat și supus presiunii și căldurii. Acest lucru permite transferul și separarea cu succes a stratului monocristal de SiC pe substratul suport.

Stratul de SiC separat este supus unui tratament de suprafață pentru a obține planeitatea necesară și poate fi reutilizat în procesele ulterioare de lipire. Comparativ cu felierea tradițională a cristalelor de SiC, această tehnică reduce cererea de materiale scumpe. Deși provocările tehnice rămân, cercetarea și dezvoltarea avansează activ pentru a permite producția de napolitane cu costuri mai mici.

Având în vedere duritatea ridicată și stabilitatea chimică a SiC - care îl fac rezistent la reacții la temperatura camerei - lustruirea mecanică este necesară pentru a îndepărta gropile fine de șlefuire, a reduce deteriorarea suprafeței, a elimina zgârieturile, corodările și defectele de coajă de portocală, a reduce rugozitatea suprafeței, a îmbunătăți planeitatea și a îmbunătăți calitatea suprafeței.

Pentru a obține o suprafață lustruită de înaltă calitate, este necesar să:

Ajustați tipurile de abrazivi,

Reduceți dimensiunea particulelor,

Optimizați parametrii procesului,

Selectați materiale și discuri de lustruit cu o duritate adecvată.

Figura 7 arată că lustruirea pe ambele fețe cu abrazivi de 1 μm poate controla planeitatea și variația grosimii în limita a 10 μm și poate reduce rugozitatea suprafeței la aproximativ 0,25 nm.

3.2 Lustruire chimico-mecanică (CMP)

Lustruirea chimico-mecanică (CMP) combină abraziunea cu particule ultrafine cu gravarea chimică pentru a forma o suprafață netedă și plană pe materialul procesat. Principiul de bază este:

O reacție chimică are loc între suspensia de lustruire și suprafața plachetei, formând un strat moale.

Frecarea dintre particulele abrazive și stratul moale îndepărtează materialul.

Avantajele CMP:

Depășește dezavantajele lustruirii pur mecanice sau chimice,

Realizează atât planarizarea globală, cât și cea locală,

Produce suprafețe cu planeitate ridicată și rugozitate redusă,

Nu lasă daune la suprafață sau la subsol.

În detaliu:

Placheta se mișcă sub presiune față de discul de lustruit.

Abrazivii la scară nanometrică (de exemplu, SiO₂) din suspensie participă la forfecare, slăbind legăturile covalente Si-C și îmbunătățind îndepărtarea materialului.

Tipuri de tehnici CMP:

Lustruire abrazivă liberă: Abrazivii (de exemplu, SiO₂) sunt suspendați în suspensie. Îndepărtarea materialului are loc prin abraziune cu trei corpuri (placă-tampon-abraziv). Dimensiunea abrazivului (de obicei 60–200 nm), pH-ul și temperatura trebuie controlate cu precizie pentru a îmbunătăți uniformitatea.

Lustruire cu abrazive fixe: Abrazivii sunt încorporați în discul de lustruire pentru a preveni aglomerarea - ideal pentru prelucrare de înaltă precizie.

Curățare după lustruire:

Napolitanele lustruite sunt supuse:

Curățare chimică (inclusiv îndepărtarea apei deionizate și a reziduurilor de nămol),

Clătire cu apă deionizată și

Uscare cu azot fierbinte

pentru a reduce la minimum contaminanții de suprafață.

Calitatea și performanța suprafeței

Rugozitatea suprafeței poate fi redusă la Ra < 0,3 nm, îndeplinind cerințele de epitaxie a semiconductorilor.

Planarizare globală: Combinația dintre înmuierea chimică și îndepărtarea mecanică reduce zgârieturile și corodarea neuniformă, depășind metodele pure mecanice sau chimice.

Eficiență ridicată: Potrivit pentru materiale dure și casante precum SiC, cu rate de îndepărtare a materialului de peste 200 nm/h.

Alte tehnici emergente de lustruire

Pe lângă CMP, au fost propuse metode alternative, inclusiv:

Lustruire electrochimică, lustruire sau gravare asistată de catalizator și

Lustruire tribochimică.

Cu toate acestea, aceste metode sunt încă în stadiul de cercetare și s-au dezvoltat lent din cauza proprietăților dificile ale SiC.

În cele din urmă, prelucrarea SiC este un proces gradual de reducere a deformării și a rugozității pentru a îmbunătăți calitatea suprafeței, unde controlul planeității și rugozității este esențial în fiecare etapă.

Tehnologie de procesare

În etapa de măcinare a napolitanelor, se utilizează o pastă de diamant cu diferite dimensiuni ale particulelor pentru a măcina napolitanele până la planeitatea și rugozitatea suprafeței necesare. Aceasta este urmată de lustruire, utilizând atât tehnici mecanice, cât și chimico-mecanice de lustruire (CMP) pentru a produce napolitane din carbură de siliciu (SiC) lustruite, fără deteriorări.

După lustruire, napolitanele de SiC sunt supuse unui control riguros al calității, utilizând instrumente precum microscoape optice și difractometre cu raze X, pentru a se asigura că toți parametrii tehnici îndeplinesc standardele necesare. În cele din urmă, napolitanele lustruite sunt curățate folosind agenți de curățare specializați și apă ultrapură pentru a îndepărta contaminanții de suprafață. Apoi sunt uscate folosind gaz de azot de înaltă puritate și uscătoare prin centrifugare, completând întregul proces de producție.

După ani de eforturi, în China s-au înregistrat progrese semnificative în prelucrarea monocristalelor de SiC. Pe plan intern, au fost dezvoltate cu succes monocristale 4H-SiC semiizolante dopate de 100 mm, iar monocristalele 4H-SiC și 6H-SiC de tip n pot fi acum produse în loturi. Companii precum TankeBlue și TYST au dezvoltat deja monocristale de SiC de 150 mm.

În ceea ce privește tehnologia de procesare a napolitanelor de SiC, instituțiile autohtone au explorat preliminar condițiile de proces și rutele pentru felierea, măcinarea și lustruirea cristalelor. Acestea sunt capabile să producă mostre care îndeplinesc practic cerințele pentru fabricarea dispozitivelor. Cu toate acestea, în comparație cu standardele internaționale, calitatea procesării suprafeței napolitanelor autohtone este încă semnificativ în urmă. Există mai multe probleme:

Teoriile și tehnologiile internaționale de procesare a SiC sunt strict protejate și nu sunt ușor accesibile.

Există o lipsă de cercetare teoretică și de sprijin pentru îmbunătățirea și optimizarea proceselor.

Costul importului de echipamente și componente străine este ridicat.

Cercetările interne privind proiectarea echipamentelor, precizia procesării și materialele prezintă încă lacune semnificative în comparație cu nivelurile internaționale.

În prezent, majoritatea instrumentelor de înaltă precizie utilizate în China sunt importate. Echipamentele și metodologiile de testare necesită, de asemenea, îmbunătățiri suplimentare.

Odată cu dezvoltarea continuă a semiconductorilor de a treia generație, diametrul substraturilor monocristaline de SiC crește constant, împreună cu cerințe mai mari pentru calitatea procesării suprafeței. Tehnologia de procesare a plachetelor a devenit una dintre cele mai dificile etape din punct de vedere tehnic după creșterea monocristalului de SiC.

Pentru a aborda provocările existente în procesare, este esențial să se studieze în continuare mecanismele implicate în tăiere, șlefuire și lustruire și să se exploreze metode și rute de proces adecvate pentru fabricarea plachetelor de SiC. În același timp, este necesar să se învețe din tehnologiile internaționale avansate de procesare și să se adopte tehnici și echipamente de prelucrare ultra-precizie de ultimă generație pentru a produce substraturi de înaltă calitate.

Pe măsură ce dimensiunea plachetelor crește, crește și dificultatea creșterii și procesării cristalelor. Cu toate acestea, eficiența de fabricație a dispozitivelor din aval se îmbunătățește semnificativ, iar costul unitar este redus. În prezent, principalii furnizori de plachete SiC la nivel global oferă produse cu diametrul cuprins între 4 inci și 6 inci. Companii de top precum Cree și II-VI au început deja să planifice dezvoltarea unor linii de producție de plachete SiC de 8 inci.