Otázka: Jaké jsou hlavní technologie používané při řezání a zpracování SiC destiček?
A:Karbid křemíku (SiC) má druhou tvrdost hned po diamantu a je považován za vysoce tvrdý a křehký materiál. Proces řezání, který zahrnuje řezání vypěstovaných krystalů na tenké plátky, je časově náročný a náchylný k odštípnutí. Jako první krok vSiCPři zpracování monokrystalů kvalita řezání významně ovlivňuje následné broušení, leštění a ztenčování. Řezání často způsobuje povrchové a podpovrchové trhliny, což zvyšuje míru lomu destiček a výrobní náklady. Proto je kontrola poškození povrchovými trhlinami během řezání klíčová pro pokrok ve výrobě součástek z SiC.
Mezi aktuálně uváděné metody řezání SiC patří řezání pevným abrazivem, řezání volným abrazivem, řezání laserem, přenos vrstev (studená separace) a řezání elektrickým výbojem. Mezi nimi je nejčastěji používanou metodou pro zpracování monokrystalů SiC vratné vícedrátové řezání s pevnými diamantovými abrazivy. Jakmile však velikosti ingotů dosáhnou 8 palců a více, tradiční drátové řezání se stává méně praktickým kvůli vysokým nárokům na zařízení, nákladům a nízké účinnosti. Existuje naléhavá potřeba nízkonákladových, nízkoztrátových a vysoce účinných technologií řezání.
Otázka: Jaké jsou výhody laserového řezání oproti tradičnímu vícedrátovému řezání?
A: Tradiční řezání drátem řežeSiC ingotpodél specifického směru na plátky o tloušťce několika stovek mikronů. Plátky se poté brousí diamantovými suspenzemi k odstranění stop po pile a poškození pod povrchem, následuje chemicko-mechanické leštění (CMP) k dosažení globální planarizace a nakonec se čistí, aby se získaly SiC destičky.
Vzhledem k vysoké tvrdosti a křehkosti SiC však mohou tyto kroky snadno způsobit deformaci, praskání, zvýšenou míru lomu, vyšší výrobní náklady a vést k vysoké drsnosti povrchu a kontaminaci (prach, odpadní voda atd.). Řezání drátem je navíc pomalé a má nízký výtěžek. Odhady ukazují, že tradiční vícedrátové řezání dosahuje pouze asi 50% využití materiálu a po leštění a broušení se ztrácí až 75 % materiálu. První údaje o zahraniční výrobě naznačovaly, že výroba 10 000 destiček by mohla trvat přibližně 273 dní nepřetržité 24hodinové výroby – což je velmi časově náročné.
V tuzemsku se mnoho společností zabývajících se růstem krystalů SiC zaměřuje na zvyšování kapacity pecí. Místo pouhého rozšiřování výroby je však důležitější zvážit, jak snížit ztráty – zejména pokud výtěžnost růstu krystalů ještě není optimální.
Zařízení pro laserové řezání může výrazně snížit ztráty materiálu a zlepšit výtěžnost. Například použití jediného 20mmSiC ingotDrátové řezání může poskytnout přibližně 30 destiček o tloušťce 350 μm. Laserové řezání může poskytnout více než 50 destiček. Pokud se tloušťka destičky zmenší na 200 μm, lze z jednoho ingotu vyrobit více než 80 destiček. Zatímco drátové řezání se široce používá pro destičky o velikosti 6 palců a menší, řezání 8palcového ingotu SiC může tradičními metodami trvat 10–15 dní, což vyžaduje špičkové vybavení a s sebou nese vysoké náklady s nízkou účinností. Za těchto podmínek se výhody laserového řezání projevují a dělají z něj mainstreamovou technologii budoucnosti pro 8palcové destičky.
Při řezání laserem může být doba řezání na 8palcový wafer méně než 20 minut, přičemž ztráta materiálu na wafer je menší než 60 μm.
Stručně řečeno, ve srovnání s vícedrátovým řezáním nabízí laserové řezání vyšší rychlost, lepší výtěžnost, nižší ztráty materiálu a čistší zpracování.
Otázka: Jaké jsou hlavní technické problémy při řezání SiC laserem?
A: Proces laserového řezání zahrnuje dva hlavní kroky: laserovou modifikaci a separaci destiček.
Jádrem laserové modifikace je tvarování paprsku a optimalizace parametrů. Parametry, jako je výkon laseru, průměr bodu a rychlost skenování, ovlivňují kvalitu ablace materiálu a úspěšnost následné separace waferu. Geometrie modifikované zóny určuje drsnost povrchu a obtížnost separace. Vysoká drsnost povrchu komplikuje pozdější broušení a zvyšuje ztráty materiálu.
Po modifikaci se separace destiček obvykle dosahuje smykovými silami, jako je lom za studena nebo mechanické namáhání. Některé domácí systémy používají ultrazvukové měniče k vyvolání vibrací pro separaci, ale to může způsobit odštípnutí a vady na hranách, což snižuje konečný výtěžek.
I když tyto dva kroky nejsou ze své podstaty obtížné, nekonzistentní vlastnosti krystalů – v důsledku různých růstových procesů, úrovní dopování a rozložení vnitřního napětí – významně ovlivňují obtížnost řezání, výtěžnost a ztráty materiálu. Pouhá identifikace problémových oblastí a úprava laserových skenovacích zón nemusí výsledky podstatně zlepšit.
Klíčem k širokému přijetí je vývoj inovativních metod a zařízení, které se dokáží přizpůsobit široké škále krystalových vlastností od různých výrobců, optimalizace procesních parametrů a konstrukce laserových řezacích systémů s univerzální použitelností.
Otázka: Lze technologii laserového řezání použít i na jiné polovodičové materiály než SiC?
A: Technologie laserového řezání se historicky používá u široké škály materiálů. V polovodičích se zpočátku používala pro řezání destiček a od té doby se rozšířila na řezání velkých objemových monokrystalů.
Kromě SiC lze laserové řezání použít i pro jiné tvrdé nebo křehké materiály, jako je diamant, nitrid galia (GaN) a oxid galia (Ga₂O₃). Předběžné studie těchto materiálů prokázaly proveditelnost a výhody laserového řezání pro polovodičové aplikace.
Otázka: Existují v současné době vyspělé domácí produkty pro laserové řezací zařízení? V jaké fázi je váš výzkum?
A: Zařízení pro laserové řezání SiC s velkým průměrem je všeobecně považováno za klíčové zařízení pro budoucnost výroby 8palcových SiC destiček. V současné době může takové systémy dodat pouze Japonsko a jsou drahé a podléhají vývozním omezením.
Domácí poptávka po laserových řezacích/prořezávacích systémech se odhaduje na přibližně 1 000 kusů, a to na základě plánů výroby SiC a stávající kapacity drátových pil. Velké domácí společnosti investovaly značné prostředky do vývoje, ale žádné vyspělé, komerčně dostupné domácí zařízení dosud nedosáhlo průmyslového nasazení.
Výzkumné skupiny vyvíjejí patentovanou technologii laserového odlepování od roku 2001 a nyní ji rozšířily na laserové řezání a ztenčování SiC o velkém průměru. Vyvinuly prototyp systému a procesy řezání, které jsou schopny: Řezání a ztenčování poloizolačních SiC destiček o průměru 4–6 palců, řezání vodivých SiC ingotů o průměru 6–8 palců. Výkonnostní kritéria: Poloizolační SiC o průměru 6–8 palců: doba řezání 10–15 minut/destička; ztráta materiálu <30 μm, Vodivý SiC o průměru 6–8 palců: doba řezání 14–20 minut/destička; ztráta materiálu <60 μm.
Odhadovaný výtěžek destiček se zvýšil o více než 50 %
Po nařezání splňují destičky po broušení a leštění národní normy pro geometrii. Studie také ukazují, že tepelné účinky vyvolané laserem významně neovlivňují napětí ani geometrii v destičkách.
Stejné zařízení bylo také použito k ověření proveditelnosti řezání monokrystalů diamantu, GaN a Ga₂O₃.
Čas zveřejnění: 23. května 2025