P: Jakie są główne technologie stosowane w cięciu i przetwarzaniu płytek SiC?
A:Węglik krzemu (SiC) ma twardość ustępującą jedynie diamentowi i jest uważany za bardzo twardy i kruchy materiał. Proces krojenia, który polega na cięciu wyhodowanych kryształów na cienkie wafle, jest czasochłonny i podatny na odpryskiwanie. Jako pierwszy krok wSiCprzetwarzanie pojedynczego kryształu, jakość krojenia znacząco wpływa na późniejsze szlifowanie, polerowanie i ścienianie. Krojenie często wprowadza pęknięcia powierzchniowe i podpowierzchniowe, zwiększając szybkość pękania płytek i koszty produkcji. Dlatego kontrolowanie uszkodzeń pęknięć powierzchniowych podczas krojenia jest kluczowe dla postępu w produkcji urządzeń SiC.
Obecnie stosowane metody cięcia SiC obejmują cięcie ścierniwem stałym, cięcie ścierniwem swobodnym, cięcie laserowe, przenoszenie warstw (separacja na zimno) oraz cięcie elektroerozyjne. Spośród nich, cięcie wielodrutowe z zastosowaniem ścierniwa diamentowego o ruchu posuwisto-zwrotnym jest najpowszechniej stosowaną metodą obróbki monokryształów SiC. Jednak wraz ze wzrostem rozmiarów wlewków do 8 cali (20 cm) i większych, tradycyjne cięcie drutem staje się mniej praktyczne ze względu na wysokie wymagania sprzętowe, koszty i niską wydajność. Istnieje pilne zapotrzebowanie na tanie, niskostratne i wysokowydajne technologie cięcia.
P: Jakie są zalety cięcia laserowego w porównaniu z tradycyjnym cięciem wielodrutowym?
A:Tradycyjne cięcie piłą linową przecinaSztabka SiCwzdłuż określonego kierunku na plasterki o grubości kilkuset mikronów. Następnie plasterki są szlifowane za pomocą szlamów diamentowych w celu usunięcia śladów piły i uszkodzeń podpowierzchniowych, a następnie poddawane polerowaniu chemiczno-mechanicznemu (CMP) w celu uzyskania globalnej planaryzacji, a na koniec czyszczone w celu uzyskania płytek SiC.
Jednak ze względu na wysoką twardość i kruchość SiC, te etapy mogą łatwo prowadzić do wypaczeń, pęknięć, zwiększonego współczynnika pękania, wyższych kosztów produkcji oraz wysokiej chropowatości powierzchni i zanieczyszczeń (pyłu, ścieków itp.). Ponadto cięcie drutem jest powolne i ma niską wydajność. Szacunki pokazują, że tradycyjne cięcie wielodrutowe pozwala na wykorzystanie materiału jedynie w około 50%, a nawet do 75% materiału jest tracone po polerowaniu i szlifowaniu. Wczesne dane dotyczące produkcji zagranicznej wskazywały, że wyprodukowanie 10 000 płytek może zająć około 273 dni ciągłej, 24-godzinnej produkcji – jest to bardzo czasochłonne.
W kraju wiele firm zajmujących się wzrostem kryształów SiC koncentruje się na zwiększaniu wydajności pieca. Jednak zamiast po prostu zwiększać produkcję, ważniejsze jest rozważenie, jak zmniejszyć straty — zwłaszcza gdy wydajność wzrostu kryształów nie jest jeszcze optymalna.
Urządzenia do cięcia laserowego mogą znacząco zmniejszyć straty materiału i poprawić wydajność. Na przykład, użycie pojedynczej 20-milimetrowej plazmySztabka SiCCięcie drutem pozwala uzyskać około 30 płytek o grubości 350 μm. Cięcie laserowe pozwala uzyskać ponad 50 płytek. Zmniejszenie grubości płytki do 200 μm pozwala na wyprodukowanie ponad 80 płytek z tej samej sztabki. Chociaż cięcie drutem jest powszechnie stosowane do płytek o średnicy 6 cali i mniejszych, cięcie 8-calowej sztabki SiC może zająć 10–15 dni tradycyjnymi metodami, co wymaga użycia wysokiej klasy sprzętu i generuje wysokie koszty przy niskiej wydajności. W tych warunkach zalety cięcia laserowego stają się oczywiste, czyniąc je główną technologią przyszłości dla płytek 8-calowych.
Dzięki cięciu laserowemu czas cięcia 8-calowej płytki może wynieść mniej niż 20 minut, a strata materiału na płytkę może wynieść mniej niż 60 μm.
Podsumowując, w porównaniu z cięciem wielodrutowym, cięcie laserowe zapewnia większą prędkość, lepszą wydajność, mniejsze straty materiału i czystszą obróbkę.
P: Jakie są główne wyzwania techniczne w cięciu laserowym SiC?
A: Proces cięcia laserowego obejmuje dwa główne etapy: modyfikację laserową i separację płytek.
Podstawą modyfikacji laserowej jest kształtowanie wiązki i optymalizacja parametrów. Parametry takie jak moc lasera, średnica plamki i prędkość skanowania wpływają na jakość ablacji materiału i powodzenie późniejszej separacji płytek. Geometria zmodyfikowanej strefy determinuje chropowatość powierzchni i trudność separacji. Wysoka chropowatość powierzchni komplikuje późniejsze szlifowanie i zwiększa straty materiału.
Po modyfikacji rozdzielenie płytek jest zazwyczaj osiągane za pomocą sił ścinających, takich jak pękanie na zimno lub naprężenie mechaniczne. Niektóre systemy domowe wykorzystują przetworniki ultradźwiękowe do wywoływania wibracji w celu rozdzielenia, ale może to powodować odpryskiwanie i wady krawędzi, obniżając ostateczną wydajność.
Chociaż te dwa kroki nie są z natury trudne, niespójności w jakości kryształu — ze względu na różne procesy wzrostu, poziomy domieszkowania i rozkłady naprężeń wewnętrznych — znacząco wpływają na trudność cięcia, wydajność i utratę materiału. Samo zidentyfikowanie obszarów problemowych i dostosowanie stref skanowania laserowego może nie poprawić znacząco wyników.
Kluczem do powszechnego zastosowania jest opracowanie innowacyjnych metod i urządzeń, które można dostosować do szerokiej gamy jakości kryształów od różnych producentów, optymalizacja parametrów procesu i budowa uniwersalnych systemów cięcia laserowego.
P: Czy technologię cięcia laserowego można stosować do innych materiałów półprzewodnikowych oprócz SiC?
A:Technologia cięcia laserowego była historycznie stosowana do szerokiej gamy materiałów. W półprzewodnikach początkowo była używana do cięcia płytek, a następnie została rozszerzona do cięcia dużych pojedynczych kryształów.
Oprócz SiC, cięcie laserowe można stosować również do innych twardych lub kruchych materiałów, takich jak diament, azotek galu (GaN) i tlenek galu (Ga₂O₃). Wstępne badania tych materiałów wykazały wykonalność i zalety cięcia laserowego w zastosowaniach półprzewodnikowych.
P: Czy istnieją już dojrzałe krajowe produkty do cięcia laserowego? Na jakim etapie są Państwa badania?
A: Sprzęt do cięcia laserowego SiC o dużej średnicy jest powszechnie uważany za podstawowy sprzęt dla przyszłości produkcji 8-calowych płytek SiC. Obecnie tylko Japonia może dostarczyć takie systemy, a są one drogie i podlegają ograniczeniom eksportowym.
Szacuje się, że popyt krajowy na systemy cięcia/rozrzedzania laserowego wynosi około 1000 sztuk, w oparciu o plany produkcji SiC i istniejące moce produkcyjne piły drutowej. Główne krajowe firmy zainwestowały dużo w rozwój, ale żaden dojrzały, dostępny komercyjnie sprzęt krajowy nie osiągnął jeszcze przemysłowego wdrożenia.
Zespoły badawcze rozwijają opatentowaną technologię laserowego odrywania od podłoża od 2001 roku, a obecnie rozszerzyły ją na laserowe cięcie i ścienianie SiC o dużej średnicy. Opracowali prototyp systemu i procesy cięcia umożliwiające: cięcie i ścienianie półizolacyjnych wafli SiC o średnicy 4–6 cali, cięcie przewodzących wlewków SiC o średnicy 6–8 cali. Parametry wydajności: półizolacyjny SiC o średnicy 6–8 cali: czas cięcia 10–15 minut na wafel; strata materiału <30 μm, przewodzący SiC o średnicy 6–8 cali: czas cięcia 14–20 minut na wafel; strata materiału <60 μm.
Szacunkowa wydajność płytek wzrosła o ponad 50%
Po pocięciu wafle spełniają krajowe normy dotyczące geometrii po szlifowaniu i polerowaniu. Badania pokazują również, że efekty termiczne wywołane laserem nie mają znaczącego wpływu na naprężenia ani geometrię wafli.
Tego samego sprzętu użyto również do sprawdzenia wykonalności cięcia monokryształów diamentu, GaN i Ga₂O₃.
Czas publikacji: 23-05-2025