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 materiał bardzo twardy i kruchy. Proces krojenia, polegający na cięciu wyhodowanych kryształów na cienkie płytki, jest czasochłonny i podatny na odpryski. Jako pierwszy etapSiCW przypadku obróbki monokryształów, jakość cięcia ma istotny wpływ na późniejsze szlifowanie, polerowanie i ścienianie. Cięcie często powoduje powstawanie pęknięć powierzchniowych i podpowierzchniowych, zwiększając ryzyko pękania płytek i koszty produkcji. Dlatego kontrola uszkodzeń spowodowanych pęknięciami powierzchniowymi podczas cięcia ma kluczowe znaczenie dla rozwoju produkcji układów 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 SiCW określonym kierunku, na plastry o grubości kilkuset mikronów. Plastry są następnie szlifowane za pomocą zawiesin diamentowych w celu usunięcia śladów piłowania 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 hodowlą kryształów SiC koncentruje się na zwiększeniu wydajności pieców. Jednak zamiast po prostu zwiększać wydajność, ważniejsze jest rozważenie sposobów ograniczenia strat – zwłaszcza gdy wydajność hodowli 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, separacja płytek odbywa się zazwyczaj za pomocą sił ścinających, takich jak pękanie na zimno lub naprężenia mechaniczne. Niektóre systemy domowe wykorzystują przetworniki ultradźwiękowe do indukowania wibracji w celu separacji, ale może to powodować wykruszenia i wady krawędzi, obniżając ostateczną wydajność.
Chociaż te dwa etapy same w sobie nie są trudne, różnice w jakości kryształu – wynikające z różnych procesów wzrostu, poziomów domieszkowania i rozkładu naprężeń wewnętrznych – znacząco wpływają na trudność cięcia, wydajność i straty materiału. Samo zidentyfikowanie obszarów problemowych i dostosowanie stref skanowania laserowego może nie poprawić znacząco rezultatów.
Kluczem do powszechnego zastosowania jest opracowanie innowacyjnych metod i urządzeń, które można dostosować do szerokiej gamy jakości kryształów od różnych producentów, optymalizacja parametrów procesu oraz 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 wykorzystywana do cięcia płytek półprzewodnikowych, a następnie została rozszerzona o cięcie dużych monokryształów.
Oprócz SiC, cięcie laserowe można również stosować 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: Urządzenia do cięcia laserowego SiC o dużej średnicy są powszechnie uważane za kluczowe dla przyszłości produkcji 8-calowych płytek SiC. Obecnie tylko Japonia może dostarczać takie systemy, a są one drogie i podlegają ograniczeniom eksportowym.
Szacuje się, że popyt krajowy na systemy cięcia/rozdrabniania laserowego wyniesie około 1000 sztuk, w oparciu o plany produkcyjne SiC i istniejące moce produkcyjne pił drutowych. Duże firmy krajowe zainwestowały znaczne środki w rozwój, ale żaden dojrzały, dostępny na rynku krajowym sprzęt nie wszedł jeszcze do użytku przemysłowego.
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 cięciu, wafle spełniają krajowe normy dotyczące geometrii po szlifowaniu i polerowaniu. Badania pokazują również, że efekty termiczne indukowane laserowo nie wpływają znacząco na naprężenia ani geometrię wafli.
Tego samego sprzętu użyto również do sprawdzenia wykonalności cięcia monokryształów diamentu, GaN i Ga₂O₃.
Czas publikacji: 23-05-2025