Aktualny stan i trendy w technologii przetwarzania płytek SiC

Jako materiał podłoża półprzewodnikowego trzeciej generacji,węglik krzemu (SiC)Monokryształ ma szerokie perspektywy zastosowania w produkcji urządzeń elektronicznych wysokiej częstotliwości i dużej mocy. Technologia przetwarzania SiC odgrywa decydującą rolę w produkcji wysokiej jakości materiałów podłożowych. Niniejszy artykuł przedstawia aktualny stan badań nad technologiami przetwarzania SiC zarówno w Chinach, jak i za granicą, analizując i porównując mechanizmy procesów cięcia, szlifowania i polerowania, a także trendy dotyczące płaskości i chropowatości powierzchni płytek. Wskazuje również na istniejące wyzwania w zakresie przetwarzania płytek SiC i omawia przyszłe kierunki rozwoju.

Węglik krzemu (SiC)Płytki półprzewodnikowe są kluczowymi materiałami bazowymi dla urządzeń półprzewodnikowych trzeciej generacji i mają istotne znaczenie oraz potencjał rynkowy w takich dziedzinach jak mikroelektronika, elektronika mocy i oświetlenie półprzewodnikowe. Ze względu na wyjątkowo wysoką twardość i stabilność chemicznąMonokryształy SiCTradycyjne metody przetwarzania półprzewodników nie są w pełni odpowiednie do ich obróbki. Chociaż wiele międzynarodowych firm przeprowadziło szeroko zakrojone badania nad technicznie wymagającym przetwarzaniem monokryształów SiC, istotne technologie są objęte ścisłą tajemnicą.

W ostatnich latach Chiny zintensyfikowały działania w zakresie rozwoju materiałów i urządzeń monokrystalicznych SiC. Jednak postęp technologii urządzeń SiC w tym kraju jest obecnie ograniczony przez ograniczenia w technologiach przetwarzania i jakości płytek. Dlatego też Chiny muszą koniecznie poprawić swoje możliwości w zakresie przetwarzania SiC, aby poprawić jakość podłoży monokrystalicznych SiC oraz umożliwić ich praktyczne zastosowanie i masową produkcję.

Główne etapy przetwarzania obejmują: cięcie → szlifowanie zgrubne → szlifowanie dokładne → polerowanie zgrubne (polerowanie mechaniczne) → polerowanie dokładne (polerowanie chemiczno-mechaniczne, CMP) → kontrola.

Cięcie monokryształów SiC

W przetwarzaniuMonokryształy SiCCięcie jest pierwszym i niezwykle krytycznym etapem. Wygięcie płytki, jej wypaczenie i całkowita zmienność grubości (TTV) wynikające z procesu cięcia decydują o jakości i skuteczności późniejszych operacji szlifowania i polerowania.

Narzędzia skrawające można podzielić ze względu na kształt na piły diamentowe o średnicy wewnętrznej (ID), piły o średnicy zewnętrznej (OD), piły taśmowe i piły linowe. Piły linowe z kolei można podzielić ze względu na rodzaj ruchu na systemy z drutem posuwisto-zwrotnym i pętlowym (bez końca). Ze względu na mechanizm cięcia, techniki cięcia piłą linową można podzielić na dwa rodzaje: cięcie drutem ściernym swobodnym i cięcie diamentowym drutem ściernym stałym.

1.1 Tradycyjne metody cięcia

Głębokość cięcia pił o średnicy zewnętrznej (OD) jest ograniczona średnicą ostrza. Podczas cięcia ostrze jest podatne na wibracje i odchylenia, co skutkuje wysokim poziomem hałasu i niską sztywnością. Piły o średnicy wewnętrznej (ID) wykorzystują diamentowe materiały ścierne na wewnętrznym obwodzie ostrza jako krawędź tnącą. Ostrza te mogą mieć grubość zaledwie 0,2 mm. Podczas cięcia ostrze o średnicy wewnętrznej obraca się z dużą prędkością, a cięty materiał przemieszcza się promieniowo względem środka ostrza, co umożliwia cięcie dzięki temu ruchowi względnemu.

Diamentowe piły taśmowe wymagają częstych zatrzymań i zmian kierunku, a prędkość cięcia jest bardzo niska – zazwyczaj nieprzekraczająca 2 m/s. Są one również narażone na znaczne zużycie mechaniczne i wysokie koszty konserwacji. Ze względu na szerokość brzeszczotu promień cięcia nie może być zbyt mały, a cięcie wielowarstwowe nie jest możliwe. Te tradycyjne narzędzia tnące są ograniczone sztywnością podstawy i nie mogą wykonywać cięć krzywoliniowych lub mają ograniczony promień skrętu. Nadają się jedynie do cięcia prostego, wytwarzają szerokie rzazy, mają niską wydajność i dlatego nie nadają się do cięcia.Kryształy SiC.

1.2. Piła drutowa ścierna do cięcia wielodrutowego

Technika cięcia piłą z wolnym drutem ściernym wykorzystuje szybki ruch drutu do przenoszenia szlamu do szczeliny, umożliwiając usuwanie materiału. Wykorzystuje ona przede wszystkim strukturę posuwisto-zwrotną i jest obecnie dojrzałą i szeroko stosowaną metodą wydajnego cięcia wielu płytek monokrystalicznego krzemu. Jednak jej zastosowanie w cięciu SiC zostało mniej dokładnie zbadane.

Piły z wolnymi drutami ściernymi mogą obrabiać wafle o grubości poniżej 300 μm. Oferują one niskie straty na nacięciu, rzadko powodują wykruszenia i zapewniają stosunkowo dobrą jakość powierzchni. Jednak ze względu na mechanizm usuwania materiału – oparty na walcowaniu i wgniataniu materiału ściernego – powierzchnia wafla ma tendencję do tworzenia znacznych naprężeń szczątkowych, mikropęknięć i głębszych warstw uszkodzeń. Prowadzi to do wypaczania się wafli, utrudnia kontrolę dokładności profilu powierzchni i zwiększa obciążenie w kolejnych etapach obróbki.

Wydajność cięcia jest w dużym stopniu zależna od ścierniwa; konieczne jest utrzymanie ostrości ścierniwa i jego stężenia. Obróbka i recykling ścierniwa są kosztowne. Podczas cięcia dużych wlewków, ścierniwa mają trudności z penetracją głębokich i długich szczelin. Przy tej samej wielkości ziarna ścierniwa, strata w szczelinie jest większa niż w przypadku pił linowych ze stałym ścierniwem.

1.3 Stała piła diamentowa z drutem ściernym, cięcie wielolinowe

Piły linowe diamentowe ze stałym ścierniwem są zazwyczaj wytwarzane poprzez osadzanie cząstek diamentu na podłożu z drutu stalowego metodą galwanizacji, spiekania lub wiązania żywicą. Piły linowe diamentowe z powłoką galwaniczną oferują takie zalety, jak węższe nacięcia, lepsza jakość cięcia, wyższa wydajność, mniejsze zanieczyszczenie oraz możliwość cięcia materiałów o wysokiej twardości.

Piła diamentowa z galwanicznym drutem posuwisto-zwrotnym jest obecnie najpowszechniej stosowaną metodą cięcia SiC. Rysunek 1 (niepokazany tutaj) ilustruje płaskość powierzchni płytek SiC ciętych tą techniką. Wraz z postępem cięcia wzrasta deformacja płytki. Dzieje się tak, ponieważ powierzchnia styku drutu z materiałem zwiększa się wraz z jego przesuwaniem się w dół, co zwiększa opór i wibracje drutu. Gdy drut osiągnie maksymalną średnicę płytki, wibracje osiągają szczyt, co skutkuje maksymalnym deformacją.

W późniejszych etapach cięcia, z powodu przyspieszania, ruchu drutu ze stałą prędkością, zwalniania, zatrzymywania i zmiany kierunku, a także trudności z usuwaniem zanieczyszczeń z chłodziwem, jakość powierzchni płytki ulega pogorszeniu. Zmiana kierunku drutu i wahania prędkości, a także duże cząsteczki diamentu na drucie, są głównymi przyczynami powstawania zarysowań powierzchni.

1.4 Technologia separacji na zimno

Separacja monokryształów SiC na zimno to innowacyjny proces w dziedzinie przetwarzania materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji. W ostatnich latach zyskał on znaczne zainteresowanie ze względu na swoje znaczące zalety w zakresie poprawy wydajności i redukcji strat materiału. Technologię tę można analizować pod kątem trzech aspektów: zasady działania, przebiegu procesu i podstawowych zalet.

Określenie orientacji kryształów i szlifowanie średnicy zewnętrznej: Przed obróbką należy określić orientację kryształów wlewka SiC. Następnie wlewek jest formowany w strukturę cylindryczną (potocznie zwaną krążkiem SiC) poprzez szlifowanie średnicy zewnętrznej. Ten etap stanowi podstawę do późniejszego cięcia kierunkowego i krojenia.

Cięcie wielodrutowe: Ta metoda wykorzystuje cząstki ścierne w połączeniu z drutami tnącymi do cięcia wlewka cylindrycznego. Wiąże się ona jednak ze znacznymi stratami szczeliny i problemami z nierównościami powierzchni.

Technologia cięcia laserowego: Laser tworzy wewnątrz kryształu zmodyfikowaną warstwę, z której można oddzielać cienkie warstwy. Takie podejście redukuje straty materiału i zwiększa wydajność obróbki, co czyni je obiecującym nowym kierunkiem w cięciu płytek SiC.

Optymalizacja procesu cięcia

Cięcie ścierne drutem wielodrutowym: Jest to obecnie najpopularniejsza technologia, dobrze dostosowana do dużej twardości SiC.

Obróbka elektroerozyjna (EDM) i technologia separacji na zimno: Metody te zapewniają zróżnicowane rozwiązania dostosowane do konkretnych wymagań.

Proces polerowania: Kluczowe jest zrównoważenie szybkości usuwania materiału i stopnia uszkodzenia powierzchni. Polerowanie chemiczno-mechaniczne (CMP) jest stosowane w celu poprawy jednorodności powierzchni.

Monitorowanie w czasie rzeczywistym: Wprowadzono technologie kontroli online umożliwiające monitorowanie chropowatości powierzchni w czasie rzeczywistym.

Cięcie laserowe: Technika ta redukuje straty spowodowane szczeliną i skraca cykle obróbki, choć strefa wpływu ciepła nadal stanowi wyzwanie.

Hybrydowe technologie przetwarzania: Połączenie metod mechanicznych i chemicznych zwiększa wydajność przetwarzania.

Technologia ta znalazła już zastosowanie przemysłowe. Na przykład firma Infineon przejęła firmę SILTECTRA i obecnie posiada kluczowe patenty wspierające masową produkcję 8-calowych wafli. W Chinach firmy takie jak Delong Laser osiągnęły wydajność produkcyjną na poziomie 30 wafli na sztabkę przy obróbce 6-calowych wafli, co stanowi 40% poprawę w porównaniu z tradycyjnymi metodami.

Wraz z przyspieszeniem produkcji sprzętu domowego, oczekuje się, że technologia ta stanie się powszechnym rozwiązaniem w obróbce podłoży SiC. Wraz ze wzrostem średnicy materiałów półprzewodnikowych, tradycyjne metody cięcia stały się przestarzałe. Spośród obecnych rozwiązań, technologia diamentowej piły linowej z posuwisto-zwrotnym ostrzem przedstawia najbardziej obiecujące perspektywy zastosowań. Cięcie laserowe, jako rozwijająca się technika, oferuje znaczące korzyści i przewiduje się, że stanie się w przyszłości podstawową metodą cięcia.

2.Mielenie pojedynczego kryształu SiC

Jako przedstawiciel półprzewodników trzeciej generacji, węglik krzemu (SiC) oferuje znaczące korzyści dzięki szerokiej przerwie energetycznej, silnemu polu przebicia, wysokiej prędkości dryfu elektronów nasycenia oraz doskonałej przewodności cieplnej. Te właściwości sprawiają, że SiC jest szczególnie przydatny w zastosowaniach wysokonapięciowych (np. w środowiskach 1200 V). Technologia przetwarzania podłoży SiC stanowi fundamentalny element produkcji urządzeń. Jakość powierzchni i precyzja podłoża bezpośrednio wpływają na jakość warstwy epitaksjalnej i wydajność gotowego urządzenia.

Głównym celem procesu szlifowania jest usunięcie śladów piły i warstw uszkodzeń powierzchniowych powstałych podczas cięcia, a także korekta odkształceń powstałych w procesie cięcia. Ze względu na wyjątkowo wysoką twardość węglika krzemu (SiC), szlifowanie wymaga użycia twardych materiałów ściernych, takich jak węglik boru lub diament. Konwencjonalne szlifowanie zazwyczaj dzieli się na szlifowanie zgrubne i szlifowanie dokładne.

2.1 Mielenie zgrubne i drobne

Szlifowanie można podzielić na kategorie w zależności od wielkości cząstek materiału ściernego:

Szlifowanie zgrubne: Stosuje się grubsze materiały ścierne głównie w celu usunięcia śladów piły i warstw uszkodzeń powstałych podczas cięcia, co zwiększa wydajność obróbki.

Szlifowanie precyzyjne: Wykorzystuje drobniejsze materiały ścierne w celu usunięcia warstwy uszkodzeń powstałej w wyniku szlifowania grubego, zmniejszenia chropowatości powierzchni i poprawy jej jakości.

Wielu krajowych producentów podłoży SiC stosuje procesy produkcyjne na dużą skalę. Powszechną metodą jest dwustronne szlifowanie z użyciem żeliwnej płyty i zawiesiny diamentu monokrystalicznego. Proces ten skutecznie usuwa warstwę uszkodzeń pozostawioną przez piłowanie drutem, koryguje kształt wafla i redukuje całkowitą zmienność grubości (TTV), wybrzuszenie i odkształcenie. Szybkość usuwania materiału jest stabilna i zazwyczaj wynosi 0,8–1,2 μm/min. Jednak uzyskana powierzchnia wafla jest matowa i charakteryzuje się stosunkowo dużą chropowatością – zazwyczaj około 50 nm – co wiąże się z wyższymi wymaganiami w kolejnych etapach polerowania.

2.2 Szlifowanie jednostronne

Szlifowanie jednostronne polega na obróbce tylko jednej strony płytki na raz. Podczas tego procesu płytka jest mocowana woskiem na stalowej płycie. Pod wpływem nacisku podłoże ulega lekkiemu odkształceniu, a górna powierzchnia zostaje spłaszczona. Po szlifowaniu dolna powierzchnia zostaje wypoziomowana. Po ustąpieniu nacisku górna powierzchnia ma tendencję do powrotu do pierwotnego kształtu, co wpływa również na już oszlifowaną dolną powierzchnię – powodując odkształcenie obu stron i utratę płaskości.

Co więcej, płyta szlifierska może w krótkim czasie stać się wklęsła, powodując wypukłość płytki. Aby zachować płaskość płyty, konieczne jest częste szlifowanie. Ze względu na niską wydajność i słabą płaskość płytki, szlifowanie jednostronne nie nadaje się do produkcji masowej.

Zazwyczaj do szlifowania precyzyjnego używa się tarcz szlifierskich #8000. W Japonii proces ten jest stosunkowo dobrze rozwinięty i wykorzystuje nawet tarcze polerskie #30000. Pozwala to na uzyskanie chropowatości powierzchni obrabianych płytek poniżej 2 nm, dzięki czemu płytki są gotowe do końcowego polerowania chemiczno-mechanicznego (CMP) bez dodatkowej obróbki.

2.3 Technologia przerzedzania jednostronnego

Technologia jednostronnego pocieniania diamentowego to nowatorska metoda jednostronnego szlifowania. Jak pokazano na rysunku 5 (niewidocznym tutaj), proces ten wykorzystuje diamentową tarczę szlifierską. Płytka jest mocowana za pomocą adsorpcji próżniowej, podczas gdy zarówno płytka, jak i diamentowa tarcza szlifierska obracają się jednocześnie. Tarcza szlifierska stopniowo przesuwa się w dół, aby pocienić płytkę do docelowej grubości. Po zakończeniu obróbki jednej strony płytka jest odwracana w celu obróbki drugiej strony.

Po przerzedzeniu wafel o średnicy 100 mm może osiągnąć:

Łuk < 5 μm

TTV < 2 μm

Chropowatość powierzchni < 1 nm

Ta metoda obróbki pojedynczych płytek zapewnia wysoką stabilność, doskonałą spójność i wysoką wydajność usuwania materiału. W porównaniu z konwencjonalnym szlifowaniem dwustronnym, technika ta zwiększa wydajność szlifowania o ponad 50%.

2.4 Szlifowanie dwustronne

Szlifowanie dwustronne polega na użyciu górnej i dolnej płyty szlifierskiej do równoczesnego szlifowania obu stron podłoża, co gwarantuje doskonałą jakość powierzchni po obu stronach.

Podczas procesu, płyty szlifierskie najpierw wywierają nacisk na najwyższe punkty obrabianego przedmiotu, powodując deformację i stopniowe usuwanie materiału w tych punktach. W miarę wyrównywania się punktów nacisk na podłoże stopniowo staje się bardziej równomierny, co skutkuje równomiernym odkształceniem na całej powierzchni. Pozwala to na równomierne szlifowanie zarówno górnej, jak i dolnej powierzchni. Po zakończeniu szlifowania i zwolnieniu nacisku, każda część podłoża równomiernie powraca do pierwotnego kształtu dzięki równemu naciskowi, któremu została poddana. Prowadzi to do minimalnego odkształcania i dobrej płaskości.

Chropowatość powierzchni płytki po szlifowaniu zależy od wielkości cząstek ściernych – mniejsze cząstki dają gładsze powierzchnie. Przy użyciu ścierniwa o średnicy 5 μm do szlifowania dwustronnego, płaskość płytki i zmienność jej grubości można kontrolować z dokładnością do 5 μm. Pomiary mikroskopii sił atomowych (AFM) wykazują chropowatość powierzchni (Rq) na poziomie około 100 nm, z wżerami szlifierskimi o głębokości do 380 nm i widocznymi liniowymi śladami spowodowanymi działaniem ścierniwa.

Bardziej zaawansowana metoda polega na dwustronnym szlifowaniu za pomocą padów z pianki poliuretanowej w połączeniu z zawiesiną diamentu polikrystalicznego. Proces ten pozwala uzyskać płytki o bardzo niskiej chropowatości powierzchni, osiągając Ra < 3 nm, co jest bardzo korzystne dla późniejszego polerowania podłoży SiC.

Jednak problem zarysowań powierzchniowych pozostaje nierozwiązany. Ponadto diament polikrystaliczny używany w tym procesie jest wytwarzany metodą syntezy wybuchowej, która jest technicznie trudna, daje niewielkie ilości i jest niezwykle kosztowna.

Polerowanie monokryształów SiC

Aby uzyskać wysokiej jakości polerowaną powierzchnię płytek z węglika krzemu (SiC), polerowanie musi całkowicie usunąć wżery szlifierskie i nanometrowe nierówności powierzchni. Celem jest uzyskanie gładkiej, wolnej od wad powierzchni, bez zanieczyszczeń i degradacji, uszkodzeń podpowierzchniowych i resztkowych naprężeń powierzchniowych.

3.1 Polerowanie mechaniczne i CMP płytek SiC

Po wyhodowaniu wlewka monokrystalicznego SiC, defekty powierzchni uniemożliwiają jego bezpośrednie wykorzystanie do wzrostu epitaksjalnego. W związku z tym konieczna jest dalsza obróbka. Wlewek jest najpierw formowany do standardowego kształtu cylindrycznego poprzez zaokrąglanie, a następnie cięty na płytki metodą cięcia drutem, po czym przeprowadzana jest weryfikacja orientacji krystalograficznej. Polerowanie jest kluczowym etapem w poprawie jakości wafli, ponieważ zapobiega potencjalnym uszkodzeniom powierzchni spowodowanym defektami wzrostu kryształów i wcześniejszymi etapami obróbki.

Istnieją cztery główne metody usuwania warstw uszkodzeń powierzchniowych na węgliku krzemu:

Polerowanie mechaniczne: proste, ale pozostawiające rysy; odpowiednie do początkowego polerowania.

Polerowanie chemiczno-mechaniczne (CMP): Usuwa zarysowania poprzez trawienie chemiczne; nadaje się do precyzyjnego polerowania.

Trawienie wodorowe: Wymaga skomplikowanego sprzętu, powszechnie stosowanego w procesach HTCVD.

Polerowanie wspomagane plazmą: Skomplikowane i rzadko stosowane.

Polerowanie wyłącznie mechaniczne często powoduje zarysowania, natomiast polerowanie wyłącznie chemiczne może prowadzić do nierównomiernego trawienia. Metoda CMP łączy obie zalety i oferuje wydajne i ekonomiczne rozwiązanie.

Zasada działania CMP

Metoda CMP polega na obracaniu płytki pod zadanym ciśnieniem, w kierunku obracającej się tarczy polerskiej. Ten ruch względny, w połączeniu z mechanicznym ścieraniem za pomocą nanocząstek ściernych w zawiesinie oraz działaniem chemicznym środków reaktywnych, zapewnia planaryzację powierzchni.

Kluczowe materiały użyte:

Zawiesina polerska: Zawiera substancje ścierne i odczynniki chemiczne.

Tarcza polerska: Zużywa się podczas użytkowania, zmniejszając rozmiar porów i wydajność polerowania. Aby przywrócić chropowatość, wymagane jest regularne polerowanie, zazwyczaj przy użyciu diamentowej obciągaczki.

Typowy proces CMP

Materiał ścierny: zawiesina diamentowa 0,5 μm

Chropowatość powierzchni docelowej: ~0,7 nm

Polerowanie chemiczno-mechaniczne:

Sprzęt polerski: Polerka jednostronna AP-810

Ciśnienie: 200 g/cm²

Prędkość płyty: 50 obr./min

Prędkość uchwytu ceramicznego: 38 obr./min

Skład zawiesiny:

SiO₂ (30% wag., pH = 10,15)

0–70% wag. H₂O₂ (30% wag., czystość odczynnikowa)

Dostosuj pH do 8,5 za pomocą 5% wag. KOH i 1% wag. HNO₃

Przepływ szlamu: 3 l/min, recyrkulacja

Proces ten skutecznie poprawia jakość płytek SiC i spełnia wymagania dotyczące dalszych procesów.

Wyzwania techniczne w polerowaniu mechanicznym

SiC, jako półprzewodnik o szerokiej przerwie energetycznej, odgrywa kluczową rolę w przemyśle elektronicznym. Dzięki doskonałym właściwościom fizycznym i chemicznym, monokryształy SiC nadają się do pracy w ekstremalnych warunkach, takich jak wysoka temperatura, wysoka częstotliwość, wysoka moc i odporność na promieniowanie. Jednak jego twardość i kruchość stanowią poważne wyzwanie dla szlifowania i polerowania.

Wraz z przejściem czołowych światowych producentów z wafli 6-calowych na 8-calowe, problemy takie jak pękanie i uszkodzenia wafli podczas obróbki stają się coraz bardziej widoczne, znacząco wpływając na wydajność. Sprostanie wyzwaniom technicznym związanym z 8-calowymi podłożami SiC jest obecnie kluczowym punktem odniesienia dla rozwoju branży.

W erze 8-calowych płytek, obróbka płytek SiC wiąże się z licznymi wyzwaniami:

Skalowanie wafli jest konieczne w celu zwiększenia produkcji układów scalonych na partię, ograniczenia strat na krawędziach i obniżenia kosztów produkcji, szczególnie biorąc pod uwagę rosnące zapotrzebowanie w zastosowaniach związanych z pojazdami elektrycznymi.

Chociaż produkcja monokryształów SiC o średnicy 8 cali osiągnęła dojrzałość, procesy końcowe, takie jak szlifowanie i polerowanie, wciąż napotykają na wąskie gardła, co skutkuje niską wydajnością (jedynie 40–50%).

W przypadku większych płytek rozkład ciśnień jest bardziej złożony, co utrudnia kontrolowanie naprężeń podczas polerowania i zachowanie spójności wydajności.

Mimo że grubość płytek 8-calowych zbliża się do grubości płytek 6-calowych, są one bardziej podatne na uszkodzenia podczas przenoszenia z powodu naprężeń i odkształceń.

Aby zmniejszyć naprężenia związane z cięciem, odkształcenia i pęknięcia, coraz częściej stosuje się cięcie laserowe. Jednakże:

Lasery długofalowe powodują uszkodzenia cieplne.

Lasery krótkofalowe generują duże ilości zanieczyszczeń i pogłębiają warstwę uszkodzeń, co zwiększa złożoność polerowania.

Przebieg pracy polerowania mechanicznego dla SiC

Ogólny przebieg procesu obejmuje:

Cięcie orientacyjne

Grube mielenie

Drobne mielenie

Polerowanie mechaniczne

Polerowanie chemiczno-mechaniczne (CMP) jako ostatni etap

Wybór metody CMP, zaprojektowanie ścieżki procesu i optymalizacja parametrów mają kluczowe znaczenie. W produkcji półprzewodników CMP jest decydującym etapem dla uzyskania płytek SiC o ultragładkiej, wolnej od defektów i uszkodzeń powierzchni, co jest niezbędne do wysokiej jakości wzrostu epitaksjalnego.

(a) Wyjąć sztabkę SiC z tygla;

(b) Wykonać wstępne kształtowanie poprzez szlifowanie średnicy zewnętrznej;

(c) Określ orientację kryształu za pomocą płaskich punktów wyrównujących lub nacięć;

(d) Pokrój sztabkę na cienkie płytki za pomocą piły wielodrutowej;

(e) Uzyskaj lustrzaną gładkość powierzchni poprzez szlifowanie i polerowanie.

Po zakończeniu serii etapów obróbki, zewnętrzna krawędź wafla SiC często staje się ostra, co zwiększa ryzyko odpryskiwania podczas transportu lub użytkowania. Aby uniknąć takiej kruchości, konieczne jest szlifowanie krawędzi.

Oprócz tradycyjnych procesów krojenia, innowacyjna metoda przygotowania płytek SiC obejmuje technologię łączenia. To podejście umożliwia produkcję płytek poprzez łączenie cienkiej warstwy monokrystalicznego SiC z heterogenicznym podłożem (podłożem nośnym).

Rysunek 3 ilustruje przepływ procesu:

Najpierw, poprzez implantację jonów wodorowych lub podobną technikę, na powierzchni monokryształu SiC formowana jest warstwa delaminacyjna o określonej głębokości. Następnie, monokryształ SiC jest wiązany z płaskim podłożem i poddawany działaniu ciśnienia i ciepła. Umożliwia to skuteczne przeniesienie i oddzielenie warstwy monokryształu SiC od podłoża.

Oddzielona warstwa SiC jest poddawana obróbce powierzchniowej w celu uzyskania wymaganej płaskości i może być ponownie wykorzystana w kolejnych procesach łączenia. W porównaniu z tradycyjnym krojeniem kryształów SiC, technika ta zmniejsza zapotrzebowanie na drogie materiały. Pomimo wciąż istniejących wyzwań technicznych, prace badawczo-rozwojowe są intensywnie prowadzone, aby umożliwić tańszą produkcję płytek.

Biorąc pod uwagę wysoką twardość i stabilność chemiczną SiC — co czyni go odpornym na reakcje w temperaturze pokojowej — konieczne jest polerowanie mechaniczne w celu usunięcia drobnych wżerów szlifierskich, zmniejszenia uszkodzeń powierzchni, wyeliminowania zarysowań, wżerów i defektów typu „skórka pomarańczowa”, zmniejszenia chropowatości powierzchni, poprawy płaskości i poprawy jakości powierzchni.

Aby uzyskać wysokiej jakości polerowaną powierzchnię, konieczne jest:

Dostosuj typy materiałów ściernych,

Zmniejsz rozmiar cząsteczek,

Optymalizacja parametrów procesu,

Wybierz materiały i pady polerskie o odpowiedniej twardości.

Rysunek 7 pokazuje, że dwustronne polerowanie przy użyciu materiału ściernego o wielkości cząstek 1 μm pozwala kontrolować płaskość i zmiany grubości do 10 μm oraz zmniejszyć chropowatość powierzchni do około 0,25 nm.

3.2 Polerowanie chemiczno-mechaniczne (CMP)

Polerowanie chemiczno-mechaniczne (CMP) łączy ścieranie ultradrobnymi cząsteczkami z trawieniem chemicznym, tworząc gładką, płaską powierzchnię obrabianego materiału. Podstawowa zasada działania jest następująca:

Między zawiesiną polerską a powierzchnią płytki zachodzi reakcja chemiczna, w wyniku której powstaje miękka warstwa.

Tarcie między cząsteczkami ściernymi a miękką warstwą powoduje usuwanie materiału.

Zalety CMP:

Eliminuje wady polerowania czysto mechanicznego lub chemicznego,

Osiąga zarówno globalną, jak i lokalną planaryzację,

Tworzy powierzchnie o dużej płaskości i małej chropowatości,

Nie powoduje uszkodzeń powierzchni ani podłoża.

Szczegółowo:

Pod wpływem nacisku płytka przesuwa się względem tarczy polerskiej.

Materiały ścierne w skali nanometrycznej (np. SiO₂) zawarte w zawiesinie uczestniczą w ścinaniu, osłabiając wiązania kowalencyjne Si–C i zwiększając usuwanie materiału.

Rodzaje technik CMP:

Polerowanie swobodnym ścierniwem: Materiały ścierne (np. SiO₂) są zawieszone w zawiesinie. Usuwanie materiału odbywa się poprzez ścieranie trójwarstwowe (płytka-podkładka-materiał ścierny). Aby uzyskać jednorodność, należy precyzyjnie kontrolować rozmiar materiału ściernego (zwykle 60–200 nm), pH i temperaturę.

Polerowanie ścierne: Materiały ścierne są osadzone w tarczy polerskiej, aby zapobiec ich zbrylaniu — idealne rozwiązanie do obróbki o wysokiej precyzji.

Czyszczenie po polerowaniu:

Polerowane wafle przechodzą:

Czyszczenie chemiczne (w tym usuwanie wody dejonizowanej i pozostałości szlamu),

Płukanie wodą dejonizowaną i

Suszenie gorącym azotem

w celu zminimalizowania zanieczyszczeń powierzchniowych.

Jakość i wydajność powierzchni

Chropowatość powierzchni można zmniejszyć do Ra < 0,3 nm, co spełnia wymagania dotyczące epitaksji półprzewodników.

Globalna planaryzacja: połączenie zmiękczania chemicznego i usuwania mechanicznego redukuje zarysowania i nierównomierne trawienie, przewyższając pod tym względem czysto mechaniczne lub chemiczne metody.

Wysoka wydajność: Nadaje się do twardych i kruchych materiałów, takich jak SiC, przy szybkości usuwania materiału powyżej 200 nm/h.

Inne wschodzące techniki polerowania

Oprócz CMP zaproponowano metody alternatywne, w tym:

Polerowanie elektrochemiczne, polerowanie lub trawienie wspomagane katalizatorem i

Polerowanie tribochemiczne.

Jednakże metody te są wciąż na etapie badań i rozwijają się powoli ze względu na trudne właściwości materiału SiC.

Ostatecznie obróbka SiC to stopniowy proces redukcji odkształceń i chropowatości w celu poprawy jakości powierzchni, przy czym płaskość i kontrola chropowatości mają kluczowe znaczenie na każdym etapie.

Technologia przetwarzania

Na etapie szlifowania wafli, do uzyskania wymaganej płaskości i chropowatości powierzchni, stosuje się zawiesinę diamentową o różnej wielkości cząstek. Następnie następuje polerowanie, z wykorzystaniem technik mechanicznego i chemiczno-mechanicznego polerowania (CMP), w celu uzyskania bezuszkodzonych, polerowanych wafli z węglika krzemu (SiC).

Po polerowaniu, wafle SiC przechodzą rygorystyczną kontrolę jakości z wykorzystaniem instrumentów takich jak mikroskopy optyczne i dyfraktometry rentgenowskie, aby zapewnić zgodność wszystkich parametrów technicznych z wymaganymi normami. Na koniec wypolerowane wafle są czyszczone specjalistycznymi środkami czyszczącymi i ultraczystą wodą w celu usunięcia zanieczyszczeń powierzchniowych. Następnie są suszone w atmosferze azotu o ultra wysokiej czystości i w suszarkach wirówkowych, co stanowi dopełnienie całego procesu produkcyjnego.

Po latach wysiłków, w Chinach poczyniono znaczne postępy w przetwarzaniu monokryształów SiC. W Chinach z powodzeniem opracowano domieszkowane, półizolacyjne monokryształy 4H-SiC o średnicy 100 mm, a monokryształy typu n 4H-SiC i 6H-SiC można teraz produkować partiami. Firmy takie jak TankeBlue i TYST opracowały już monokryształy SiC o średnicy 150 mm.

W zakresie technologii przetwarzania płytek SiC, krajowe instytucje wstępnie zbadały warunki procesu i metody cięcia, szlifowania i polerowania kryształów. Są one w stanie wytwarzać próbki, które zasadniczo spełniają wymagania dotyczące wytwarzania urządzeń. Jednak w porównaniu z normami międzynarodowymi, jakość obróbki powierzchni krajowych płytek nadal znacznie odbiega od standardów. Istnieje kilka problemów:

Międzynarodowe teorie i technologie przetwarzania SiC są ściśle chronione i trudno dostępne.

Brakuje badań teoretycznych i wsparcia dla udoskonalania i optymalizacji procesów.

Koszt importu zagranicznego sprzętu i podzespołów jest wysoki.

Krajowe badania nad projektowaniem sprzętu, precyzją przetwarzania i materiałami nadal znacznie odbiegają od wyników międzynarodowych.

Obecnie większość precyzyjnych przyrządów pomiarowych używanych w Chinach jest importowana. Sprzęt i metodologie testowe również wymagają dalszego udoskonalenia.

Wraz z ciągłym rozwojem półprzewodników trzeciej generacji, średnica monokrystalicznych podłoży SiC stale rośnie, a wraz z nią rosną wymagania dotyczące jakości obróbki powierzchni. Technologia obróbki płytek półprzewodnikowych stała się jednym z najtrudniejszych technicznie etapów po opracowaniu monokrystalicznych podłoży SiC.

Aby sprostać obecnym wyzwaniom w przetwórstwie, niezbędne jest dalsze badanie mechanizmów związanych z cięciem, szlifowaniem i polerowaniem oraz poszukiwanie odpowiednich metod i metod obróbki wafli SiC. Jednocześnie konieczne jest zapoznanie się z zaawansowanymi międzynarodowymi technologiami przetwórstwa i wdrożenie najnowocześniejszych, ultraprecyzyjnych technik obróbki oraz sprzętu, aby uzyskać wysokiej jakości podłoża.

Wraz ze wzrostem rozmiaru wafli rośnie również trudność wzrostu i obróbki kryształów. Jednak wydajność produkcji urządzeń końcowych znacznie wzrasta, a koszt jednostkowy ulega obniżeniu. Obecnie główni globalni dostawcy wafli SiC oferują produkty o średnicy od 4 do 6 cali. Wiodące firmy, takie jak Cree i II-VI, rozpoczęły już planowanie rozwoju linii produkcyjnych dla wafli SiC o średnicy 8 cali.