D: Quali sono le principali tecnologie utilizzate per il taglio e la lavorazione dei wafer di SiC?
A:carburo di silicio Il SiC ha una durezza seconda solo al diamante ed è considerato un materiale estremamente duro e fragile. Il processo di taglio, che prevede il taglio dei cristalli cresciuti in sottili wafer, richiede molto tempo ed è soggetto a scheggiature. Come primo passaggio,SiCNella lavorazione di monocristalli, la qualità dello slicing influenza significativamente le successive operazioni di rettifica, lucidatura e assottigliamento. Lo slicing spesso introduce cricche superficiali e subsuperficiali, aumentando il tasso di rottura dei wafer e i costi di produzione. Pertanto, il controllo dei danni da cricche superficiali durante lo slicing è fondamentale per il progresso nella fabbricazione di dispositivi in SiC.
I metodi di taglio del SiC attualmente disponibili includono il taglio con abrasivo fisso, il taglio senza abrasivo, il taglio laser, il trasferimento di strato (separazione a freddo) e il taglio mediante elettroerosione. Tra questi, il taglio multifilo alternato con abrasivi diamantati fissi è il metodo più comunemente utilizzato per la lavorazione di monocristalli di SiC. Tuttavia, con dimensioni dei lingotti pari o superiori a 20 cm, il taglio a filo tradizionale diventa meno pratico a causa dell'elevato fabbisogno di attrezzature, dei costi e della bassa efficienza. Vi è un'urgente necessità di tecnologie di taglio a basso costo, a basse perdite e ad alta efficienza.
D: Quali sono i vantaggi del taglio laser rispetto al tradizionale taglio multifilo?
A: Il taglio tradizionale con il filo taglia illingotto di SiClungo una direzione specifica in fette spesse diverse centinaia di micron. Le fette vengono quindi levigate utilizzando fanghi diamantati per rimuovere i segni di sega e i danni al sottosuolo, seguiti da una lucidatura chimico-meccanica (CMP) per ottenere la planarizzazione globale e infine pulite per ottenere wafer di SiC.
Tuttavia, a causa dell'elevata durezza e fragilità del SiC, questi passaggi possono facilmente causare deformazioni, cricche, aumento del tasso di rottura, costi di produzione più elevati e causare un'elevata rugosità superficiale e contaminazione (polvere, acque reflue, ecc.). Inoltre, il taglio a filo è lento e ha una bassa resa. Le stime mostrano che il taglio multifilo tradizionale raggiunge solo circa il 50% di utilizzo del materiale e fino al 75% del materiale viene perso dopo la lucidatura e la rettifica. I primi dati di produzione esteri indicavano che sarebbero stati necessari circa 273 giorni di produzione continua 24 ore su 24 per produrre 10.000 wafer, un tempo molto dispendioso in termini di tempo.
A livello nazionale, molte aziende produttrici di cristalli di SiC si concentrano sull'aumento della capacità produttiva dei forni. Tuttavia, anziché limitarsi ad aumentare la produzione, è più importante considerare come ridurre le perdite, soprattutto quando le rese di crescita dei cristalli non sono ancora ottimali.
Le apparecchiature di taglio laser possono ridurre significativamente la perdita di materiale e migliorare la resa. Ad esempio, utilizzando un singolo pezzo da 20 mmlingotto di SiC:Il taglio a filo può produrre circa 30 wafer di 350 μm di spessore. Il taglio laser può produrre più di 50 wafer. Se lo spessore del wafer viene ridotto a 200 μm, è possibile produrre più di 80 wafer dallo stesso lingotto. Mentre il taglio a filo è ampiamente utilizzato per wafer da 6 pollici e più piccoli, il taglio di un lingotto di SiC da 8 pollici può richiedere 10-15 giorni con i metodi tradizionali, richiedendo attrezzature di fascia alta, comportando costi elevati e bassa efficienza. In queste condizioni, i vantaggi del taglio laser diventano evidenti, rendendolo la tecnologia principale del futuro per i wafer da 8 pollici.
Con il taglio laser, il tempo di taglio per ogni wafer da 8 pollici può essere inferiore a 20 minuti, con una perdita di materiale per wafer inferiore a 60 μm.
In sintesi, rispetto al taglio multifilo, il taglio laser offre maggiore velocità, migliore resa, minore perdita di materiale e una lavorazione più pulita.
D: Quali sono le principali sfide tecniche nel taglio laser del SiC?
R: Il processo di taglio laser prevede due fasi principali: la modifica laser e la separazione dei wafer.
Il fulcro della modifica laser è la sagomatura del fascio e l'ottimizzazione dei parametri. Parametri come la potenza del laser, il diametro dello spot e la velocità di scansione influenzano la qualità dell'ablazione del materiale e il successo della successiva separazione dei wafer. La geometria della zona modificata determina la rugosità superficiale e la difficoltà di separazione. Un'elevata rugosità superficiale complica la successiva rettifica e aumenta la perdita di materiale.
Dopo la modifica, la separazione dei wafer viene in genere ottenuta tramite forze di taglio, come la frattura a freddo o lo stress meccanico. Alcuni sistemi domestici utilizzano trasduttori a ultrasuoni per indurre vibrazioni durante la separazione, ma ciò può causare scheggiature e difetti ai bordi, riducendo la resa finale.
Sebbene questi due passaggi non siano intrinsecamente difficili, le incongruenze nella qualità dei cristalli – dovute a diversi processi di crescita, livelli di drogaggio e distribuzioni di stress interno – influiscono significativamente sulla difficoltà di affettatura, sulla resa e sulla perdita di materiale. La semplice identificazione delle aree problematiche e la regolazione delle zone di scansione laser potrebbero non migliorare sostanzialmente i risultati.
La chiave per un'adozione su larga scala sta nello sviluppo di metodi e attrezzature innovativi in grado di adattarsi a un'ampia gamma di qualità di cristalli di vari produttori, ottimizzando i parametri di processo e costruendo sistemi di taglio laser con applicabilità universale.
D: La tecnologia di taglio laser può essere applicata anche ad altri materiali semiconduttori oltre al SiC?
R: La tecnologia del taglio laser è stata storicamente applicata a un'ampia gamma di materiali. Nei semiconduttori, è stata inizialmente utilizzata per il taglio a cubetti di wafer e da allora si è estesa al taglio di monocristalli di grandi dimensioni.
Oltre al SiC, il taglio laser può essere utilizzato anche per altri materiali duri o fragili come il diamante, il nitruro di gallio (GaN) e l'ossido di gallio (Ga₂O₃). Studi preliminari su questi materiali hanno dimostrato la fattibilità e i vantaggi del taglio laser per applicazioni nel settore dei semiconduttori.
D: Esistono attualmente prodotti per l'affettatura laser domestici già maturi? A che punto è la vostra ricerca?
R: Le apparecchiature per il taglio laser del SiC di grande diametro sono ampiamente considerate fondamentali per il futuro della produzione di wafer di SiC da 8 pollici. Attualmente, solo il Giappone può fornire tali sistemi, che sono costosi e soggetti a restrizioni all'esportazione.
Si stima che la domanda interna di sistemi di taglio/sfoltimento laser si aggiri intorno alle 1.000 unità, sulla base dei piani di produzione di SiC e dell'attuale capacità produttiva di seghe a filo. Le principali aziende nazionali hanno investito massicciamente nello sviluppo, ma nessuna apparecchiatura nazionale matura e disponibile in commercio ha ancora raggiunto la distribuzione industriale.
Gruppi di ricerca sviluppano una tecnologia proprietaria di sollevamento laser dal 2001 e l'hanno ora estesa al taglio e all'assottigliamento laser di SiC di grande diametro. Hanno sviluppato un prototipo di sistema e processi di taglio in grado di: Tagliare e assottigliare wafer di SiC semiisolanti da 4-6 pollici; Tagliare lingotti di SiC conduttivo da 6-8 pollici. Benchmark prestazionali: SiC semiisolante da 6-8 pollici: tempo di taglio 10-15 minuti/wafer; perdita di materiale <30 μm; SiC conduttivo da 6-8 pollici: tempo di taglio 14-20 minuti/wafer; perdita di materiale <60 μm.
La resa stimata dei wafer è aumentata di oltre il 50%
Dopo il taglio, i wafer soddisfano gli standard nazionali per la geometria dopo la rettifica e la lucidatura. Gli studi dimostrano inoltre che gli effetti termici indotti dal laser non hanno un impatto significativo sullo stress o sulla geometria dei wafer.
La stessa attrezzatura è stata utilizzata anche per verificare la fattibilità del taglio di monocristalli di diamante, GaN e Ga₂O₃.
Data di pubblicazione: 23 maggio 2025