Stato attuale e tendenze della tecnologia di elaborazione dei wafer SiC

Come materiale di substrato semiconduttore di terza generazione,carburo di silicio (SiC)Il monocristallo offre ampie prospettive applicative nella produzione di dispositivi elettronici ad alta frequenza e ad alta potenza. La tecnologia di lavorazione del SiC gioca un ruolo decisivo nella produzione di materiali di substrato di alta qualità. Questo articolo presenta lo stato attuale della ricerca sulle tecnologie di lavorazione del SiC sia in Cina che all'estero, analizzando e confrontando i meccanismi dei processi di taglio, rettifica e lucidatura, nonché le tendenze relative alla planarità e alla rugosità superficiale dei wafer. Vengono inoltre evidenziate le attuali sfide nella lavorazione dei wafer di SiC e vengono discusse le direzioni di sviluppo future.

Carburo di silicio (SiC)I wafer sono materiali fondamentali per i dispositivi a semiconduttore di terza generazione e rivestono un'importanza significativa e un potenziale di mercato significativo in settori come la microelettronica, l'elettronica di potenza e l'illuminazione a semiconduttore. Grazie all'elevata durezza e stabilità chimica,monocristalli di SiCI metodi tradizionali di lavorazione dei semiconduttori non sono del tutto adatti alla loro lavorazione. Sebbene molte aziende internazionali abbiano condotto ricerche approfondite sulla lavorazione tecnicamente impegnativa dei monocristalli di SiC, le tecnologie pertinenti sono mantenute strettamente riservate.

Negli ultimi anni, la Cina ha intensificato gli sforzi nello sviluppo di materiali e dispositivi monocristallini in SiC. Tuttavia, il progresso della tecnologia dei dispositivi in ​​SiC nel Paese è attualmente limitato da limitazioni nelle tecnologie di lavorazione e nella qualità dei wafer. Pertanto, è essenziale che la Cina migliori le capacità di lavorazione del SiC per migliorare la qualità dei substrati monocristallini in SiC e consentirne l'applicazione pratica e la produzione di massa.

Le principali fasi di lavorazione includono: taglio → rettifica grossolana → rettifica fine → lucidatura grossolana (lucidatura meccanica) → lucidatura fine (lucidatura chimico-meccanica, CMP) → ispezione.

Taglio di monocristalli di SiC

Nella lavorazione dimonocristalli di SiCIl taglio è il primo e più critico passaggio. L'incurvatura, la deformazione e la variazione dello spessore totale (TTV) del wafer risultanti dal processo di taglio determinano la qualità e l'efficacia delle successive operazioni di rettifica e lucidatura.

Gli utensili da taglio possono essere classificati in base alla forma in seghe diamantate con diametro interno (ID), seghe con diametro esterno (OD), seghe a nastro e seghe a filo. Le seghe a filo, a loro volta, possono essere classificate in base al tipo di movimento in sistemi a filo alternato e a filo continuo (a ciclo continuo). In base al meccanismo di taglio dell'abrasivo, le tecniche di taglio con le seghe a filo possono essere suddivise in due tipologie: taglio con filo diamantato abrasivo libero e taglio con filo diamantato abrasivo fisso.

1.1 Metodi di taglio tradizionali

La profondità di taglio delle seghe a diametro esterno (OD) è limitata dal diametro della lama. Durante il processo di taglio, la lama è soggetta a vibrazioni e deviazioni, con conseguenti elevati livelli di rumorosità e scarsa rigidità. Le seghe a diametro interno (ID) utilizzano abrasivi diamantati sulla circonferenza interna della lama come tagliente. Queste lame possono avere uno spessore massimo di 0,2 mm. Durante il taglio, la lama ID ruota ad alta velocità mentre il materiale da tagliare si muove radialmente rispetto al centro della lama, ottenendo il taglio attraverso questo movimento relativo.

Le seghe a nastro diamantate richiedono frequenti arresti e inversioni di marcia e la velocità di taglio è molto bassa, in genere non superiore a 2 m/s. Sono inoltre soggette a una significativa usura meccanica e a elevati costi di manutenzione. A causa della larghezza della lama, il raggio di taglio non può essere troppo piccolo e non è possibile effettuare tagli multipli. Questi utensili da taglio tradizionali sono limitati dalla rigidità della base e non possono eseguire tagli curvi né hanno raggi di sterzata limitati. Sono in grado di eseguire solo tagli dritti, producono tagli ampi, hanno un basso tasso di rendimento e sono quindi inadatti al taglio.Cristalli di SiC.

1.2 Sega a filo abrasivo libero per taglio multifilo

La tecnica di taglio con filo abrasivo libero sfrutta il rapido movimento del filo per trasportare la fanghiglia nel taglio, consentendo la rimozione del materiale. Utilizza principalmente una struttura a moto alternato ed è attualmente un metodo maturo e ampiamente utilizzato per il taglio efficiente di più wafer di silicio monocristallino. Tuttavia, la sua applicazione nel taglio del SiC è stata meno studiata.

Le seghe a filo abrasivo libero possono lavorare wafer con spessori inferiori a 300 μm. Offrono una bassa perdita di taglio, raramente causano scheggiature e garantiscono una qualità superficiale relativamente buona. Tuttavia, a causa del meccanismo di rimozione del materiale, basato sulla laminazione e l'indentatura degli abrasivi, la superficie del wafer tende a sviluppare significative tensioni residue, microfratture e strati di danneggiamento più profondi. Ciò porta alla deformazione del wafer, rende difficile il controllo della precisione del profilo superficiale e aumenta il carico sulle fasi di lavorazione successive.

Le prestazioni di taglio sono fortemente influenzate dalla fanghiglia; è necessario mantenere l'affilatura degli abrasivi e la concentrazione della fanghiglia. Il trattamento e il riciclaggio della fanghiglia sono costosi. Nel taglio di lingotti di grandi dimensioni, gli abrasivi hanno difficoltà a penetrare in tagli profondi e lunghi. A parità di granulometria abrasiva, la perdita di taglio è maggiore rispetto a quella delle seghe a filo con abrasivo fisso.

1.3 Sega a filo diamantato abrasivo fisso Taglio multifilo

Le seghe a filo diamantato ad abrasivo fisso sono in genere realizzate incorporando particelle di diamante su un substrato di filo d'acciaio tramite processi di galvanoplastica, sinterizzazione o legatura con resina. Le seghe a filo diamantato galvanoplastico offrono vantaggi quali tagli più stretti, migliore qualità di taglio, maggiore efficienza, minore contaminazione e la capacità di tagliare materiali ad alta durezza.

Il taglio alternativo a filo diamantato elettrodeposto è attualmente il metodo più utilizzato per il taglio del SiC. La Figura 1 (non mostrata qui) illustra la planarità superficiale dei wafer di SiC tagliati con questa tecnica. Con l'avanzare del taglio, la deformazione del wafer aumenta. Questo perché l'area di contatto tra il filo e il materiale aumenta man mano che il filo si muove verso il basso, aumentando la resistenza e la vibrazione del filo. Quando il filo raggiunge il diametro massimo del wafer, la vibrazione raggiunge il suo apice, con conseguente massima deformazione.

Nelle fasi successive del taglio, a causa dell'accelerazione, del movimento a velocità costante, della decelerazione, dell'arresto e dell'inversione del filo, nonché delle difficoltà nella rimozione dei detriti con il refrigerante, la qualità superficiale del wafer si deteriora. L'inversione del filo e le fluttuazioni di velocità, così come la presenza di grandi particelle di diamante sul filo, sono le principali cause di graffi superficiali.

1.4 Tecnologia di separazione a freddo

La separazione a freddo dei monocristalli di SiC è un processo innovativo nel campo della lavorazione dei materiali semiconduttori di terza generazione. Negli ultimi anni, ha attirato notevole attenzione grazie ai suoi notevoli vantaggi nel migliorare la resa e ridurre le perdite di materiale. La tecnologia può essere analizzata sotto tre aspetti: principio di funzionamento, flusso di processo e vantaggi principali.

Determinazione dell'orientamento dei cristalli e rettifica del diametro esterno: prima della lavorazione, è necessario determinare l'orientamento dei cristalli del lingotto di SiC. Il lingotto viene quindi modellato in una struttura cilindrica (comunemente chiamata "puck" di SiC) tramite rettifica del diametro esterno. Questa fase getta le basi per il successivo taglio direzionale e la successiva affettatura.

Taglio multifilo: questo metodo utilizza particelle abrasive combinate con fili da taglio per tagliare il lingotto cilindrico. Tuttavia, presenta notevoli perdite di taglio e problemi di irregolarità superficiale.

Tecnologia di taglio laser: un laser viene utilizzato per formare uno strato modificato all'interno del cristallo, da cui è possibile staccare sottili fette. Questo approccio riduce la perdita di materiale e migliora l'efficienza di lavorazione, rendendolo una nuova promettente direzione per il taglio di wafer di SiC.

Ottimizzazione del processo di taglio

Taglio multifilo con abrasivo fisso: questa è attualmente la tecnologia più diffusa, adatta alle caratteristiche di elevata durezza del SiC.

Elettroerosione (EDM) e tecnologia di separazione a freddo: questi metodi forniscono soluzioni diversificate, su misura per esigenze specifiche.

Processo di lucidatura: è essenziale bilanciare la velocità di rimozione del materiale e il grado di danneggiamento della superficie. La lucidatura chimico-meccanica (CMP) viene utilizzata per migliorare l'uniformità della superficie.

Monitoraggio in tempo reale: vengono introdotte tecnologie di ispezione online per monitorare la rugosità superficiale in tempo reale.

Taglio laser: questa tecnica riduce la perdita di taglio e abbrevia i cicli di lavorazione, anche se la zona termicamente interessata resta una sfida.

Tecnologie di lavorazione ibride: la combinazione di metodi meccanici e chimici migliora l'efficienza della lavorazione.

Questa tecnologia ha già trovato applicazione industriale. Infineon, ad esempio, ha acquisito SILTECTRA e ora detiene brevetti chiave a supporto della produzione in serie di wafer da 8 pollici. In Cina, aziende come Delong Laser hanno raggiunto un'efficienza produttiva di 30 wafer per lingotto per la lavorazione di wafer da 6 pollici, con un miglioramento del 40% rispetto ai metodi tradizionali.

Con l'accelerazione della produzione di apparecchiature domestiche, si prevede che questa tecnologia diventi la soluzione principale per la lavorazione di substrati in SiC. Con l'aumento del diametro dei materiali semiconduttori, i metodi di taglio tradizionali sono diventati obsoleti. Tra le opzioni attuali, la tecnologia del filo diamantato alternativo mostra le prospettive applicative più promettenti. Il taglio laser, come tecnica emergente, offre vantaggi significativi e si prevede che diventerà il metodo di taglio principale in futuro.

2、Macinazione di monocristalli di SiC

Come rappresentante dei semiconduttori di terza generazione, il carburo di silicio (SiC) offre vantaggi significativi grazie all'ampio bandgap, all'elevato campo elettrico di breakdown, all'elevata velocità di deriva degli elettroni di saturazione e all'eccellente conduttività termica. Queste proprietà rendono il SiC particolarmente vantaggioso nelle applicazioni ad alta tensione (ad esempio, ambienti a 1200 V). La tecnologia di lavorazione dei substrati di SiC è una parte fondamentale della fabbricazione dei dispositivi. La qualità superficiale e la precisione del substrato influiscono direttamente sulla qualità dello strato epitassiale e sulle prestazioni del dispositivo finale.

Lo scopo principale del processo di rettifica è rimuovere i segni superficiali di taglio e gli strati di danno causati durante il taglio, nonché correggere le deformazioni indotte dal processo di taglio. Data l'estrema durezza del SiC, la rettifica richiede l'uso di abrasivi duri come il carburo di boro o il diamante. La rettifica convenzionale si divide tipicamente in rettifica grossolana e rettifica fine.

2.1 Macinazione grossolana e fine

La macinazione può essere classificata in base alla dimensione delle particelle abrasive:

Molatura grossolana: utilizza abrasivi più grandi principalmente per rimuovere i segni della sega e gli strati danneggiati causati durante il taglio, migliorando l'efficienza della lavorazione.

Molatura fine: utilizza abrasivi più fini per rimuovere lo strato danneggiato lasciato dalla molatura grossolana, ridurre la rugosità superficiale e migliorare la qualità della superficie.

Molti produttori nazionali di substrati in SiC utilizzano processi di produzione su larga scala. Un metodo comune prevede la rettifica bilaterale con piastra in ghisa e slurry di diamante monocristallino. Questo processo rimuove efficacemente lo strato di danneggiamento lasciato dal taglio a filo, corregge la forma del wafer e riduce TTV (variazione di spessore totale), curvatura e deformazione. La velocità di rimozione del materiale è stabile, raggiungendo in genere 0,8-1,2 μm/min. Tuttavia, la superficie del wafer risultante è opaca con una rugosità relativamente elevata, in genere intorno ai 50 nm, il che impone requisiti più elevati per le successive fasi di lucidatura.

2.2 Rettifica monolaterale

La rettifica monolaterale lavora solo un lato del wafer alla volta. Durante questo processo, il wafer viene montato con cera su una piastra d'acciaio. Sotto l'effetto della pressione, il substrato subisce una leggera deformazione e la superficie superiore viene appiattita. Dopo la rettifica, la superficie inferiore viene livellata. Quando la pressione viene rimossa, la superficie superiore tende a recuperare la sua forma originale, il che influisce anche sulla superficie inferiore già rettificata, causando la deformazione e la perdita di planarità di entrambi i lati.

Inoltre, la piastra di rettifica può diventare concava in breve tempo, causando la convessità del wafer. Per mantenere la planarità della piastra, è necessaria una ravvivatura frequente. A causa della bassa efficienza e della scarsa planarità del wafer, la rettifica monolaterale non è adatta alla produzione di massa.

In genere, per la rettifica fine si utilizzano mole abrasive da 8000. In Giappone, questo processo è relativamente maturo e utilizza persino mole lucidanti da 30000. Ciò consente alla rugosità superficiale dei wafer lavorati di raggiungere valori inferiori a 2 nm, rendendoli pronti per la lucidatura chimico-meccanica finale (CMP) senza ulteriori lavorazioni.

2.3 Tecnologia di diradamento monolaterale

La tecnologia di assottigliamento a diamante su un solo lato è un nuovo metodo di assottigliamento su un solo lato. Come illustrato in Figura 5 (non mostrata qui), il processo utilizza una piastra diamantata. Il wafer viene fissato tramite adsorbimento sotto vuoto, mentre sia il wafer che la mola diamantata ruotano simultaneamente. La mola si muove gradualmente verso il basso per assottigliare il wafer fino allo spessore desiderato. Una volta completato un lato, il wafer viene capovolto per lavorare l'altro lato.

Dopo l'assottigliamento, un wafer da 100 mm può raggiungere:

Arco < 5 μm

TTV < 2 μm

Rugosità superficiale < 1 nm

Questo metodo di lavorazione a wafer singolo offre elevata stabilità, eccellente uniformità e un'elevata velocità di asportazione del materiale. Rispetto alla rettifica bilaterale convenzionale, questa tecnica migliora l'efficienza di oltre il 50%.

2.4 Rettifica bilaterale

La rettifica bilaterale utilizza una piastra di rettifica superiore e una inferiore per rettificare simultaneamente entrambi i lati del substrato, garantendo un'eccellente qualità superficiale su entrambi i lati.

Durante il processo, le piastre di rettifica applicano inizialmente una pressione sui punti più alti del pezzo, causando una deformazione e una graduale rimozione del materiale in tali punti. Man mano che i punti più alti vengono livellati, la pressione sul substrato diventa gradualmente più uniforme, con conseguente deformazione uniforme su tutta la superficie. Ciò consente di rettificare in modo uniforme sia la superficie superiore che quella inferiore. Una volta completata la rettifica e rilasciata la pressione, ogni parte del substrato recupera la forma in modo uniforme grazie alla pressione uniforme applicata. Ciò si traduce in una deformazione minima e un'ottima planarità.

La rugosità superficiale del wafer dopo la rettifica dipende dalla granulometria delle particelle abrasive: particelle più piccole producono superfici più lisce. Utilizzando abrasivi da 5 μm per la rettifica bilaterale, la planarità e la variazione di spessore del wafer possono essere controllate entro 5 μm. Le misurazioni con microscopia a forza atomica (AFM) mostrano una rugosità superficiale (Rq) di circa 100 nm, con cavità di rettifica profonde fino a 380 nm e segni lineari visibili causati dall'azione abrasiva.

Un metodo più avanzato prevede la rettifica bilaterale con l'utilizzo di tamponi in schiuma di poliuretano combinati con una miscela di diamante policristallino. Questo processo produce wafer con una rugosità superficiale molto bassa, raggiungendo Ra < 3 nm, il che è estremamente vantaggioso per la successiva lucidatura dei substrati in SiC.

Tuttavia, la graffiatura superficiale rimane un problema irrisolto. Inoltre, il diamante policristallino utilizzato in questo processo viene prodotto tramite sintesi esplosiva, un processo tecnicamente impegnativo, che richiede basse quantità di materiale ed è estremamente costoso.

Lucidatura di monocristalli di SiC

Per ottenere una superficie lucidata di alta qualità sui wafer di carburo di silicio (SiC), la lucidatura deve rimuovere completamente i solchi di macinazione e le ondulazioni superficiali su scala nanometrica. L'obiettivo è produrre una superficie liscia e priva di difetti, senza contaminazione o degradazione, senza danni al sottosuolo e senza stress superficiali residui.

3.1 Lucidatura meccanica e CMP dei wafer di SiC

Dopo la crescita di un lingotto monocristallino di SiC, i difetti superficiali ne impediscono l'utilizzo diretto per la crescita epitassiale. Pertanto, è necessaria un'ulteriore lavorazione. Il lingotto viene prima sagomato in una forma cilindrica standard mediante arrotondamento, quindi tagliato in wafer mediante taglio a filo, seguito dalla verifica dell'orientamento cristallografico. La lucidatura è una fase fondamentale per migliorare la qualità dei wafer, poiché elimina i potenziali danni superficiali causati da difetti di crescita dei cristalli e da precedenti fasi di lavorazione.

Esistono quattro metodi principali per rimuovere gli strati di danneggiamento superficiale sul SiC:

Lucidatura meccanica: semplice ma lascia graffi; adatta per la lucidatura iniziale.

Lucidatura chimico-meccanica (CMP): rimuove i graffi tramite incisione chimica; adatta per la lucidatura di precisione.

Incisione all'idrogeno: richiede attrezzature complesse, comunemente utilizzate nei processi HTCVD.

Lucidatura assistita dal plasma: complessa e raramente utilizzata.

La lucidatura esclusivamente meccanica tende a causare graffi, mentre quella esclusivamente chimica può causare un'incisione non uniforme. La CMP combina entrambi i vantaggi e offre una soluzione efficiente ed economica.

Principio di funzionamento del CMP

Il CMP funziona facendo ruotare il wafer sotto una pressione prestabilita contro un tampone lucidante rotante. Questo movimento relativo, combinato con l'abrasione meccanica degli abrasivi nanometrici presenti nella sospensione e con l'azione chimica degli agenti reattivi, consente di ottenere la planarizzazione della superficie.

Materiali principali utilizzati:

Fango lucidante: contiene abrasivi e reagenti chimici.

Tampone lucidante: si consuma durante l'uso, riducendo la dimensione dei pori e l'efficienza di distribuzione della fanghiglia. Per ripristinare la rugosità, è necessaria una ravvivatura regolare, in genere utilizzando un ravvivatore diamantato.

Tipico processo CMP

Abrasivo: fanghi diamantati da 0,5 μm

Rugosità della superficie target: ~0,7 nm

Lucidatura chimica meccanica:

Attrezzatura per lucidatura: lucidatrice monofacciale AP-810

Pressione: 200 g/cm²

Velocità della piastra: 50 giri/min

Velocità del supporto in ceramica: 38 giri/min

Composizione della sospensione:

SiO₂ (30% in peso, pH = 10,15)

0–70% in peso di H₂O₂ (30% in peso, grado reagente)

Regolare il pH a 8,5 utilizzando il 5% in peso di KOH e l'1% in peso di HNO₃

Portata del liquame: 3 L/min, ricircolato

Questo processo migliora in modo efficace la qualità dei wafer SiC e soddisfa i requisiti dei processi a valle.

Sfide tecniche nella lucidatura meccanica

Il SiC, in quanto semiconduttore ad ampio bandgap, svolge un ruolo fondamentale nell'industria elettronica. Grazie alle eccellenti proprietà fisiche e chimiche, i monocristalli di SiC sono adatti ad ambienti estremi, come alte temperature, alte frequenze, alte potenze e resistenza alle radiazioni. Tuttavia, la sua natura dura e fragile presenta notevoli difficoltà di rettifica e lucidatura.

Con la transizione dei principali produttori globali dai wafer da 6 pollici a quelli da 8 pollici, problemi come la formazione di crepe e danni ai wafer durante la lavorazione sono diventati più evidenti, con un impatto significativo sulla resa. Affrontare le sfide tecniche dei substrati SiC da 8 pollici è ora un punto di riferimento fondamentale per il progresso del settore.

Nell'era degli 8 pollici, la lavorazione dei wafer SiC deve affrontare numerose sfide:

Il ridimensionamento dei wafer è necessario per aumentare la produzione di chip per lotto, ridurre la perdita di bordi e abbassare i costi di produzione, soprattutto data la crescente domanda di applicazioni per veicoli elettrici.

Sebbene la crescita dei monocristalli SiC da 8 pollici sia maturata, i processi di back-end come la molatura e la lucidatura presentano ancora dei colli di bottiglia, con conseguenti basse rese (solo il 40-50%).

I wafer più grandi presentano distribuzioni di pressione più complesse, il che aumenta la difficoltà di gestione dello stress di lucidatura e la costanza della resa.

Sebbene lo spessore dei wafer da 8 pollici si avvicini a quello dei wafer da 6 pollici, sono più soggetti a danni durante la manipolazione a causa di sollecitazioni e deformazioni.

Per ridurre le sollecitazioni, le deformazioni e le crepe legate al taglio, il taglio laser è sempre più utilizzato. Tuttavia:

I laser a lunghezza d'onda lunga causano danni termici.

I laser a lunghezza d'onda corta generano detriti pesanti e approfondiscono lo strato danneggiato, aumentando la complessità della lucidatura.

Flusso di lavoro di lucidatura meccanica per SiC

Il flusso generale del processo include:

Taglio di orientamento

Macinazione grossolana

Macinazione fine

Lucidatura meccanica

Lucidatura chimico-meccanica (CMP) come fase finale

La scelta del metodo CMP, la progettazione del percorso di processo e l'ottimizzazione dei parametri sono cruciali. Nella produzione di semiconduttori, la CMP è la fase determinante per la produzione di wafer di SiC con superfici ultra-lisce, prive di difetti e danni, essenziali per una crescita epitassiale di alta qualità.

(a) Rimuovere il lingotto di SiC dal crogiolo;

(b) Eseguire la modellatura iniziale mediante rettifica del diametro esterno;

(c) Determinare l'orientamento del cristallo utilizzando tacche o superfici di allineamento;

(d) Tagliare il lingotto in sottili fette utilizzando un seghetto multifilo;

(e) Ottenere una superficie liscia come uno specchio mediante fasi di molatura e lucidatura.

Dopo aver completato la serie di fasi di lavorazione, il bordo esterno del wafer di SiC diventa spesso tagliente, aumentando il rischio di scheggiature durante la manipolazione o l'utilizzo. Per evitare tale fragilità, è necessaria la molatura del bordo.

Oltre ai tradizionali processi di slicing, un metodo innovativo per la preparazione di wafer di SiC prevede la tecnologia di bonding. Questo approccio consente la fabbricazione di wafer mediante il bonding di un sottile strato monocristallino di SiC a un substrato eterogeneo (substrato di supporto).

La figura 3 illustra il flusso del processo:

Innanzitutto, uno strato di delaminazione viene formato a una profondità specifica sulla superficie del monocristallo di SiC tramite impianto di ioni idrogeno o tecniche simili. Il monocristallo di SiC trattato viene quindi legato a un substrato di supporto piano e sottoposto a pressione e calore. Ciò consente il trasferimento e la separazione dello strato monocristallo di SiC sul substrato di supporto.

Lo strato di SiC separato viene sottoposto a trattamento superficiale per ottenere la planarità richiesta e può essere riutilizzato nei successivi processi di saldatura. Rispetto al tradizionale taglio dei cristalli di SiC, questa tecnica riduce la domanda di materiali costosi. Sebbene permangano sfide tecniche, la ricerca e lo sviluppo stanno attivamente progredendo per consentire una produzione di wafer a costi inferiori.

Data l'elevata durezza e la stabilità chimica del SiC, che lo rendono resistente alle reazioni a temperatura ambiente, è necessaria la lucidatura meccanica per rimuovere piccole imperfezioni, ridurre i danni superficiali, eliminare graffi, vaiolatura e difetti a buccia d'arancia, ridurre la rugosità superficiale, migliorare la planarità e aumentare la qualità della superficie.

Per ottenere una superficie lucidata di alta qualità è necessario:

Regola i tipi di abrasivo,

Ridurre le dimensioni delle particelle,

Ottimizzare i parametri di processo,

Selezionare materiali e tamponi lucidanti con durezza adeguata.

La figura 7 mostra che la lucidatura bilaterale con abrasivi da 1 μm può controllare la planarità e la variazione di spessore entro 10 μm e ridurre la rugosità superficiale a circa 0,25 nm.

3.2 Lucidatura chimico-meccanica (CMP)

La lucidatura chimico-meccanica (CMP) combina l'abrasione di particelle ultrafini con l'incisione chimica per formare una superficie liscia e planare sul materiale in lavorazione. Il principio di base è:

Si verifica una reazione chimica tra la sospensione lucidante e la superficie del wafer, formando uno strato morbido.

L'attrito tra le particelle abrasive e lo strato morbido rimuove il materiale.

Vantaggi del CMP:

Supera gli svantaggi della lucidatura puramente meccanica o chimica,

Ottiene la planarizzazione sia globale che locale,

Produce superfici con elevata planarità e bassa rugosità,

Non lascia danni superficiali o sotterranei.

Nel dettaglio:

Sotto l'azione della pressione, il wafer si muove rispetto al tampone lucidante.

Gli abrasivi su scala nanometrica (ad esempio SiO₂) presenti nella sospensione contribuiscono al taglio, indebolendo i legami covalenti Si–C e migliorando la rimozione del materiale.

Tipi di tecniche CMP:

Lucidatura con abrasivo libero: gli abrasivi (ad esempio, SiO₂) sono sospesi in sospensione. La rimozione del materiale avviene tramite abrasione a tre corpi (wafer-pad-abrasivo). La granulometria dell'abrasivo (tipicamente 60-200 nm), il pH e la temperatura devono essere controllati con precisione per migliorare l'uniformità.

Lucidatura abrasiva fissa: gli abrasivi sono incorporati nel tampone lucidante per evitare l'agglomerazione, ideale per lavorazioni ad alta precisione.

Pulizia post-lucidatura:

Le cialde lucidate subiscono:

Pulizia chimica (inclusa la rimozione di acqua deionizzata e residui di fanghi),

risciacquo con acqua deionizzata e

Essiccazione con azoto caldo

per ridurre al minimo i contaminanti superficiali.

Qualità e prestazioni della superficie

La rugosità superficiale può essere ridotta a Ra < 0,3 nm, soddisfacendo i requisiti dell'epitassia dei semiconduttori.

Planarizzazione globale: la combinazione di addolcimento chimico e rimozione meccanica riduce i graffi e le incisioni irregolari, superando i metodi puramente meccanici o chimici.

Elevata efficienza: adatto per materiali duri e fragili come il SiC, con velocità di rimozione del materiale superiori a 200 nm/h.

Altre tecniche di lucidatura emergenti

Oltre al CMP, sono stati proposti metodi alternativi, tra cui:

Lucidatura elettrochimica, lucidatura o incisione assistita da catalizzatore e

Lucidatura tribochimica.

Tuttavia, questi metodi sono ancora in fase di ricerca e si sono sviluppati lentamente a causa delle complesse proprietà del SiC.

In definitiva, la lavorazione del SiC è un processo graduale di riduzione della deformazione e della rugosità per migliorare la qualità della superficie, in cui il controllo della planarità e della rugosità è fondamentale in ogni fase.

Tecnologia di elaborazione

Durante la fase di macinazione del wafer, si utilizza una miscela di particelle diamantate di diverse granulometrie per ottenere la planarità e la rugosità superficiale desiderate. Segue la lucidatura, che utilizza tecniche sia meccaniche che chimico-meccaniche (CMP) per produrre wafer in carburo di silicio (SiC) lucidati e privi di danni.

Dopo la lucidatura, i wafer di SiC vengono sottoposti a rigorosi controlli di qualità utilizzando strumenti come microscopi ottici e diffrattometri a raggi X per garantire che tutti i parametri tecnici soddisfino gli standard richiesti. Infine, i wafer lucidati vengono puliti con detergenti specializzati e acqua ultrapura per rimuovere i contaminanti superficiali. Vengono quindi essiccati utilizzando azoto gassoso ad altissima purezza e centrifugati, completando l'intero processo produttivo.

Dopo anni di sforzi, in Cina sono stati compiuti progressi significativi nella lavorazione di monocristalli di SiC. A livello nazionale, sono stati sviluppati con successo monocristalli di 4H-SiC semiisolanti drogati da 100 mm, e ora è possibile produrre in lotti monocristalli di 4H-SiC e 6H-SiC di tipo n. Aziende come TankeBlue e TYST hanno già sviluppato monocristalli di SiC da 150 mm.

Per quanto riguarda la tecnologia di lavorazione dei wafer di SiC, gli istituti nazionali hanno esplorato in via preliminare le condizioni di processo e i percorsi per la frammentazione, la macinazione e la lucidatura dei cristalli. Sono in grado di produrre campioni che soddisfano sostanzialmente i requisiti per la fabbricazione dei dispositivi. Tuttavia, rispetto agli standard internazionali, la qualità della lavorazione superficiale dei wafer nazionali è ancora significativamente inferiore. Esistono diverse problematiche:

Le teorie e le tecnologie di lavorazione internazionali del SiC sono strettamente protette e non facilmente accessibili.

Mancano ricerca teorica e supporto per il miglioramento e l'ottimizzazione dei processi.

I costi per l'importazione di attrezzature e componenti esteri sono elevati.

La ricerca nazionale sulla progettazione delle attrezzature, sulla precisione della lavorazione e sui materiali mostra ancora lacune significative rispetto ai livelli internazionali.

Attualmente, la maggior parte degli strumenti ad alta precisione utilizzati in Cina viene importata. Anche le apparecchiature e le metodologie di collaudo necessitano di ulteriori miglioramenti.

Con il continuo sviluppo dei semiconduttori di terza generazione, il diametro dei substrati monocristallini di SiC è in costante aumento, parallelamente a requisiti più elevati per la qualità della lavorazione superficiale. La tecnologia di lavorazione dei wafer è diventata una delle fasi tecnicamente più complesse dopo la crescita dei monocristalli di SiC.

Per affrontare le attuali sfide nella lavorazione, è essenziale approfondire lo studio dei meccanismi coinvolti nel taglio, nella rettifica e nella lucidatura, nonché esplorare metodi e percorsi di processo idonei per la produzione di wafer di SiC. Allo stesso tempo, è necessario apprendere dalle tecnologie di lavorazione più avanzate a livello internazionale e adottare tecniche e attrezzature di lavorazione ad altissima precisione all'avanguardia per produrre substrati di alta qualità.

Con l'aumentare delle dimensioni dei wafer, aumenta anche la difficoltà di crescita e lavorazione dei cristalli. Tuttavia, l'efficienza produttiva dei dispositivi a valle migliora significativamente e il costo unitario si riduce. Attualmente, i principali fornitori di wafer di SiC a livello globale offrono prodotti con diametri compresi tra 4 e 6 pollici. Aziende leader come Cree e II-VI hanno già iniziato a pianificare lo sviluppo di linee di produzione per wafer di SiC da 8 pollici.