Status Semasa dan Trend Teknologi Pemprosesan Wafer SiC

Sebagai bahan substrat semikonduktor generasi ketiga,silikon karbida (SiC)kristal tunggal mempunyai prospek aplikasi yang luas dalam pembuatan peranti elektronik frekuensi tinggi dan berkuasa tinggi. Teknologi pemprosesan SiC memainkan peranan penting dalam penghasilan bahan substrat berkualiti tinggi. Artikel ini memperkenalkan keadaan semasa penyelidikan tentang teknologi pemprosesan SiC di China dan di luar negara, menganalisis dan membandingkan mekanisme proses pemotongan, pengisaran dan penggilap, serta trend dalam kerataan wafer dan kekasaran permukaan. Ia juga menunjukkan cabaran sedia ada dalam pemprosesan wafer SiC dan membincangkan hala tuju pembangunan masa hadapan.

Silikon karbida (SiC)wafer ialah bahan asas yang kritikal untuk peranti semikonduktor generasi ketiga dan memegang kepentingan dan potensi pasaran yang ketara dalam bidang seperti mikroelektronik, elektronik kuasa dan pencahayaan semikonduktor. Oleh kerana kekerasan dan kestabilan kimia yang sangat tinggiKristal tunggal SiC, kaedah pemprosesan semikonduktor tradisional tidak sepenuhnya sesuai untuk pemesinan mereka. Walaupun banyak syarikat antarabangsa telah menjalankan penyelidikan meluas mengenai pemprosesan kristal tunggal SiC yang menuntut teknikal, teknologi yang berkaitan dirahsiakan sepenuhnya.

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, China telah meningkatkan usaha dalam pembangunan bahan dan peranti kristal tunggal SiC. Bagaimanapun, kemajuan teknologi peranti SiC di negara ini kini dikekang oleh batasan dalam teknologi pemprosesan dan kualiti wafer. Oleh itu, adalah penting bagi China untuk meningkatkan keupayaan pemprosesan SiC untuk meningkatkan kualiti substrat kristal tunggal SiC dan mencapai aplikasi praktikal dan pengeluaran besar-besaran.

Langkah pemprosesan utama termasuk: pemotongan → pengisaran kasar → pengisaran halus → penggilap kasar (penggilap mekanikal) → penggilap halus (penggilap mekanikal kimia, CMP) → pemeriksaan.

Pemotongan Kristal Tunggal SiC

Dalam pemprosesanKristal tunggal SiC, pemotongan adalah langkah pertama dan sangat kritikal. Haluan wafer, meledingkan, dan variasi ketebalan total (TTV) yang terhasil daripada proses pemotongan menentukan kualiti dan keberkesanan operasi mengisar dan menggilap seterusnya.

Alat pemotong boleh dikategorikan mengikut bentuk kepada gergaji diameter dalam (ID) berlian, gergaji diameter luar (OD), gergaji jalur, dan gergaji dawai. Gergaji wayar, seterusnya, boleh diklasifikasikan mengikut jenis gerakannya kepada sistem wayar salingan dan gelung (tidak berkesudahan). Berdasarkan mekanisme pemotongan pelelas, teknik penghirisan gergaji dawai boleh dibahagikan kepada dua jenis: penggergajian dawai pelelas percuma dan penggergajian dawai berlian pelelas tetap.

1.1 Kaedah Pemotongan Tradisional

Kedalaman pemotongan gergaji diameter luar (OD) dihadkan oleh diameter bilah. Semasa proses pemotongan, bilah terdedah kepada getaran dan sisihan, mengakibatkan tahap hingar yang tinggi dan ketegaran yang lemah. Gergaji diameter dalam (ID) menggunakan pelelas berlian pada lilitan dalam bilah sebagai pinggir pemotong. Bilah ini boleh menjadi senipis 0.2 mm. Semasa menghiris, bilah ID berputar pada kelajuan tinggi manakala bahan yang akan dipotong bergerak secara jejari berbanding pusat bilah, mencapai penghirisan melalui gerakan relatif ini.

Gergaji jalur berlian memerlukan hentian dan pembalikan yang kerap, dan kelajuan pemotongan adalah sangat rendah—biasanya tidak melebihi 2 m/s. Mereka juga mengalami kehausan mekanikal yang ketara dan kos penyelenggaraan yang tinggi. Oleh kerana lebar mata gergaji, jejari pemotongan tidak boleh terlalu kecil, dan pemotongan berbilang keping tidak boleh dilakukan. Alat menggergaji tradisional ini dihadkan oleh ketegaran tapak dan tidak boleh membuat potongan melengkung atau mempunyai jejari pusingan terhad. Mereka hanya mampu memotong lurus, menghasilkan kerf lebar, mempunyai kadar hasil yang rendah, dan oleh itu tidak sesuai untuk pemotongan.Kristal SiC.

1.2 Gergaji Kawat Pelelas Percuma Pemotong Berbilang Kawat

Teknik penghirisan gergaji wayar percuma menggunakan pergerakan wayar yang pantas untuk membawa buburan ke dalam kerf, membolehkan penyingkiran bahan. Ia terutamanya menggunakan struktur salingan dan kini merupakan kaedah matang dan digunakan secara meluas untuk pemotongan berbilang wafer yang cekap bagi silikon kristal tunggal. Walau bagaimanapun, penggunaannya dalam pemotongan SiC telah kurang dikaji secara meluas.

Gergaji dawai kasar bebas boleh memproses wafer dengan ketebalan kurang daripada 300 μm. Mereka menawarkan kehilangan kerf yang rendah, jarang menyebabkan kerepek, dan menghasilkan kualiti permukaan yang agak baik. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh mekanisme penyingkiran bahan—berdasarkan penggulungan dan lekukan bahan pelelas—permukaan wafer cenderung menghasilkan tegasan sisa yang ketara, retakan mikro dan lapisan kerosakan yang lebih dalam. Ini membawa kepada ledingan wafer, menjadikannya sukar untuk mengawal ketepatan profil permukaan, dan meningkatkan beban pada langkah pemprosesan seterusnya.

Prestasi pemotongan banyak dipengaruhi oleh buburan; adalah perlu untuk mengekalkan ketajaman bahan pelelas dan kepekatan buburan. Rawatan buburan dan kitar semula adalah mahal. Apabila memotong jongkong bersaiz besar, bahan pelelas sukar menembusi kerf yang dalam dan panjang. Di bawah saiz butiran kasar yang sama, kehilangan kerf lebih besar daripada gergaji dawai pelelas tetap.

1.3 Gergaji Dawai Berlian Pelelas Tetap Memotong Berbilang Kawat

Gergaji dawai berlian pelelas tetap biasanya dibuat dengan membenamkan zarah berlian pada substrat dawai keluli melalui kaedah penyaduran elektrik, pensinteran atau ikatan resin. Gergaji dawai berlian bersadur elektrik menawarkan kelebihan seperti kerf yang lebih sempit, kualiti hirisan yang lebih baik, kecekapan yang lebih tinggi, pencemaran yang lebih rendah dan keupayaan untuk memotong bahan kekerasan tinggi.

Gergaji dawai berlian bersalut salingan adalah kaedah yang paling banyak digunakan untuk memotong SiC. Rajah 1 (tidak ditunjukkan di sini) menggambarkan kerataan permukaan wafer SiC yang dipotong menggunakan teknik ini. Apabila pemotongan berlangsung, lenturan wafer meningkat. Ini kerana kawasan sentuhan antara wayar dan bahan bertambah apabila wayar bergerak ke bawah, meningkatkan rintangan dan getaran wayar. Apabila wayar mencapai diameter maksimum wafer, getaran berada pada kemuncaknya, mengakibatkan lengkungan maksimum.

Pada peringkat akhir pemotongan, disebabkan oleh wayar yang mengalami pecutan, pergerakan kelajuan stabil, nyahpecutan, berhenti, dan pembalikan, bersama-sama dengan kesukaran untuk mengeluarkan serpihan dengan penyejuk, kualiti permukaan wafer semakin merosot. Pembalikan wayar dan turun naik kelajuan, serta zarah berlian besar pada wayar, adalah punca utama calar permukaan.

1.4 Teknologi Pemisahan Sejuk

Pemisahan sejuk bagi kristal tunggal SiC ialah proses inovatif dalam bidang pemprosesan bahan semikonduktor generasi ketiga. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, ia telah menarik perhatian penting kerana kelebihannya yang ketara dalam meningkatkan hasil dan mengurangkan kehilangan bahan. Teknologi ini boleh dianalisis dari tiga aspek: prinsip kerja, aliran proses, dan kelebihan teras.

Penentuan Orientasi Kristal dan Pengisaran Diameter Luar: Sebelum pemprosesan, orientasi kristal jongkong SiC mesti ditentukan. Jongkong itu kemudiannya dibentuk menjadi struktur silinder (biasanya dipanggil keping SiC) melalui pengisaran diameter luar. Langkah ini meletakkan asas untuk pemotongan dan penghirisan arah seterusnya.

Pemotongan Berbilang Wayar: Kaedah ini menggunakan zarah kasar yang digabungkan dengan wayar pemotong untuk menghiris jongkong silinder. Walau bagaimanapun, ia mengalami kehilangan kerf yang ketara dan masalah ketidaksamaan permukaan.

Teknologi Pemotongan Laser: Laser digunakan untuk membentuk lapisan yang diubah suai di dalam kristal, dari mana hirisan nipis boleh ditanggalkan. Pendekatan ini mengurangkan kehilangan bahan dan meningkatkan kecekapan pemprosesan, menjadikannya arah baharu yang menjanjikan untuk pemotongan wafer SiC.

Pengoptimuman Proses Pemotongan

Pemotongan Berbilang Wayar Pelelas Tetap: Ini kini merupakan teknologi arus perdana, sangat sesuai untuk ciri kekerasan tinggi SiC.

Pemesinan Nyahcas Elektrik (EDM) dan Teknologi Pengasingan Sejuk: Kaedah ini menyediakan penyelesaian terpelbagai yang disesuaikan dengan keperluan khusus.

Proses Menggilap: Adalah penting untuk mengimbangi kadar penyingkiran bahan dan kerosakan permukaan. Penggilapan Mekanikal Kimia (CMP) digunakan untuk meningkatkan keseragaman permukaan.

Pemantauan Masa Nyata: Teknologi pemeriksaan dalam talian diperkenalkan untuk memantau kekasaran permukaan dalam masa nyata.

Penghirisan Laser: Teknik ini mengurangkan kehilangan kerf dan memendekkan kitaran pemprosesan, walaupun zon terjejas terma kekal sebagai cabaran.

Teknologi Pemprosesan Hibrid: Menggabungkan kaedah mekanikal dan kimia meningkatkan kecekapan pemprosesan.

Teknologi ini telah pun mencapai aplikasi industri. Infineon, sebagai contoh, memperoleh SILTECTRA dan kini memegang paten teras yang menyokong pengeluaran besar-besaran wafer 8 inci. Di China, syarikat seperti Delong Laser telah mencapai kecekapan keluaran sebanyak 30 wafer setiap jongkong untuk pemprosesan wafer 6 inci, mewakili peningkatan 40% berbanding kaedah tradisional.

Apabila pembuatan peralatan domestik semakin pantas, teknologi ini dijangka menjadi penyelesaian arus perdana untuk pemprosesan substrat SiC. Dengan peningkatan diameter bahan semikonduktor, kaedah pemotongan tradisional telah menjadi usang. Antara pilihan semasa, teknologi gergaji dawai berlian salingan menunjukkan prospek aplikasi yang paling menjanjikan. Pemotongan laser, sebagai teknik baru muncul, menawarkan kelebihan yang ketara dan dijangka menjadi kaedah pemotongan utama pada masa hadapan.

2 、Pengisaran Kristal Tunggal SiC

Sebagai wakil semikonduktor generasi ketiga, silikon karbida (SiC) menawarkan kelebihan ketara kerana jurang jalurnya yang lebar, medan elektrik pecahan tinggi, halaju hanyutan elektron tepu yang tinggi dan kekonduksian terma yang sangat baik. Sifat-sifat ini menjadikan SiC sangat berfaedah dalam aplikasi voltan tinggi (cth, persekitaran 1200V). Teknologi pemprosesan untuk substrat SiC adalah bahagian asas fabrikasi peranti. Kualiti permukaan dan ketepatan substrat secara langsung mempengaruhi kualiti lapisan epitaxial dan prestasi peranti akhir.

Tujuan utama proses pengisaran adalah untuk menghilangkan tanda gergaji permukaan dan merosakkan lapisan yang disebabkan semasa penghirisan, dan untuk membetulkan ubah bentuk yang disebabkan oleh proses pemotongan. Memandangkan kekerasan SiC yang sangat tinggi, pengisaran memerlukan penggunaan pelelas keras seperti boron karbida atau berlian. Pengisaran konvensional biasanya dibahagikan kepada pengisaran kasar dan pengisaran halus.

2.1 Pengisaran Kasar dan Halus

Pengisaran boleh dikategorikan berdasarkan saiz zarah yang kasar:

Pengisaran Kasar: Menggunakan pelelas yang lebih besar terutamanya untuk menghilangkan tanda gergaji dan merosakkan lapisan yang disebabkan semasa menghiris, meningkatkan kecekapan pemprosesan.

Pengisaran Halus: Menggunakan pelelas yang lebih halus untuk membuang lapisan kerosakan yang ditinggalkan oleh pengisaran kasar, mengurangkan kekasaran permukaan dan meningkatkan kualiti permukaan.

Banyak pengeluar substrat SiC domestik menggunakan proses pengeluaran berskala besar. Kaedah biasa melibatkan pengisaran dua muka menggunakan plat besi tuang dan buburan berlian monohabluran. Proses ini berkesan menanggalkan lapisan kerosakan yang ditinggalkan oleh menggergaji wayar, membetulkan bentuk wafer dan mengurangkan TTV (Total Thickness Variation), Bow dan Warp. Kadar penyingkiran bahan adalah stabil, biasanya mencapai 0.8–1.2 μm/min. Walau bagaimanapun, permukaan wafer yang terhasil adalah matte dengan kekasaran yang agak tinggi—biasanya sekitar 50 nm—yang mengenakan permintaan yang lebih tinggi pada langkah penggilapan berikutnya.

2.2 Pengisaran Satu Sebelah

Pengisaran satu sisi hanya memproses satu sisi wafer pada satu masa. Semasa proses ini, wafer dipasang lilin pada plat keluli. Di bawah tekanan yang dikenakan, substrat mengalami sedikit ubah bentuk, dan permukaan atas diratakan. Selepas mengisar, permukaan bawah diratakan. Apabila tekanan dialihkan, permukaan atas cenderung pulih kepada bentuk asalnya, yang turut menjejaskan permukaan bawah yang sudah dikisar—menyebabkan kedua-dua bahagian meledingkan dan merosot dalam kerataan.

Selain itu, plat pengisar boleh menjadi cekung dalam masa yang singkat, menyebabkan wafer menjadi cembung. Untuk mengekalkan kerataan pinggan, pembalut yang kerap diperlukan. Oleh kerana kecekapan rendah dan kerataan wafer yang lemah, pengisaran satu sisi tidak sesuai untuk pengeluaran besar-besaran.

Biasanya, roda pengisar #8000 digunakan untuk pengisaran halus. Di Jepun, proses ini agak matang dan juga menggunakan roda penggilap #30000. Ini membolehkan kekasaran permukaan wafer yang diproses mencapai di bawah 2 nm, menjadikan wafer bersedia untuk CMP akhir (Chemical Mechanical Polishing) tanpa pemprosesan tambahan.

2.3 Teknologi Penipisan Sebelah

Teknologi Penipisan Satu Sisi Berlian ialah kaedah baru untuk mengisar satu sisi. Seperti yang digambarkan dalam Rajah 5 (tidak ditunjukkan di sini), proses menggunakan plat pengisar berikat berlian. Wafer dibetulkan melalui penjerapan vakum, manakala kedua-dua wafer dan roda pengisar berlian berputar serentak. Roda pengisar bergerak secara beransur-ansur ke bawah untuk menipiskan wafer kepada ketebalan sasaran. Selepas satu bahagian selesai, wafer dibalikkan untuk memproses bahagian lain.

Selepas penipisan, wafer 100 mm boleh mencapai:

Tunduk < 5 μm

TTV < 2 μm

Kekasaran permukaan < 1 nm

Kaedah pemprosesan wafer tunggal ini menawarkan kestabilan yang tinggi, konsistensi yang sangat baik, dan kadar penyingkiran bahan yang tinggi. Berbanding dengan pengisaran dua sisi konvensional, teknik ini meningkatkan kecekapan pengisaran sebanyak lebih 50%.

2.4 Pengisaran Dua Sebelah

Pengisaran dua belah menggunakan kedua-dua plat pengisar atas dan bawah untuk mengisar kedua-dua belah substrat secara serentak, memastikan kualiti permukaan yang sangat baik pada kedua-dua belah.

Semasa proses, plat pengisar terlebih dahulu menggunakan tekanan pada titik tertinggi bahan kerja, menyebabkan ubah bentuk dan penyingkiran bahan secara beransur-ansur pada titik tersebut. Apabila bintik-bintik tinggi diratakan, tekanan pada substrat secara beransur-ansur menjadi lebih seragam, mengakibatkan ubah bentuk yang konsisten di seluruh permukaan. Ini membolehkan kedua-dua permukaan atas dan bawah dikisar sama rata. Setelah pengisaran selesai dan tekanan dilepaskan, setiap bahagian substrat pulih secara seragam disebabkan oleh tekanan yang sama yang dialaminya. Ini membawa kepada meledingkan minimum dan kerataan yang baik.

Kekasaran permukaan wafer selepas mengisar bergantung pada saiz zarah yang melelas—zarah yang lebih kecil menghasilkan permukaan yang lebih licin. Apabila menggunakan pelelas 5 μm untuk pengisaran dua belah, kerataan wafer dan variasi ketebalan boleh dikawal dalam 5 μm. Pengukuran Mikroskopi Daya Atom (AFM) menunjukkan kekasaran permukaan (Rq) kira-kira 100 nm, dengan lubang pengisaran sehingga 380 nm dalam dan tanda linear yang boleh dilihat disebabkan oleh tindakan kasar.

Kaedah yang lebih maju melibatkan pengisaran dua muka menggunakan pad busa poliuretana yang digabungkan dengan buburan berlian polihabluran. Proses ini menghasilkan wafer dengan kekasaran permukaan yang sangat rendah, mencapai Ra < 3 nm, yang sangat bermanfaat untuk penggilapan substrat SiC berikutnya.

Walau bagaimanapun, calar permukaan masih menjadi isu yang tidak dapat diselesaikan. Selain itu, berlian polihabluran yang digunakan dalam proses ini dihasilkan melalui sintesis letupan, yang secara teknikalnya mencabar, menghasilkan kuantiti yang rendah, dan sangat mahal.

Menggilap Kristal Tunggal SiC

Untuk mencapai permukaan digilap berkualiti tinggi pada wafer silikon karbida (SiC), penggilap mesti mengeluarkan sepenuhnya lubang pengisaran dan gelombang permukaan berskala nanometer. Matlamatnya adalah untuk menghasilkan permukaan licin, bebas kecacatan tanpa pencemaran atau degradasi, tiada kerosakan bawah permukaan, dan tiada tekanan permukaan sisa.

3.1 Penggilapan Mekanikal dan CMP Wafer SiC

Selepas pertumbuhan jongkong kristal tunggal SiC, kecacatan permukaan menghalangnya daripada digunakan secara langsung untuk pertumbuhan epitaxial. Oleh itu, pemprosesan lanjut diperlukan. Jongkong mula-mula dibentuk menjadi bentuk silinder standard melalui pembulatan, kemudian dihiris menjadi wafer menggunakan pemotongan wayar, diikuti dengan pengesahan orientasi kristalografi. Menggilap ialah langkah kritikal dalam meningkatkan kualiti wafer, menangani potensi kerosakan permukaan yang disebabkan oleh kecacatan pertumbuhan kristal dan langkah pemprosesan sebelumnya.

Terdapat empat kaedah utama untuk membuang lapisan kerosakan permukaan pada SiC:

Penggilapan mekanikal: Mudah tetapi meninggalkan calar; sesuai untuk penggilap awal.

Penggilapan Mekanikal Kimia (CMP): Menghilangkan calar melalui goresan kimia; sesuai untuk penggilap ketepatan.

Goresan hidrogen: Memerlukan peralatan yang kompleks, yang biasa digunakan dalam proses HTCVD.

Penggilapan berbantukan plasma: Kompleks dan jarang digunakan.

Penggilapan mekanikal sahaja cenderung menyebabkan calar, manakala penggilap kimia sahaja boleh menyebabkan goresan tidak sekata. CMP menggabungkan kedua-dua kelebihan dan menawarkan penyelesaian yang cekap, kos efektif.

Prinsip Kerja CMP

CMP berfungsi dengan memutarkan wafer di bawah tekanan yang ditetapkan terhadap pad penggilap berputar. Pergerakan relatif ini, digabungkan dengan lelasan mekanikal daripada pelelas bersaiz nano dalam buburan dan tindakan kimia agen reaktif, mencapai pelanarisasi permukaan.

Bahan utama yang digunakan:

Menggilap buburan: Mengandungi bahan pelelas dan reagen kimia.

Pad pengilat: Kehausan semasa penggunaan, mengurangkan saiz liang dan kecekapan penghantaran buburan. Pembalut biasa, biasanya menggunakan pembalut berlian, diperlukan untuk memulihkan kekasaran.

Proses CMP biasa

Melelas: 0.5 μm buburan berlian

Kekasaran permukaan sasaran: ~0.7 nm

Penggilap Mekanikal Kimia:

Peralatan pengilat: AP-810 penggilap satu sisi

Tekanan: 200 g/cm²

Kelajuan plat: 50 rpm

Kelajuan pemegang seramik: 38 rpm

Komposisi buburan:

SiO₂ (30% berat, pH = 10.15)

0–70% berat H₂O₂ (30% berat, gred reagen)

Laraskan pH kepada 8.5 menggunakan 5% berat KOH dan 1% berat HNO₃

Kadar aliran buburan: 3 L/min, dikitar semula

Proses ini meningkatkan kualiti wafer SiC dengan berkesan dan memenuhi keperluan untuk proses hiliran.

Cabaran Teknikal dalam Penggilapan Mekanikal

SiC, sebagai semikonduktor jurang jalur lebar, memainkan peranan penting dalam industri elektronik. Dengan sifat fizikal dan kimia yang sangat baik, kristal tunggal SiC sesuai untuk persekitaran yang melampau, seperti suhu tinggi, frekuensi tinggi, kuasa tinggi dan rintangan sinaran. Walau bagaimanapun, sifatnya yang keras dan rapuh memberikan cabaran utama untuk mengisar dan menggilap.

Apabila pengeluar global terkemuka beralih daripada wafer 6-inci kepada 8-inci, isu-isu seperti keretakan dan kerosakan wafer semasa pemprosesan telah menjadi lebih ketara, memberi kesan ketara kepada hasil. Menangani cabaran teknikal substrat SiC 8-inci kini menjadi penanda aras utama untuk kemajuan industri.

Dalam era 8-inci, pemprosesan wafer SiC menghadapi pelbagai cabaran:

Penskalaan wafer diperlukan untuk meningkatkan output cip setiap kelompok, mengurangkan kehilangan kelebihan dan mengurangkan kos pengeluaran—terutamanya memandangkan peningkatan permintaan dalam aplikasi kenderaan elektrik.

Walaupun pertumbuhan kristal tunggal SiC 8-inci telah matang, proses bahagian belakang seperti pengisaran dan penggilap masih menghadapi kesesakan, mengakibatkan hasil yang rendah (hanya 40–50%).

Wafer yang lebih besar mengalami pengagihan tekanan yang lebih kompleks, meningkatkan kesukaran mengurus tekanan penggilapan dan konsistensi hasil.

Walaupun ketebalan wafer 8 inci menghampiri ketebalan wafer 6 inci, ia lebih terdedah kepada kerosakan semasa pengendalian akibat tekanan dan meledingkan.

Untuk mengurangkan tekanan berkaitan pemotongan, melengkung dan retak, pemotongan laser semakin digunakan. Walau bagaimanapun:

Laser panjang gelombang panjang menyebabkan kerosakan haba.

Laser panjang gelombang pendek menjana serpihan berat dan mendalamkan lapisan kerosakan, meningkatkan kerumitan penggilapan.

Aliran Kerja Penggilapan Mekanikal untuk SiC

Aliran proses umum termasuk:

Pemotongan orientasi

Pengisaran kasar

Pengisaran halus

Penggilap mekanikal

Penggilapan Mekanikal Kimia (CMP) sebagai langkah terakhir

Pilihan kaedah CMP, reka bentuk laluan proses dan pengoptimuman parameter adalah penting. Dalam pembuatan semikonduktor, CMP ialah langkah penentu untuk menghasilkan wafer SiC dengan permukaan ultra licin, bebas kecacatan dan bebas kerosakan, yang penting untuk pertumbuhan epitaxial berkualiti tinggi.

(a) Keluarkan jongkong SiC dari pijar;

(b) Lakukan pembentukan awal menggunakan pengisaran diameter luar;

(c) Tentukan orientasi hablur menggunakan rata penjajaran atau takuk;

(d) Potong jongkong menjadi wafer nipis menggunakan gergaji berbilang wayar;

(e) Mencapai kelicinan permukaan seperti cermin melalui langkah mengisar dan menggilap.

Selepas melengkapkan siri langkah pemprosesan, pinggir luar wafer SiC sering menjadi tajam, yang meningkatkan risiko kerepek semasa pengendalian atau penggunaan. Untuk mengelakkan kerapuhan sedemikian, pengisaran tepi diperlukan.

Selain proses penghirisan tradisional, kaedah inovatif untuk menyediakan wafer SiC melibatkan teknologi ikatan. Pendekatan ini membolehkan fabrikasi wafer dengan mengikat lapisan kristal tunggal SiC nipis kepada substrat heterogen (substrat sokongan).

Rajah 3 menggambarkan aliran proses:

Pertama, lapisan delaminasi terbentuk pada kedalaman tertentu pada permukaan kristal tunggal SiC melalui implantasi ion hidrogen atau teknik yang serupa. Kristal tunggal SiC yang diproses kemudiannya diikat pada substrat penyokong rata dan tertakluk kepada tekanan dan haba. Ini membolehkan pemindahan dan pemisahan lapisan kristal tunggal SiC yang berjaya ke substrat sokongan.

Lapisan SiC yang dipisahkan menjalani rawatan permukaan untuk mencapai kerataan yang diperlukan dan boleh digunakan semula dalam proses ikatan seterusnya. Berbanding dengan penghirisan kristal SiC tradisional, teknik ini mengurangkan permintaan untuk bahan mahal. Walaupun cabaran teknikal kekal, penyelidikan dan pembangunan sedang giat memajukan untuk membolehkan pengeluaran wafer kos lebih rendah.

Memandangkan kekerasan tinggi dan kestabilan kimia SiC—yang menjadikannya tahan terhadap tindak balas pada suhu bilik—penggilap mekanikal diperlukan untuk mengeluarkan lubang pengisaran halus, mengurangkan kerosakan permukaan, menghilangkan calar, pitting dan kecacatan kulit oren, merendahkan kekasaran permukaan, meningkatkan kerataan dan meningkatkan kualiti permukaan.

Untuk mencapai permukaan digilap berkualiti tinggi, anda perlu:

Laraskan jenis pelelas,

Mengurangkan saiz zarah,

Optimumkan parameter proses,

Pilih bahan penggilap dan pad dengan kekerasan yang mencukupi.

Rajah 7 menunjukkan bahawa penggilap dua muka dengan pelelas 1 μm boleh mengawal kerataan dan variasi ketebalan dalam 10 μm, dan mengurangkan kekasaran permukaan kepada kira-kira 0.25 nm.

3.2 Penggilapan Mekanikal Kimia (CMP)

Penggilapan Mekanikal Kimia (CMP) menggabungkan lelasan zarah ultrahalus dengan goresan kimia untuk membentuk permukaan satah yang licin pada bahan yang sedang diproses. Prinsip asasnya ialah:

Tindak balas kimia berlaku antara buburan penggilap dan permukaan wafer, membentuk lapisan lembut.

Geseran antara zarah kasar dan lapisan lembut menghilangkan bahan.

Kelebihan CMP:

Mengatasi kelemahan penggilap mekanikal atau kimia semata-mata,

Mencapai kedua-dua perancangan global dan tempatan,

Menghasilkan permukaan dengan kerataan yang tinggi dan kekasaran yang rendah,

Tidak meninggalkan kerosakan permukaan atau bawah permukaan.

Secara terperinci:

Wafer bergerak relatif kepada pad penggilap di bawah tekanan.

Pelelas berskala nanometer (cth, SiO₂) dalam buburan mengambil bahagian dalam ricih, melemahkan ikatan kovalen Si-C dan meningkatkan penyingkiran bahan.

Jenis Teknik CMP:

Penggilapan Pelelas Percuma: Pelelas (cth, SiO₂) digantung dalam buburan. Penyingkiran bahan berlaku melalui lelasan tiga badan (wafer–pad–abrasive). Saiz kasar (biasanya 60–200 nm), pH, dan suhu mesti dikawal dengan tepat untuk meningkatkan keseragaman.

Penggilapan Pelelas Tetap: Pelelas dibenamkan dalam pad pengilat untuk mengelakkan penggumpalan—sesuai untuk pemprosesan ketepatan tinggi.

Pembersihan Selepas Menggilap:

Wafer yang digilap menjalani:

Pembersihan kimia (termasuk air DI dan penyingkiran sisa buburan),

bilasan air DI, dan

Pengeringan nitrogen panas

untuk meminimumkan bahan cemar permukaan.

Kualiti & Prestasi Permukaan

Kekasaran permukaan boleh dikurangkan kepada Ra < 0.3 nm, memenuhi keperluan epitaksi semikonduktor.

Perancangan Global: Gabungan pelembutan kimia dan penyingkiran mekanikal mengurangkan calar dan goresan tidak sekata, mengatasi kaedah mekanikal atau kimia tulen.

Kecekapan Tinggi: Sesuai untuk bahan keras dan rapuh seperti SiC, dengan kadar penyingkiran bahan melebihi 200 nm/j.

Teknik Menggilap Lain Yang Baru Muncul

Sebagai tambahan kepada CMP, kaedah alternatif telah dicadangkan, termasuk:

Penggilapan elektrokimia, Penggilapan atau goresan berbantukan Pemangkin, dan

Penggilap tribokimia.

Walau bagaimanapun, kaedah ini masih dalam peringkat penyelidikan dan telah berkembang secara perlahan kerana sifat bahan yang mencabar SiC.

Akhirnya, pemprosesan SiC ialah proses beransur-ansur untuk mengurangkan lenturan dan kekasaran untuk meningkatkan kualiti permukaan, di mana kawalan kerataan dan kekasaran adalah kritikal sepanjang setiap peringkat.

Teknologi Pemprosesan

Semasa peringkat mengisar wafer, buburan berlian dengan saiz zarah yang berbeza digunakan untuk mengisar wafer kepada kerataan dan kekasaran permukaan yang diperlukan. Ini diikuti dengan penggilapan, menggunakan teknik penggilap mekanikal mekanikal dan kimia (CMP) untuk menghasilkan wafer silikon karbida (SiC) yang digilap tanpa kerosakan.

Selepas menggilap, wafer SiC menjalani pemeriksaan kualiti yang ketat menggunakan instrumen seperti mikroskop optik dan difraktometer sinar-X untuk memastikan semua parameter teknikal memenuhi piawaian yang diperlukan. Akhir sekali, wafer yang digilap dibersihkan menggunakan agen pembersih khusus dan air ultratulen untuk membuang bahan cemar permukaan. Ia kemudiannya dikeringkan menggunakan gas nitrogen ketulenan ultra tinggi dan pengering putaran, melengkapkan keseluruhan proses pengeluaran.

Selepas bertahun-tahun berusaha, kemajuan ketara telah dicapai dalam pemprosesan kristal tunggal SiC di China. Dalam negara, hablur tunggal 4H-SiC separa penebat 100 mm telah berjaya dibangunkan, dan hablur tunggal 4H-SiC dan 6H-SiC jenis-n kini boleh dihasilkan secara berkelompok. Syarikat seperti TankeBlue dan TYST telah pun membangunkan kristal tunggal SiC 150 mm.

Dari segi teknologi pemprosesan wafer SiC, institusi domestik telah terlebih dahulu meneroka keadaan proses dan laluan untuk menghiris, mengisar dan menggilap kristal. Mereka mampu menghasilkan sampel yang pada asasnya memenuhi keperluan untuk fabrikasi peranti. Walau bagaimanapun, berbanding piawaian antarabangsa, kualiti pemprosesan permukaan wafer domestik masih ketinggalan dengan ketara. Terdapat beberapa isu:

Teori dan teknologi pemprosesan SiC antarabangsa dilindungi dengan ketat dan tidak mudah diakses.

Terdapat kekurangan penyelidikan teori dan sokongan untuk penambahbaikan dan pengoptimuman proses.

Kos mengimport peralatan dan komponen asing adalah tinggi.

Penyelidikan domestik mengenai reka bentuk peralatan, ketepatan pemprosesan dan bahan masih menunjukkan jurang yang ketara berbanding dengan peringkat antarabangsa.

Pada masa ini, kebanyakan instrumen berketepatan tinggi yang digunakan di China diimport. Peralatan dan metodologi ujian juga memerlukan penambahbaikan selanjutnya.

Dengan pembangunan berterusan semikonduktor generasi ketiga, diameter substrat kristal tunggal SiC semakin meningkat, bersama-sama dengan keperluan yang lebih tinggi untuk kualiti pemprosesan permukaan. Teknologi pemprosesan wafer telah menjadi salah satu langkah yang paling mencabar dari segi teknikal selepas pertumbuhan kristal tunggal SiC.

Untuk menangani cabaran sedia ada dalam pemprosesan, adalah penting untuk mengkaji lebih lanjut mekanisme yang terlibat dalam pemotongan, pengisaran dan penggilap, dan untuk meneroka kaedah dan laluan proses yang sesuai untuk pembuatan wafer SiC. Pada masa yang sama, adalah perlu untuk belajar daripada teknologi pemprosesan antarabangsa termaju dan mengguna pakai teknik dan peralatan pemesinan ultra ketepatan terkini untuk menghasilkan substrat berkualiti tinggi.

Apabila saiz wafer bertambah, kesukaran pertumbuhan dan pemprosesan kristal juga meningkat. Walau bagaimanapun, kecekapan pembuatan peranti hiliran bertambah baik dengan ketara, dan kos unit dikurangkan. Pada masa ini, pembekal wafer SiC utama di seluruh dunia menawarkan produk dengan diameter antara 4 inci hingga 6 inci. Syarikat terkemuka seperti Cree dan II-VI telah pun mula merancang untuk pembangunan barisan pengeluaran wafer SiC 8 inci.