Status dan Trend Semasa 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 mengenai teknologi pemprosesan SiC di China dan di luar negara, menganalisis dan membandingkan mekanisme proses pemotongan, pengisaran dan penggilapan, 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 merupakan bahan asas yang penting untuk peranti semikonduktor generasi ketiga dan mempunyai kepentingan yang ketara serta potensi pasaran dalam bidang seperti mikroelektronik, elektronik kuasa dan pencahayaan semikonduktor. Disebabkan oleh kekerasan dan kestabilan kimia yang sangat tinggiKristal tunggal SiC, kaedah pemprosesan semikonduktor tradisional tidak sepenuhnya sesuai untuk pemesinannya. Walaupun banyak syarikat antarabangsa telah menjalankan penyelidikan yang meluas mengenai pemprosesan kristal tunggal SiC yang mencabar dari segi teknikal, teknologi yang berkaitan dirahsiakan sepenuhnya.

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, China telah meningkatkan usaha dalam pembangunan bahan dan peranti kristal tunggal SiC. Walau 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 bagi meningkatkan kualiti substrat kristal tunggal SiC dan mencapai aplikasi praktikal dan pengeluaran besar-besarannya.

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

Pemotongan Kristal Tunggal SiC

Dalam pemprosesanKristal tunggal SiC, pemotongan adalah langkah pertama dan sangat kritikal. Busur, lungsin dan variasi ketebalan total (TTV) wafer yang terhasil daripada proses pemotongan menentukan kualiti dan keberkesanan operasi pengisaran dan penggilapan berikutnya.

Alat pemotong boleh dikategorikan mengikut bentuk kepada gergaji diameter dalam berlian (ID), gergaji diameter luar (OD), gergaji jalur dan gergaji dawai. Gergaji dawai pula boleh dikelaskan mengikut jenis gerakannya kepada sistem dawai salingan dan gelung (tanpa hujung). Berdasarkan mekanisme pemotongan bahan kasar, teknik penghirisan gergaji dawai boleh dibahagikan kepada dua jenis: penggergajian dawai kasar bebas dan penggergajian dawai berlian kasar tetap.

1.1 Kaedah Pemotongan Tradisional

Kedalaman pemotongan gergaji diameter luar (OD) dihadkan oleh diameter bilah. Semasa proses pemotongan, bilah terdedah kepada getaran dan penyimpangan, mengakibatkan tahap bunyi yang tinggi dan ketegaran yang lemah. Gergaji diameter dalam (ID) menggunakan bahan pengikis berlian pada lilitan dalam bilah sebagai mata pemotong. Bilah ini boleh setipis 0.2 mm. Semasa menghiris, bilah ID berputar pada kelajuan tinggi manakala bahan yang hendak dipotong bergerak secara jejarian relatif kepada pusat bilah, mencapai penghirisan melalui gerakan relatif ini.

Gergaji jalur berlian memerlukan pemberhentian dan pembalikan yang kerap, dan kelajuan pemotongannya sangat rendah—biasanya tidak melebihi 2 m/s. Ia juga mengalami haus mekanikal yang ketara dan kos penyelenggaraan yang tinggi. Disebabkan lebar bilah gergaji, jejari pemotongan tidak boleh terlalu kecil, dan pemotongan berbilang keping tidak mungkin dilakukan. Alat gergaji tradisional ini dihadkan oleh ketegaran tapak dan tidak boleh membuat potongan melengkung atau mempunyai jejari pusingan yang terhad. Ia hanya mampu memotong lurus, menghasilkan kerf yang lebar, mempunyai kadar alah yang rendah, dan oleh itu tidak sesuai untuk memotong.Kristal SiC.

1.2 Gergaji Dawai Abrasif Percuma untuk Memotong Berbilang Dawai

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

Gergaji dawai pelelas bebas boleh memproses wafer dengan ketebalan kurang daripada 300 μm. Ia menawarkan kehilangan kerf yang rendah, jarang menyebabkan keretakan, dan menghasilkan kualiti permukaan yang agak baik. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh mekanisme penyingkiran bahan—berdasarkan penggelek dan lekukan bahan pelelas—permukaan wafer cenderung untuk menghasilkan tegasan baki yang ketara, mikrorekahan, dan lapisan kerosakan yang lebih dalam. Ini menyebabkan lengkungan wafer, menjadikannya sukar untuk mengawal ketepatan profil permukaan, dan meningkatkan beban pada langkah pemprosesan berikutnya.

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

1.3 Gergaji Dawai Berlian Abrasif Tetap Memotong Berbilang Dawai

Gergaji dawai berlian kasar 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 goresan 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 elektrosadur salingan kini merupakan 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, lengkungan wafer meningkat. Ini kerana luas sentuhan antara dawai dan bahan meningkat apabila dawai bergerak ke bawah, meningkatkan rintangan dan getaran dawai. Apabila dawai mencapai diameter maksimum wafer, getaran berada pada puncaknya, mengakibatkan lengkungan maksimum.

Pada peringkat akhir pemotongan, disebabkan oleh dawai yang mengalami pecutan, pergerakan kelajuan stabil, nyahpecutan, berhenti dan pembalikan, berserta kesukaran dalam membuang serpihan dengan penyejuk, kualiti permukaan wafer merosot. Pembalikan dawai dan turun naik kelajuan, serta zarah berlian besar pada dawai, adalah punca utama calar permukaan.

1.4 Teknologi Pemisahan Sejuk

Pemisahan sejuk hablur tunggal SiC merupakan satu proses inovatif dalam bidang pemprosesan bahan semikonduktor generasi ketiga. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, ia telah menarik perhatian yang ketara kerana kelebihannya yang ketara dalam meningkatkan hasil dan mengurangkan kehilangan bahan. Teknologi ini boleh dianalisis daripada 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 kemudiannya dibentuk menjadi struktur silinder (biasanya dipanggil puck SiC) melalui pengisaran diameter luar. Langkah ini meletakkan asas untuk pemotongan dan penghirisan berarah 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 ketidakrataan permukaan.

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

Pengoptimuman Proses Pemotongan

Pemotongan Berbilang Wayar Lelas Tetap: Ini merupakan teknologi arus perdana pada masa ini, sangat sesuai untuk ciri-ciri kekerasan SiC yang tinggi.

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

Proses Penggilapan: Adalah penting untuk mengimbangi kadar penyingkiran bahan dan kerosakan permukaan. Penggilapan Kimia Mekanikal (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 garpu dan memendekkan kitaran pemprosesan, walaupun zon yang terjejas terma masih menjadi cabaran.

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

Teknologi ini telah mencapai aplikasi perindustrian. 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 output sebanyak 30 wafer setiap jongkong untuk pemprosesan wafer 6 inci, mewakili peningkatan sebanyak 40% berbanding kaedah tradisional.

Seiring dengan peningkatan pengeluaran peralatan domestik, 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 yang 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 yang ketara disebabkan oleh jurang jalurnya yang luas, medan elektrik pecahan yang tinggi, halaju hanyutan elektron tepu yang tinggi, dan kekonduksian terma yang sangat baik. Sifat-sifat ini menjadikan SiC sangat berfaedah dalam aplikasi voltan tinggi (contohnya, persekitaran 1200V). Teknologi pemprosesan untuk substrat SiC merupakan bahagian asas fabrikasi peranti. Kualiti permukaan dan ketepatan substrat secara langsung mempengaruhi kualiti lapisan epitaksi dan prestasi peranti akhir.

Tujuan utama proses pengisaran adalah untuk menghilangkan tanda gergaji permukaan dan lapisan kerosakan yang disebabkan semasa penghirisan, dan untuk membetulkan ubah bentuk yang disebabkan oleh proses pemotongan. Memandangkan kekerasan SiC yang sangat tinggi, pengisaran memerlukan penggunaan bahan kasar 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 bahan pengkakis yang lebih besar terutamanya untuk menghilangkan kesan gergaji dan lapisan kerosakan yang disebabkan semasa penghirisan, meningkatkan kecekapan pemprosesan.

Pengisaran Halus: Menggunakan bahan pengkakis yang lebih halus untuk menghilangkan 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 sisi menggunakan plat besi tuang dan buburan berlian monokristalin. Proses ini berkesan menghilangkan lapisan kerosakan yang ditinggalkan oleh penggergajian dawai, membetulkan bentuk wafer dan mengurangkan TTV (Variasi Ketebalan Jumlah), Busur dan Lengkungan. 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 Sisi

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 pengisaran, permukaan bawah diratakan. Apabila tekanan dikeluarkan, permukaan atas cenderung untuk pulih kepada bentuk asalnya, yang turut menjejaskan permukaan bawah yang telah dikisar—menyebabkan kedua-dua belah melengkung dan terdegradasi dalam kerataan.

Tambahan pula, plat pengisar boleh menjadi cekung dalam masa yang singkat, menyebabkan wafer menjadi cembung. Untuk mengekalkan kerataan plat, pembalut yang kerap diperlukan. Disebabkan oleh kecekapan yang rendah dan kerataan wafer yang lemah, pengisaran satu sisi tidak sesuai untuk pengeluaran besar-besaran.

Biasanya, roda pengisaran #8000 digunakan untuk pengisaran halus. Di Jepun, proses ini agak matang dan juga menggunakan roda penggilapan #30000. Ini membolehkan kekasaran permukaan wafer yang diproses mencapai di bawah 2 nm, menjadikan wafer sedia untuk CMP akhir (Penggilapan Mekanikal Kimia) tanpa pemprosesan tambahan.

2.3 Teknologi Penipisan Satu Sisi

Teknologi Penipisan Berlian Satu Sisi merupakan kaedah baharu pengisaran satu sisi. Seperti yang digambarkan dalam Rajah 5 (tidak ditunjukkan di sini), proses ini menggunakan plat pengisaran terikat berlian. Wafer ditetapkan melalui penjerapan vakum, manakala kedua-dua wafer dan roda pengisaran berlian berputar serentak. Roda pengisaran secara beransur-ansur bergerak ke bawah untuk menipiskan wafer kepada ketebalan sasaran. Selepas satu sisi siap, wafer dibalikkan untuk memproses sisi yang satu lagi.

Selepas penipisan, wafer 100 mm boleh mencapai:

Busur < 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 Belah

Pengisaran dua sisi menggunakan plat pengisaran atas dan bawah untuk mengisar kedua-dua belah substrat secara serentak, memastikan kualiti permukaan yang sangat baik di kedua-dua belah pihak.

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

Kekasaran permukaan wafer selepas pengisaran bergantung pada saiz zarah yang kasar—zarah yang lebih kecil menghasilkan permukaan yang lebih licin. Apabila menggunakan bahan kasar 5 μm untuk pengisaran dua sisi, kerataan wafer dan variasi ketebalan boleh dikawal dalam lingkungan 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 kelihatan disebabkan oleh tindakan kasar.

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

Walau bagaimanapun, calar permukaan kekal sebagai isu yang tidak dapat diselesaikan. Selain itu, berlian polikristalin yang digunakan dalam proses ini dihasilkan melalui sintesis bahan letupan, yang mencabar dari segi teknikal, menghasilkan kuantiti yang rendah, dan sangat mahal.

Penggilapan Kristal Tunggal SiC

Untuk mencapai permukaan yang digilap berkualiti tinggi pada wafer silikon karbida (SiC), penggilapan mesti menghilangkan lubang pengisaran dan ondulasi permukaan skala nanometer sepenuhnya. Matlamatnya adalah untuk menghasilkan permukaan yang licin dan bebas kecacatan tanpa pencemaran atau degradasi, tiada kerosakan bawah permukaan dan tiada tegasan 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 epitaksi. Oleh itu, pemprosesan selanjutnya diperlukan. Jongkong dibentuk terlebih dahulu menjadi bentuk silinder standard melalui pembulatan, kemudian dihiris menjadi wafer menggunakan pemotongan dawai, diikuti dengan pengesahan orientasi kristalografi. Penggilapan merupakan langkah penting dalam meningkatkan kualiti wafer, menangani potensi kerosakan permukaan yang disebabkan oleh kecacatan pertumbuhan kristal dan langkah pemprosesan terdahulu.

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

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

Penggilapan Mekanikal Kimia (CMP): Menghilangkan calar melalui ukiran kimia; sesuai untuk penggilapan jitu.

Pengukiran 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 penggilapan kimia sahaja boleh menyebabkan pengetsaan yang tidak sekata. CMP menggabungkan kedua-dua kelebihan dan menawarkan penyelesaian yang cekap dan kos efektif.

Prinsip Kerja CMP

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

Bahan utama yang digunakan:

Bubur penggilap: Mengandungi bahan pengkakis dan reagen kimia.

Pad penggilap: Haus semasa penggunaan, mengurangkan saiz liang dan kecekapan penghantaran buburan. Pembalut biasa, biasanya menggunakan pelapis berlian, diperlukan untuk memulihkan kekasaran.

Proses CMP Lazim

Bahan pelelas: buburan berlian 0.5 μm

Kekasaran permukaan sasaran: ~0.7 nm

Penggilapan Mekanikal Kimia:

Peralatan penggilap: Penggilap satu sisi AP-810

Tekanan: 200 g/cm²

Kelajuan plat: 50 rpm

Kelajuan pemegang seramik: 38 rpm

Komposisi buburan:

SiO₂ (30 wt%, pH = 10.15)

0–70 wt% H₂O₂ (30 wt%, gred reagen)

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

Kadar aliran buburan: 3 L/min, dikitar semula

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

Cabaran Teknikal dalam Penggilapan Mekanikal

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

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

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

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

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

Wafer yang lebih besar mengalami taburan tekanan yang lebih kompleks, lalu meningkatkan kesukaran untuk menguruskan tegasan penggilapan dan konsistensi hasil.

Walaupun ketebalan wafer 8 inci menghampiri ketebalan wafer 6 inci, ia lebih mudah rosak semasa pengendalian akibat tekanan dan lengkungan.

Untuk mengurangkan tekanan, lengkungan dan keretakan yang berkaitan dengan pemotongan, pemotongan laser semakin banyak digunakan. Walau bagaimanapun:

Laser panjang gelombang panjang menyebabkan kerosakan haba.

Laser panjang gelombang pendek menghasilkan serpihan berat dan memperdalam lapisan kerosakan, meningkatkan kerumitan penggilapan.

Alur Kerja Penggilapan Mekanikal untuk SiC

Aliran proses umum merangkumi:

Pemotongan orientasi

Pengisaran kasar

Pengisaran halus

Penggilapan mekanikal

Penggilapan Mekanikal Kimia (CMP) sebagai langkah terakhir

Pemilihan 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 epitaksi berkualiti tinggi.

(a) Keluarkan jongkong SiC daripada mangkuk pijar;

(b) Lakukan pembentukan awal menggunakan pengisaran diameter luar;

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

(d) Potong jongkong menjadi kepingan nipis menggunakan gergaji berbilang dawai;

(e) Capai kelicinan permukaan seperti cermin melalui langkah pengisaran dan penggilapan.

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

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

Rajah 3 menggambarkan aliran proses:

Pertama, lapisan delaminasi dibentuk 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 sokongan yang rata dan dikenakan tekanan dan haba. Ini membolehkan pemindahan dan pemisahan lapisan kristal tunggal SiC yang berjaya ke substrat sokongan.

Lapisan SiC yang diasingkan menjalani rawatan permukaan untuk mencapai kerataan yang diperlukan dan boleh digunakan semula dalam proses pengikatan berikutnya. Berbanding dengan penghirisan kristal SiC tradisional, teknik ini mengurangkan permintaan untuk bahan yang mahal. Walaupun cabaran teknikal masih wujud, penyelidikan dan pembangunan sedang giat maju untuk membolehkan pengeluaran wafer berkos rendah.

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

Untuk mencapai permukaan yang digilap berkualiti tinggi, adalah perlu untuk:

Laraskan jenis pelelas,

Kurangkan saiz zarah,

Mengoptimumkan parameter proses,

Pilih bahan dan pad penggilap dengan kekerasan yang mencukupi.

Rajah 7 menunjukkan bahawa penggilapan dua sisi dengan bahan pengkakis 1 μm dapat mengawal kerataan dan variasi ketebalan dalam lingkungan 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 pengukiran kimia untuk membentuk permukaan yang licin dan satah pada bahan yang sedang diproses. Prinsip asasnya ialah:

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

Geseran antara zarah-zarah kasar dan lapisan lembut akan menghilangkan bahan tersebut.

Kelebihan CMP:

Mengatasi kelemahan penggilapan mekanikal atau kimia semata-mata,

Mencapai kedua-dua planarisasi 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 terhadap pad penggilap di bawah tekanan.

Bahan pelelas berskala nanometer (contohnya, SiO₂) dalam buburan mengambil bahagian dalam penggundulan, melemahkan ikatan kovalen Si–C dan meningkatkan penyingkiran bahan.

Jenis-jenis Teknik CMP:

Penggilapan Abrasif Bebas: Bahan pelelas (contohnya, SiO₂) digantung dalam buburan. Penyingkiran bahan berlaku melalui lelasan tiga badan (wafer-pad-lelas). Saiz pelelas (biasanya 60–200 nm), pH dan suhu mesti dikawal dengan tepat untuk meningkatkan keseragaman.

Penggilapan Abrasif Tetap: Bahan pelelas dibenamkan dalam pad penggilap untuk mengelakkan penggumpalan—sesuai untuk pemprosesan berketepatan tinggi.

Pembersihan Selepas Penggilapan:

Wafer yang digilap menjalani:

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

Pembilasan air DI, dan

Pengeringan nitrogen panas

untuk meminimumkan pencemaran 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 ukiran yang 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 Penggilapan Baru Muncul Lain

Selain CMP, kaedah alternatif telah dicadangkan, termasuk:

Penggilapan elektrokimia, Penggilapan atau pengetsaan bantuan pemangkin, dan

Penggilapan tribokimia.

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

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

Teknologi Pemprosesan

Semasa peringkat pengisaran 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 penggilapan mekanikal dan kimia (CMP) untuk menghasilkan wafer silikon karbida (SiC) yang digilap bebas kerosakan.

Selepas digilap, 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 menghilangkan bahan cemar permukaan. Ia kemudiannya dikeringkan menggunakan gas nitrogen ketulenan ultra tinggi dan pengering putaran, melengkapkan keseluruhan proses pengeluaran.

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

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

Teori dan teknologi pemprosesan SiC antarabangsa dilindungi ketat dan sukar diakses.

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

Kos import peralatan dan komponen asing adalah tinggi.

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

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

Dengan pembangunan berterusan semikonduktor generasi ketiga, diameter substrat kristal tunggal SiC semakin meningkat, berserta 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.

Bagi menangani cabaran sedia ada dalam pemprosesan, adalah penting untuk mengkaji lebih lanjut mekanisme yang terlibat dalam pemotongan, pengisaran dan penggilapan, serta meneroka kaedah dan laluan proses yang sesuai untuk pembuatan wafer SiC. Pada masa yang sama, adalah perlu untuk belajar daripada teknologi pemprosesan antarabangsa yang canggih dan menerima pakai teknik dan peralatan pemesinan ultra jitu yang canggih untuk menghasilkan substrat berkualiti tinggi.

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