Otázka: Aké sú hlavné technológie používané pri krájaní a spracovaní SiC doštičiek?
A:Karbid kremíka (SiC) má druhú tvrdosť hneď po diamante a považuje sa za veľmi tvrdý a krehký materiál. Proces rezania, ktorý zahŕňa rezanie vypestovaných kryštálov na tenké plátky, je časovo náročný a náchylný na odštiepenie. Ako prvý krok vSiCPri spracovaní monokryštálov kvalita rezania významne ovplyvňuje následné brúsenie, leštenie a stenčovanie. Rezanie často spôsobuje povrchové a podpovrchové trhliny, čím sa zvyšuje miera lámania doštičiek a výrobné náklady. Preto je kontrola poškodenia povrchovými trhlinami počas rezania kľúčová pre pokrok vo výrobe SiC zariadení.
Medzi aktuálne uvádzané metódy rezania SiC patrí rezanie pevným abrazívom, rezanie voľným abrazívom, laserové rezanie, prenos vrstiev (studená separácia) a rezanie elektrickým výbojom. Spomedzi nich je najčastejšie používanou metódou spracovania monokryštálov SiC vratné viacdrôtové rezanie s pevnými diamantovými abrazívami. Avšak s pribúdajúcimi rozmermi ingotov s priemerom 8 palcov a viac sa tradičné drôtové pílenie stáva menej praktickým kvôli vysokým nárokom na zariadenia, nákladom a nízkej účinnosti. Existuje naliehavá potreba nízkonákladových, nízkostratových a vysokoúčinných technológií rezania.
Otázka: Aké sú výhody laserového rezania oproti tradičnému viacdrôtovému rezaniu?
A: Tradičné rezanie drôtom režeSiC ingotpozdĺž špecifického smeru na plátky hrubé niekoľko stoviek mikrónov. Plátky sa potom brúsia diamantovými suspenziami na odstránenie píl a poškodenia pod povrchom, po čom nasleduje chemicko-mechanické leštenie (CMP) na dosiahnutie globálnej planarizácie a nakoniec čistenie na získanie SiC doštičiek.
Avšak kvôli vysokej tvrdosti a krehkosti SiC môžu tieto kroky ľahko spôsobiť deformáciu, praskanie, zvýšenú mieru lámania, vyššie výrobné náklady a viesť k vysokej drsnosti povrchu a kontaminácii (prach, odpadová voda atď.). Okrem toho je rezanie drôtom pomalé a má nízky výťažok. Odhady ukazujú, že tradičné viacdrôtové rezanie dosahuje iba približne 50 % využitie materiálu a po leštení a brúsení sa stráca až 75 % materiálu. Prvé údaje o zahraničnej výrobe naznačovali, že výroba 10 000 doštičiek môže trvať približne 273 dní nepretržitej 24-hodinovej výroby – čo je veľmi časovo náročné.
Na domácom trhu sa mnoho spoločností zaoberajúcich sa rastom kryštálov SiC zameriava na zvyšovanie kapacity pecí. Namiesto len rozširovania produkcie je však dôležitejšie zvážiť, ako znížiť straty – najmä ak výťažnosť rastu kryštálov ešte nie je optimálna.
Zariadenie na laserové rezanie môže výrazne znížiť straty materiálu a zlepšiť výťažnosť. Napríklad použitie jedného 20 mmSiC ingotDrôtové rezanie môže priniesť približne 30 doštičiek s hrúbkou 350 μm. Laserové rezanie môže priniesť viac ako 50 doštičiek. Ak sa hrúbka doštičky zníži na 200 μm, z toho istého ingotu sa dá vyrobiť viac ako 80 doštičiek. Zatiaľ čo drôtové rezanie sa široko používa pre doštičky s priemerom 6 palcov a menej, rezanie 8-palcového SiC ingotu môže tradičnými metódami trvať 10 – 15 dní, čo si vyžaduje špičkové vybavenie a prináša vysoké náklady s nízkou účinnosťou. Za týchto podmienok sa výhody laserového rezania stávajú zrejmými, vďaka čomu sa stáva hlavnou technológiou budúcnosti pre 8-palcové doštičky.
Pri laserovom rezaní môže byť čas rezania na 8-palcový plátok menej ako 20 minút, pričom strata materiálu na plátok je menej ako 60 μm.
Stručne povedané, v porovnaní s viacdrôtovým rezaním ponúka laserové rezanie vyššiu rýchlosť, lepší výťažok, menšie straty materiálu a čistejšie spracovanie.
Otázka: Aké sú hlavné technické výzvy pri laserovom rezaní SiC?
A: Proces laserového rezania zahŕňa dva hlavné kroky: laserovú modifikáciu a oddelenie doštičiek.
Jadrom laserovej modifikácie je tvarovanie lúča a optimalizácia parametrov. Parametre ako výkon laseru, priemer bodu a rýchlosť skenovania ovplyvňujú kvalitu ablácie materiálu a úspešnosť následnej separácie doštičiek. Geometria modifikovanej zóny určuje drsnosť povrchu a náročnosť separácie. Vysoká drsnosť povrchu komplikuje neskoršie brúsenie a zvyšuje straty materiálu.
Po modifikácii sa oddelenie doštičiek zvyčajne dosahuje šmykovými silami, ako je napríklad lom za studena alebo mechanické namáhanie. Niektoré domáce systémy používajú ultrazvukové meniče na vyvolanie vibrácií na oddelenie, ale to môže spôsobiť odštiepenie a chyby na hranách, čo znižuje konečný výťažok.
Hoci tieto dva kroky nie sú samy o sebe náročné, nekonzistentnosť v kvalite kryštálov – v dôsledku rôznych rastových procesov, úrovní dopovania a rozloženia vnútorného napätia – významne ovplyvňuje náročnosť rezania, výťažnosť a stratu materiálu. Samotná identifikácia problémových oblastí a úprava laserových skenovacích zón nemusí podstatne zlepšiť výsledky.
Kľúčom k širokému prijatiu je vývoj inovatívnych metód a zariadení, ktoré sa dokážu prispôsobiť širokej škále kryštálových vlastností od rôznych výrobcov, optimalizácia procesných parametrov a budovanie laserových rezacích systémov s univerzálnou použiteľnosťou.
Otázka: Dá sa technológia laserového rezania použiť aj na iné polovodičové materiály okrem SiC?
A:Technológia laserového rezania sa historicky používala na širokú škálu materiálov. V polovodičoch sa pôvodne používala na rezanie doštičiek a odvtedy sa rozšírila na rezanie veľkých objemových monokryštálov.
Okrem SiC sa laserové rezanie môže použiť aj na iné tvrdé alebo krehké materiály, ako je diamant, nitrid gália (GaN) a oxid gália (Ga₂O₃). Predbežné štúdie týchto materiálov preukázali uskutočniteľnosť a výhody laserového rezania pre polovodičové aplikácie.
Otázka: Existujú v súčasnosti vyspelé domáce zariadenia na laserové rezanie? V akom štádiu je váš výskum?
A: Zariadenie na laserové rezanie SiC s veľkým priemerom sa všeobecne považuje za kľúčové zariadenie pre budúcnosť výroby 8-palcových SiC doštičiek. V súčasnosti môže takéto systémy dodať iba Japonsko a sú drahé a podliehajú vývozným obmedzeniam.
Domáci dopyt po laserových krájacích/stenčovacích systémoch sa odhaduje na približne 1 000 kusov, na základe plánov výroby SiC a existujúcej kapacity drôtových píl. Veľké domáce spoločnosti investovali značné prostriedky do vývoja, ale žiadne vyspelé, komerčne dostupné domáce zariadenie zatiaľ nedosiahlo priemyselné nasadenie.
Výskumné skupiny vyvíjajú vlastnú technológiu laserového odlepovania od roku 2001 a teraz ju rozšírili na laserové rezanie a stenčovanie SiC s veľkým priemerom. Vyvinuli prototyp systému a procesy rezania, ktoré sú schopné: Rezania a stenčovania poloizolačných SiC doštičiek s priemerom 4 – 6 palcov, Rezania vodivých SiC ingotov s priemerom 6 – 8 palcov. Referenčné hodnoty výkonu: Poloizolačný SiC s priemerom 6 – 8 palcov: čas rezania 10 – 15 minút/doštička; strata materiálu < 30 μm, Vodivý SiC s priemerom 6 – 8 palcov: čas rezania 14 – 20 minút/doštička; strata materiálu < 60 μm.
Odhadovaný výťažok doštičiek sa zvýšil o viac ako 50 %
Po narezaní spĺňajú doštičky po brúsení a leštení národné normy pre geometriu. Štúdie tiež ukazujú, že tepelné účinky vyvolané laserom významne neovplyvňujú napätie ani geometriu v doštičkách.
Rovnaké zariadenie sa použilo aj na overenie uskutočniteľnosti rezania monokryštálov diamantu, GaN a Ga₂O₃.
Čas uverejnenia: 23. mája 2025