Súčasný stav a trendy technológie spracovania SiC doštičiek

Ako polovodičový substrátový materiál tretej generácie,karbid kremíka (SiC)Monokryštál má široké uplatnenie pri výrobe vysokofrekvenčných a vysokovýkonných elektronických zariadení. Technológia spracovania SiC zohráva rozhodujúcu úlohu pri výrobe vysokokvalitných substrátových materiálov. Tento článok predstavuje súčasný stav výskumu technológií spracovania SiC v Číne aj v zahraničí, analyzuje a porovnáva mechanizmy procesov rezania, brúsenia a leštenia, ako aj trendy v rovinnosti a drsnosti povrchu doštičiek. Poukazuje tiež na existujúce výzvy v spracovaní doštičiek SiC a diskutuje o budúcich smeroch vývoja.

Karbid kremíka (SiC)Doštičky sú kľúčovými základnými materiálmi pre polovodičové súčiastky tretej generácie a majú značný význam a trhový potenciál v oblastiach ako mikroelektronika, výkonová elektronika a polovodičové osvetlenie. Vďaka extrémne vysokej tvrdosti a chemickej stabiliteMonokryštály SiCTradičné metódy spracovania polovodičov nie sú na ich obrábanie úplne vhodné. Hoci mnoho medzinárodných spoločností vykonalo rozsiahly výskum technicky náročného spracovania monokryštálov SiC, príslušné technológie sú prísne dôverné.

V posledných rokoch Čína zvýšila úsilie vo vývoji monokryštálových materiálov a zariadení na báze SiC. Pokrok v technológii zariadení SiC v krajine je však v súčasnosti obmedzený obmedzeniami v technológiách spracovania a kvalite doštičiek. Preto je pre Čínu nevyhnutné zlepšiť kapacity spracovania SiC s cieľom zvýšiť kvalitu monokryštálových substrátov SiC a dosiahnuť ich praktické využitie a hromadnú výrobu.

Hlavné kroky spracovania zahŕňajú: rezanie → hrubé brúsenie → jemné brúsenie → hrubé leštenie (mechanické leštenie) → jemné leštenie (chemicko-mechanické leštenie, CMP) → kontrola.

Rezanie monokryštálov SiC

Pri spracovaníMonokryštály SiCRezanie je prvým a veľmi kritickým krokom. Prehnutie, deformácia a celková zmena hrúbky (TTV) doštičky, ktoré sú výsledkom procesu rezania, určujú kvalitu a účinnosť následných brúsnych a leštiacich operácií.

Rezné nástroje možno podľa tvaru rozdeliť na diamantové píly s vnútorným priemerom (ID), píly s vonkajším priemerom (OD), pásové píly a drôtové píly. Drôtové píly možno zase podľa typu pohybu rozdeliť na vratné a slučkové (nekonečné) drôtové systémy. Na základe mechanizmu rezania abrazíva možno techniky rezania drôtovou pílou rozdeliť na dva typy: rezanie voľným abrazívnym drôtom a pílenie diamantovým drôtom s pevným abrazívnym drôtom.

1.1 Tradičné metódy rezania

Hĺbka rezu píl s vonkajším priemerom (OD) je obmedzená priemerom kotúča. Počas rezania je kotúč náchylný na vibrácie a vychýlenie, čo má za následok vysokú hladinu hluku a nízku tuhosť. Píly s vnútorným priemerom (ID) používajú diamantové abrazíva na vnútornom obvode kotúča ako reznú hranu. Tieto kotúče môžu mať hrúbku len 0,2 mm. Počas rezania sa kotúč s vnútorným priemerom otáča vysokou rýchlosťou, zatiaľ čo rezaný materiál sa pohybuje radiálne vzhľadom na stred kotúča, čím sa rezanie dosahuje týmto relatívnym pohybom.

Diamantové pásové píly vyžadujú časté zastavovania a otáčania a rýchlosť rezania je veľmi nízka – zvyčajne nepresahuje 2 m/s. Tiež trpia značným mechanickým opotrebovaním a vysokými nákladmi na údržbu. Vzhľadom na šírku pílového kotúča nemôže byť polomer rezu príliš malý a viacvrstvové rezanie nie je možné. Tieto tradičné pílové nástroje sú obmedzené tuhosťou základne a nemôžu robiť zakrivené rezy alebo majú obmedzené polomery otáčania. Sú schopné iba rovných rezov, vytvárajú široké zárezy, majú nízku mieru klzu, a preto nie sú vhodné na rezanie.Kryštály SiC.

1.2 Viacdrôtové rezanie s abrazívnym drôtom zadarmo

Technika rezania drôtovou pílou s voľným abrazívnym materiálom využíva rýchly pohyb drôtu na vnášanie kalu do rezu, čo umožňuje odoberanie materiálu. Primárne využíva vratnú štruktúru a v súčasnosti je vyspelou a široko používanou metódou na efektívne rezanie viacerých doštičiek monokryštálového kremíka. Jej použitie pri rezaní SiC však bolo menej skúmané.

Drôtové píly s voľne abrazívnym rezom dokážu spracovávať doštičky s hrúbkou menšou ako 300 μm. Ponúkajú nízke straty v reze, zriedkavo spôsobujú odštiepenie a dosahujú relatívne dobrú kvalitu povrchu. Avšak kvôli mechanizmu odoberania materiálu – založenému na valcovaní a vtláčaní abrazív – má povrch doštičky tendenciu vytvárať značné zvyškové napätie, mikrotrhliny a hlbšie vrstvy poškodenia. To vedie k deformácii doštičky, sťažuje kontrolu presnosti profilu povrchu a zvyšuje zaťaženie pri následných krokoch spracovania.

Rezný výkon je silne ovplyvnený kalovou suspenziou; je potrebné udržiavať ostrosť abrazív a koncentráciu kalu. Spracovanie a recyklácia kalu sú nákladné. Pri rezaní veľkých ingotov majú abrazíva ťažkosti s prenikaním do hlbokých a dlhých rezov. Pri rovnakej veľkosti zrna abrazíva je strata rezu väčšia ako pri drôtových pílach s pevným abrazívom.

1.3 Pevná abrazívna diamantová drôtová píla Viacdrôtové rezanie

Diamantové drôtové píly s pevným abrazívnym povrchom sa zvyčajne vyrábajú zaliatím diamantových častíc na oceľový drôtený substrát galvanickým pokovovaním, spekaním alebo lepením živicou. Galvanicky pokovované diamantové drôtové píly ponúkajú výhody, ako sú užšie rezy, lepšia kvalita rezu, vyššia účinnosť, nižšia kontaminácia a schopnosť rezať materiály s vysokou tvrdosťou.

Vrátna galvanicky pokovovaná diamantová drôtová píla je v súčasnosti najpoužívanejšou metódou rezania SiC. Obrázok 1 (tu nie je zobrazený) znázorňuje rovinnosť povrchu SiC doštičiek rezaných touto technikou. S postupom rezania sa deformácia doštičky zväčšuje. Je to preto, že kontaktná plocha medzi drôtom a materiálom sa zväčšuje s pohybom drôtu smerom nadol, čím sa zvyšuje odpor a vibrácie drôtu. Keď drôt dosiahne maximálny priemer doštičky, vibrácie sú na vrchole, čo vedie k maximálnej deformácii.

V neskorších fázach rezania sa v dôsledku zrýchľovania drôtu, pohybu so stabilnou rýchlosťou, spomaľovania, zastavovania a spätného chodu, spolu s ťažkosťami pri odstraňovaní nečistôt chladiacou kvapalinou, kvalita povrchu doštičky zhoršuje. Spätný chod drôtu a kolísanie rýchlosti, ako aj veľké diamantové častice na drôte, sú hlavnými príčinami škrabancov na povrchu.

1.4 Technológia studenej separácie

Studená separácia monokryštálov SiC je inovatívny proces v oblasti spracovania polovodičových materiálov tretej generácie. V posledných rokoch pritiahol značnú pozornosť vďaka svojim pozoruhodným výhodám pri zvyšovaní výťažnosti a znižovaní strát materiálu. Technológiu možno analyzovať z troch hľadísk: princíp fungovania, priebeh procesu a základné výhody.

Stanovenie orientácie kryštálov a brúsenie vonkajšieho priemeru: Pred spracovaním sa musí určiť orientácia kryštálov SiC ingotu. Ingot sa potom vytvaruje do valcovej štruktúry (bežne nazývanej SiC puk) brúsením vonkajšieho priemeru. Tento krok kladie základ pre následné smerové rezanie a krájanie.

Viacdrôtové rezanie: Táto metóda využíva abrazívne častice v kombinácii s reznými drôtmi na rezanie valcového ingotu. Trpí však značnými stratami reznej reznej plochy a problémami s nerovnosťami povrchu.

Technológia laserového rezania: Laser sa používa na vytvorenie modifikovanej vrstvy v kryštáli, z ktorej je možné oddeliť tenké plátky. Tento prístup znižuje straty materiálu a zvyšuje efektivitu spracovania, čo z neho robí sľubný nový smer rezania SiC doštičiek.

Optimalizácia procesu rezania

Viacdrôtové rezanie s pevným abrazívnym drôtom: V súčasnosti je to bežná technológia, ktorá sa dobre hodí pre vysokú tvrdosť SiC.

Technológia elektroerozívneho obrábania (EDM) a studenej separácie: Tieto metódy poskytujú diverzifikované riešenia prispôsobené špecifickým požiadavkám.

Proces leštenia: Je nevyhnutné vyvážiť rýchlosť odoberania materiálu a poškodenie povrchu. Chemicko-mechanické leštenie (CMP) sa používa na zlepšenie rovnomernosti povrchu.

Monitorovanie v reálnom čase: Zavádzajú sa online inšpekčné technológie na monitorovanie drsnosti povrchu v reálnom čase.

Laserové rezanie: Táto technika znižuje straty v reze a skracuje cykly spracovania, hoci tepelne ovplyvnená zóna zostáva problémom.

Hybridné technológie spracovania: Kombinácia mechanických a chemických metód zvyšuje efektivitu spracovania.

Táto technológia už dosiahla priemyselné uplatnenie. Napríklad spoločnosť Infineon získala spoločnosť SILTECTRA a teraz vlastní kľúčové patenty podporujúce hromadnú výrobu 8-palcových doštičiek. V Číne spoločnosti ako Delong Laser dosiahli výstupnú účinnosť 30 doštičiek na ingot pri spracovaní 6-palcových doštičiek, čo predstavuje 40 % zlepšenie oproti tradičným metódam.

S rastúcim rastom výroby domácich zariadení sa očakáva, že táto technológia sa stane hlavným riešením pre spracovanie SiC substrátov. S rastúcim priemerom polovodičových materiálov sa tradičné metódy rezania stali zastaranými. Spomedzi súčasných možností vykazuje najsľubnejšie aplikačné vyhliadky technológia diamantovej píly s vratným pohybom. Rezanie laserom ako nová technika ponúka významné výhody a očakáva sa, že sa v budúcnosti stane primárnou metódou rezania.

2.Brúsenie monokryštálov SiC

Ako predstaviteľ polovodičov tretej generácie ponúka karbid kremíka (SiC) významné výhody vďaka širokej zakázanej zóne, vysokému prieraznému elektrickému poľu, vysokej rýchlosti driftu saturačných elektrónov a vynikajúcej tepelnej vodivosti. Vďaka týmto vlastnostiam je SiC obzvlášť výhodný vo vysokonapäťových aplikáciách (napr. v prostrediach s napätím 1200 V). Technológia spracovania substrátov SiC je základnou súčasťou výroby zariadení. Kvalita povrchu a presnosť substrátu priamo ovplyvňujú kvalitu epitaxnej vrstvy a výkon konečného zariadenia.

Primárnym účelom procesu brúsenia je odstrániť povrchové stopy po pílení a poškodené vrstvy vzniknuté počas rezania a korigovať deformácie spôsobené procesom rezania. Vzhľadom na extrémne vysokú tvrdosť SiC si brúsenie vyžaduje použitie tvrdých abrazív, ako je karbid bóru alebo diamant. Konvenčné brúsenie sa zvyčajne delí na hrubé brúsenie a jemné brúsenie.

2.1 Hrubé a jemné mletie

Brúsenie možno rozdeliť podľa veľkosti abrazívnych častíc:

Hrubé brúsenie: Používa väčšie abrazíva predovšetkým na odstránenie stôp po pílení a poškodených vrstiev vzniknutých počas rezania, čím sa zlepšuje účinnosť spracovania.

Jemné brúsenie: Používa jemnejšie abrazíva na odstránenie poškodenej vrstvy, ktorá zostala po hrubom brúsení, zníženie drsnosti povrchu a zlepšenie kvality povrchu.

Mnoho domácich výrobcov substrátov SiC používa veľkovýrobné procesy. Bežná metóda zahŕňa obojstranné brúsenie pomocou liatinovej dosky a monokryštalickej diamantovej suspenzie. Tento proces účinne odstraňuje poškodenú vrstvu po rezaní drôtom, koriguje tvar doštičky a znižuje TTV (celkovú variáciu hrúbky), prehnutie a deformáciu. Rýchlosť odoberania materiálu je stabilná, typicky dosahuje 0,8 – 1,2 μm/min. Výsledný povrch doštičky je však matný s relatívne vysokou drsnosťou – typicky okolo 50 nm – čo kladie vyššie nároky na následné kroky leštenia.

2.2 Jednostranné brúsenie

Jednostranné brúsenie spracováva vždy iba jednu stranu doštičky. Počas tohto procesu sa doštička navoskuje na oceľovú dosku. Pod tlakom sa substrát mierne deformuje a horný povrch sa sploští. Po brúsení sa spodný povrch zarovná. Po uvoľnení tlaku sa horný povrch zvyčajne vráti do pôvodného tvaru, čo ovplyvňuje aj už brúsený spodný povrch – spôsobuje deformáciu oboch strán a ich degradáciu v rovinnosti.

Okrem toho sa brúsna doska môže v krátkom čase vyduť, čo spôsobí vypuknutie doštičky. Na udržanie rovinnosti dosky je potrebné časté orovnávanie. Vzhľadom na nízku účinnosť a zlú rovinnosť doštičky nie je jednostranné brúsenie vhodné pre hromadnú výrobu.

Na jemné brúsenie sa zvyčajne používajú brúsne kotúče s priemerom #8000. V Japonsku je tento proces relatívne vyspelý a používajú sa dokonca leštiace kotúče s priemerom #30000. To umožňuje dosiahnuť drsnosť povrchu spracovaných doštičiek pod 2 nm, vďaka čomu sú doštičky pripravené na finálne CMP (chemicko-mechanické leštenie) bez dodatočného spracovania.

2.3 Technológia jednostranného riedenia

Technológia jednostranného stenčovania diamantom je nová metóda jednostranného brúsenia. Ako je znázornené na obrázku 5 (tu nie je zobrazený), proces využíva brúsnu dosku s diamantovou väzbou. Doštička sa fixuje pomocou vákuovej adsorpcie, pričom sa doštička aj diamantový brúsny kotúč otáčajú súčasne. Brúsny kotúč sa postupne pohybuje smerom nadol, aby sa doštička stenčila na cieľovú hrúbku. Po dokončení jednej strany sa doštička otočí, aby sa spracovala druhá strana.

Po zriedení môže 100 mm doštička dosiahnuť:

Oblúk < 5 μm

TTV < 2 μm

Drsnosť povrchu < 1 nm

Táto metóda spracovania jednotlivých doštičiek ponúka vysokú stabilitu, vynikajúcu konzistenciu a vysoký úber materiálu. V porovnaní s konvenčným obojstranným brúsením táto technika zlepšuje účinnosť brúsenia o viac ako 50 %.

2.4 Obojstranné brúsenie

Obojstranné brúsenie využíva horný aj spodný brúsny tanier na súčasné brúsenie oboch strán substrátu, čím sa zabezpečuje vynikajúca kvalita povrchu na oboch stranách.

Počas procesu brúsne dosky najprv vyvíjajú tlak na najvyššie body obrobku, čo spôsobuje deformáciu a postupné odoberanie materiálu v týchto bodoch. Ako sa najvyššie body vyrovnávajú, tlak na substrát sa postupne stáva rovnomernejším, čo vedie k rovnomernej deformácii po celom povrchu. To umožňuje rovnomerné brúsenie horného aj spodného povrchu. Po dokončení brúsenia a uvoľnení tlaku sa každá časť substrátu rovnomerne obnoví vďaka rovnakému tlaku, ktorému bola vystavená. To vedie k minimálnej deformácii a dobrej rovinnosti.

Drsnosť povrchu doštičky po brúsení závisí od veľkosti abrazívnych častíc – menšie častice vedú k hladším povrchom. Pri použití abrazív s veľkosťou 5 μm na obojstranné brúsenie je možné kontrolovať rovinnosť a zmenu hrúbky doštičky v rozmedzí 5 μm. Merania pomocou atómovej silovej mikroskopie (AFM) ukazujú drsnosť povrchu (Rq) približne 100 nm s brúsnymi jamkami hlbokými až 380 nm a viditeľnými lineárnymi stopami spôsobenými abrazívnym pôsobením.

Pokročilejšia metóda zahŕňa obojstranné brúsenie pomocou polyuretánových penových podložiek v kombinácii s polykryštalickou diamantovou suspenziou. Tento proces vytvára doštičky s veľmi nízkou drsnosťou povrchu, dosahujúcou Ra < 3 nm, čo je veľmi výhodné pre následné leštenie SiC substrátov.

Povrchové škrabanie však zostáva nevyriešeným problémom. Okrem toho sa polykryštalický diamant používaný v tomto procese vyrába explozívnou syntézou, ktorá je technicky náročná, prináša nízke množstvá a je extrémne drahá.

Leštenie monokryštálov SiC

Na dosiahnutie vysoko kvalitného lešteného povrchu na doštičkách z karbidu kremíka (SiC) je potrebné pri leštení úplne odstrániť brúsne jamky a nanometrové povrchové zvlnenie. Cieľom je vytvoriť hladký povrch bez defektov, kontaminácie alebo degradácie, bez poškodenia podpovrchu a bez zvyškového povrchového napätia.

3.1 Mechanické leštenie a CMP SiC doštičiek

Po vypestovaní ingotu monokryštálu SiC bránia povrchové defekty jeho priamemu použitiu na epitaxný rast. Preto je potrebné ďalšie spracovanie. Ingot sa najskôr vytvaruje do štandardného valcového tvaru zaoblením, potom sa nakrája na doštičky pomocou drôtového rezania a následne sa overí kryštalografická orientácia. Leštenie je kľúčovým krokom pri zlepšovaní kvality doštičiek, pričom sa rieši potenciálne poškodenie povrchu spôsobené defektmi rastu kryštálov a predchádzajúcimi krokmi spracovania.

Existujú štyri hlavné metódy na odstraňovanie povrchových poškodených vrstiev na SiC:

Mechanické leštenie: Jednoduché, ale zanecháva škrabance; vhodné na počiatočné leštenie.

Chemicko-mechanické leštenie (CMP): Odstraňuje škrabance chemickým leptaním; vhodné na presné leštenie.

Leptanie vodíkom: Vyžaduje si zložité vybavenie, bežne používané v procesoch HTCNVD.

Plazmové leštenie: Zložité a zriedkavo používané.

Mechanické leštenie má tendenciu spôsobovať škrabance, zatiaľ čo chemické leštenie môže viesť k nerovnomernému leptaniu. CMP kombinuje obe výhody a ponúka efektívne a nákladovo efektívne riešenie.

Princíp fungovania CMP

CMP funguje tak, že otáča doštičku pod stanoveným tlakom voči rotujúcej leštiacej podložke. Tento relatívny pohyb v kombinácii s mechanickým odieraním od nanočastíc v suspenzii a chemickým pôsobením reaktívnych činidiel dosahuje planarizáciu povrchu.

Kľúčové použité materiály:

Leštiaca kaša: Obsahuje abrazíva a chemické činidlá.

Leštiaca podložka: Počas používania sa opotrebúva, čím sa znižuje veľkosť pórov a účinnosť dodávania suspenzie. Na obnovenie drsnosti je potrebné pravidelné orovnávanie, zvyčajne diamantovým orovnávačom.

Typický proces CMP

Abrazívum: diamantová suspenzia s veľkosťou zrna 0,5 μm

Drsnosť cieľového povrchu: ~0,7 nm

Chemicko-mechanické leštenie:

Leštiace zariadenie: jednostranná leštička AP-810

Tlak: 200 g/cm²

Rýchlosť dosky: 50 ot./min.

Rýchlosť keramického držiaka: 38 ot./min.

Zloženie kalu:

SiO₂ (30 hmot. %, pH = 10,15)

0–70 hmot. % H₂O₂ (30 hmot. %, reagenčná kvalita)

Upravte pH na 8,5 pomocou 5 % hmotn. KOH a 1 % hmotn. HNO₃

Prietok kalu: 3 l/min, recirkulovaný

Tento proces účinne zlepšuje kvalitu SiC doštičiek a spĺňa požiadavky pre následné procesy.

Technické výzvy pri mechanickom leštení

SiC, ako polovodič so širokou zakázanou pásmovou medzerou, zohráva dôležitú úlohu v elektronickom priemysle. Vďaka vynikajúcim fyzikálnym a chemickým vlastnostiam sú monokryštály SiC vhodné pre extrémne prostredia, ako sú vysoké teploty, vysoké frekvencie, vysoký výkon a odolnosť voči žiareniu. Jeho tvrdá a krehká povaha však predstavuje veľké výzvy pri brúsení a leštení.

Keďže poprední svetoví výrobcovia prechádzajú zo 6-palcových na 8-palcové doštičky, problémy, ako je praskanie a poškodenie doštičiek počas spracovania, sa stávajú výraznejšími, čo výrazne ovplyvňuje výťažnosť. Riešenie technických výziev 8-palcových SiC substrátov je teraz kľúčovým meradlom pre pokrok v tomto odvetví.

V ére 8-palcových doštičiek čelí spracovanie SiC doštičiek mnohým výzvam:

Úprava mierky doštičiek je nevyhnutná na zvýšenie produkcie čipov na dávku, zníženie strát na hranách a zníženie výrobných nákladov – najmä vzhľadom na rastúci dopyt po aplikáciách v elektrických vozidlách.

Zatiaľ čo rast 8-palcových monokryštálov SiC dozrel, procesy, ako je brúsenie a leštenie, stále čelia úzkym miestam, čo vedie k nízkym výťažkom (iba 40 – 50 %).

Väčšie doštičky majú zložitejšie rozloženie tlaku, čo zvyšuje náročnosť riadenia leštiaceho napätia a konzistentnosti výťažku.

Hoci sa hrúbka 8-palcových doštičiek blíži hrúbke 6-palcových doštičiek, sú náchylnejšie na poškodenie počas manipulácie v dôsledku namáhania a deformácie.

Na zníženie napätia súvisiaceho s rezaním, deformácie a praskania sa čoraz častejšie používa laserové rezanie. Avšak:

Lasery s dlhou vlnovou dĺžkou spôsobujú tepelné poškodenie.

Krátkovlnné lasery generujú silné nečistoty a prehlbujú poškodenú vrstvu, čím zvyšujú zložitosť leštenia.

Pracovný postup mechanického leštenia SiC

Všeobecný postup procesu zahŕňa:

Orientačné rezanie

Hrubé mletie

Jemné mletie

Mechanické leštenie

Chemicko-mechanické leštenie (CMP) ako posledný krok

Výber metódy CMP, návrh procesnej trasy a optimalizácia parametrov sú kľúčové. Pri výrobe polovodičov je CMP určujúcim krokom pre výrobu SiC doštičiek s ultra hladkými, bezchybnými a poškodenými povrchmi, ktoré sú nevyhnutné pre vysokokvalitný epitaxný rast.

(a) Vyberte ingot SiC z téglika;

(b) Vykonajte počiatočné tvarovanie brúsením vonkajšieho priemeru;

(c) Určte orientáciu kryštálu pomocou zarovnávacích plošiek alebo zárezov;

(d) Nakrájajte ingot na tenké doštičky pomocou viacdrôtového rezania;

(e) Dosiahnuť zrkadlovú hladkosť povrchu brúsením a leštením.

Po dokončení série krokov spracovania sa vonkajší okraj SiC doštičky často zaostrí, čo zvyšuje riziko odštiepenia počas manipulácie alebo používania. Aby sa predišlo takejto krehkosti, je potrebné brúsenie hrán.

Okrem tradičných procesov rezania zahŕňa inovatívna metóda prípravy SiC doštičiek aj technológiu spájania. Tento prístup umožňuje výrobu doštičiek spojením tenkej vrstvy monokryštálov SiC s heterogénnym substrátom (nosným substrátom).

Obrázok 3 znázorňuje priebeh procesu:

Najprv sa na povrchu monokryštálu SiC v určenej hĺbke vytvorí delaminačná vrstva pomocou implantácie vodíkových iónov alebo podobných techník. Spracovaný monokryštál SiC sa potom naviaže na plochý nosný substrát a vystaví sa tlaku a teplu. To umožňuje úspešný prenos a oddelenie vrstvy monokryštálu SiC na nosný substrát.

Oddelená vrstva SiC prechádza povrchovou úpravou, aby sa dosiahla požadovaná rovinnosť, a možno ju opätovne použiť v následných procesoch spájania. V porovnaní s tradičným krájaním kryštálov SiC táto technika znižuje dopyt po drahých materiáloch. Hoci technické výzvy pretrvávajú, výskum a vývoj aktívne napredujú s cieľom umožniť výrobu doštičiek s nižšími nákladmi.

Vzhľadom na vysokú tvrdosť a chemickú stabilitu SiC, ktorá ho robí odolným voči reakciám pri izbovej teplote, je potrebné mechanické leštenie na odstránenie jemných brúsnych jamiek, zníženie poškodenia povrchu, odstránenie škrabancov, jamiek a defektov pomarančovej kôry, zníženie drsnosti povrchu, zlepšenie rovinnosti a zvýšenie kvality povrchu.

Na dosiahnutie vysoko kvalitného lešteného povrchu je potrebné:

Upravte typy abrazív,

Znížte veľkosť častíc,

Optimalizovať procesné parametre,

Vyberte leštiace materiály a podložky s dostatočnou tvrdosťou.

Obrázok 7 ukazuje, že obojstranné leštenie abrazívami s veľkosťou zrna 1 μm dokáže kontrolovať rovinnosť a kolísanie hrúbky v rozmedzí 10 μm a znížiť drsnosť povrchu na približne 0,25 nm.

3.2 Chemicko-mechanické leštenie (CMP)

Chemicko-mechanické leštenie (CMP) kombinuje abraziu ultrajemnými časticami s chemickým leptaním, čím sa na obrábanom materiáli vytvorí hladký, rovný povrch. Základný princíp je:

Medzi leštiacou suspenziou a povrchom doštičky dochádza k chemickej reakcii, ktorá vytvára mäkkú vrstvu.

Trenie medzi abrazívnymi časticami a mäkkou vrstvou odstraňuje materiál.

Výhody CMP:

Prekonáva nevýhody čisto mechanického alebo chemického leštenia,

Dosahuje globálnu aj lokálnu planarizáciu,

Vytvára povrchy s vysokou rovinnosťou a nízkou drsnosťou,

Nezanecháva žiadne povrchové ani podpovrchové poškodenia.

Podrobne:

Doštička sa pohybuje vzhľadom na leštiacu podložku pod tlakom.

Nanometrové abrazíva (napr. SiO₂) v suspenzii sa podieľajú na strihovom namáhaní, oslabujú kovalentné väzby Si-C a zlepšujú úber materiálu.

Typy techník CMP:

Leštenie voľným abrazívnym materiálom: Abrazíva (napr. SiO₂) sú suspendované v suspenzii. Odstraňovanie materiálu prebieha trojbodovým abrazívnym procesom (doštička-podložka-abrazívum). Veľkosť abrazíva (zvyčajne 60 – 200 nm), pH a teplota musia byť presne kontrolované, aby sa zlepšila rovnomernosť.

Leštenie pevným abrazívnym materiálom: Abrazíva sú zabudované do leštiacej podložky, aby sa zabránilo zhlukovaniu – ideálne pre vysoko presné spracovanie.

Čistenie po leštení:

Leštené oblátky podliehajú:

Chemické čistenie (vrátane odstraňovania deionizovanej vody a zvyškov kalu),

Oplachovanie deionizovanou vodou a

Sušenie horúcim dusíkom

aby sa minimalizovalo množstvo povrchových nečistôt.

Kvalita a výkon povrchu

Drsnosť povrchu je možné znížiť na Ra < 0,3 nm, čo spĺňa požiadavky na epitaxiu polovodičov.

Globálna planarizácia: Kombinácia chemického zmäkčovania a mechanického odstraňovania redukuje škrabance a nerovnomerné leptanie, čím prekonáva čisto mechanické alebo chemické metódy.

Vysoká účinnosť: Vhodné pre tvrdé a krehké materiály ako SiC, s rýchlosťou odoberania materiálu nad 200 nm/h.

Ďalšie vznikajúce techniky leštenia

Okrem CMP boli navrhnuté aj alternatívne metódy vrátane:

Elektrochemické leštenie, leštenie alebo leptanie s pomocou katalyzátora a

Tribochemické leštenie.

Tieto metódy sú však stále vo fáze výskumu a vyvíjajú sa pomaly kvôli náročným materiálovým vlastnostiam SiC.

Spracovanie SiC je v konečnom dôsledku postupný proces znižovania deformácie a drsnosti s cieľom zlepšiť kvalitu povrchu, pričom kontrola rovinnosti a drsnosti je v každej fáze kritická.

Technológia spracovania

Počas fázy brúsenia doštičky sa na brúsenie doštičky na požadovanú rovinnosť a drsnosť povrchu používa diamantová suspenzia s rôznymi veľkosťami častíc. Nasleduje leštenie mechanickými aj chemicko-mechanickými leštiacimi technikami (CMP) na výrobu leštených doštičiek z karbidu kremíka (SiC) bez poškodenia.

Po leštení prechádzajú SiC doštičky prísnou kontrolou kvality pomocou prístrojov, ako sú optické mikroskopy a röntgenové difraktometre, aby sa zabezpečilo, že všetky technické parametre spĺňajú požadované normy. Nakoniec sa leštené doštičky čistia pomocou špeciálnych čistiacich prostriedkov a ultračistej vody na odstránenie povrchových nečistôt. Následne sa sušia pomocou ultračistého dusíkového plynu a odstreďovačov, čím sa dokončuje celý výrobný proces.

Po rokoch úsilia sa v Číne dosiahol významný pokrok v spracovaní monokryštálov SiC. V domácom prostredí boli úspešne vyvinuté 100 mm dopované poloizolačné monokryštály 4H-SiC a monokryštály n-typu 4H-SiC a 6H-SiC je teraz možné vyrábať v dávkach. Spoločnosti ako TankeBlue a TYST už vyvinuli 150 mm monokryštály SiC.

Pokiaľ ide o technológiu spracovania SiC doštičiek, domáce inštitúcie predbežne preskúmali procesné podmienky a postupy pre krájanie, brúsenie a leštenie kryštálov. Sú schopné vyrobiť vzorky, ktoré v podstate spĺňajú požiadavky na výrobu zariadení. V porovnaní s medzinárodnými štandardmi však kvalita povrchového spracovania domácich doštičiek stále výrazne zaostáva. Existuje niekoľko problémov:

Medzinárodné teórie a technológie spracovania SiC sú prísne chránené a nie sú ľahko dostupné.

Chýba teoretický výskum a podpora pre zlepšovanie a optimalizáciu procesov.

Náklady na dovoz zahraničných zariadení a komponentov sú vysoké.

Domáci výskum v oblasti návrhu zariadení, presnosti spracovania a materiálov stále vykazuje značné rozdiely v porovnaní s medzinárodnou úrovňou.

V súčasnosti sa väčšina vysoko presných prístrojov používaných v Číne dováža. Testovacie zariadenia a metodiky si tiež vyžadujú ďalšie zlepšenie.

S pokračujúcim vývojom polovodičov tretej generácie sa priemer substrátov monokryštálov SiC neustále zvyšuje spolu s vyššími požiadavkami na kvalitu povrchového spracovania. Technológia spracovania doštičiek sa stala jedným z technicky najnáročnejších krokov po raste monokryštálov SiC.

Na riešenie existujúcich výziev v oblasti spracovania je nevyhnutné ďalej študovať mechanizmy rezania, brúsenia a leštenia a preskúmať vhodné procesné metódy a postupy výroby SiC doštičiek. Zároveň je potrebné učiť sa z pokročilých medzinárodných technológií spracovania a prijímať najmodernejšie techniky a zariadenia ultra presného obrábania na výrobu vysoko kvalitných substrátov.

S rastúcou veľkosťou doštičiek sa zvyšuje aj náročnosť rastu a spracovania kryštálov. Výrazne sa však zlepšuje výrobná efektivita následných zariadení a znižujú sa jednotkové náklady. V súčasnosti hlavní dodávatelia SiC doštičiek na celom svete ponúkajú produkty s priemerom od 4 do 6 palcov. Popredné spoločnosti ako Cree a II-VI už začali plánovať vývoj výrobných liniek na 8-palcové SiC doštičky.