K: Mitä ovat piikarbidikiekon viipaloinnissa ja käsittelyssä käytetyt tärkeimmät teknologiat?
A:Piikarbidi (SiC) on kovuudeltaan timantin jälkeen toiseksi kovin, ja sitä pidetään erittäin kovana ja hauraana materiaalina. Viipalointiprosessi, jossa kasvatetut kiteet leikataan ohuiksi kiekoiksi, on aikaa vievä ja altis lohkeilulle. Ensimmäisenä vaiheenapiikarbidiYksittäisten kiteiden prosessoinnissa viipaloinnin laatu vaikuttaa merkittävästi myöhempään hiontaan, kiillotukseen ja ohennukseen. Viipalointi aiheuttaa usein pinta- ja pinnanalaisia halkeamia, mikä lisää kiekkojen rikkoutumisastetta ja tuotantokustannuksia. Siksi pintahalkeamien vaurioiden hallinta viipaloinnin aikana on ratkaisevan tärkeää piikarbidikomponenttien valmistuksen edistämiseksi.
Tällä hetkellä raportoituihin piikarbidin (SiC) viipalointimenetelmiin kuuluvat kiinteähiontainen viipalointi, vapaahiontainen viipalointi, laserleikkaus, kerrossiirto (kylmäerotus) ja sähköpurkausviipalointi. Näistä edestakainen monilankainen viipalointi kiinteillä timanttihioma-aineilla on yleisimmin käytetty menetelmä piikarbidi-yksittäiskiteiden työstämiseen. Kuitenkin, kun harkkojen koko saavuttaa 8 tuumaa tai enemmän, perinteinen lankasahaus muuttuu vähemmän käytännölliseksi korkeiden laitevaatimusten, kustannusten ja alhaisen tehokkuuden vuoksi. Edullisille, vähän häviöllisille ja tehokkaille viipalointiteknologioille on kiireellinen tarve.
K: Mitä etuja laserleikkauksella on perinteiseen monilankaiseen leikkaukseen verrattuna?
A: Perinteinen lankasahaus leikkaaSiC-harkkotiettyä suuntaa pitkin useita satoja mikroneja paksuiksi viipaleiksi. Viipaleet hiotaan sitten timanttilietteillä sahausjälkien ja pinnan alla olevien vaurioiden poistamiseksi, minkä jälkeen ne kiillotetaan kemiallisesti mekaanisesti (CMP) globaalin tasoituksen saavuttamiseksi ja lopuksi puhdistetaan piikarbidilevyjen saamiseksi.
Piikarbidin suuren kovuuden ja haurauden vuoksi nämä vaiheet voivat kuitenkin helposti aiheuttaa vääntymistä, halkeilua, lisääntynyttä murtumisriskiä, korkeampia tuotantokustannuksia ja johtaa suureen pinnan karheuteen ja epäpuhtauksiin (pöly, jätevesi jne.). Lisäksi lankasahaus on hidasta ja saanto on alhainen. Arvioiden mukaan perinteisellä monilankaisella viipaloinnilla saavutetaan vain noin 50 % materiaalin hyödyntämisaste, ja jopa 75 % materiaalista menee hukkaan kiillotuksen ja hiomisen jälkeen. Varhaiset ulkomaiset tuotantotiedot osoittivat, että 10 000 kiekon tuottaminen voisi kestää noin 273 päivää jatkuvaa 24 tunnin tuotantoa – erittäin aikaa vievää.
Kotimaassa monet piikarbidikiteiden kasvatusyritykset keskittyvät uunikapasiteetin lisäämiseen. Pelkän tuotannon lisäämisen sijaan on kuitenkin tärkeämpää miettiä, miten häviöitä voidaan vähentää – varsinkin silloin, kun kiteiden kasvatussaannot eivät ole vielä optimaaliset.
Laserleikkauslaitteet voivat merkittävästi vähentää materiaalihävikkiä ja parantaa saantoa. Esimerkiksi käyttämällä yhtä 20 mm:nSiC-harkkoLankasahalla voidaan tuottaa noin 30 kiekkoa, joiden paksuus on 350 μm. Laserleikkauksella voidaan tuottaa yli 50 kiekkoa. Jos kiekon paksuus pienennetään 200 μm:iin, samasta harkosta voidaan tuottaa yli 80 kiekkoa. Vaikka lankasahalla sahataan laajalti 6 tuuman ja sitä pienempiä kiekkoja, 8 tuuman piikarbidiharkon viipalointi voi kestää perinteisillä menetelmillä 10–15 päivää, mikä vaatii huippuluokan laitteita ja aiheuttaa korkeita kustannuksia alhaisella tehokkuudella. Näissä olosuhteissa laserleikkauksen edut tulevat selkeiksi, ja siitä tulee tulevaisuuden valtavirtateknologia 8 tuuman kiekoille.
Laserleikkauksella 8-tuumaisen kiekon viipalointiaika voi olla alle 20 minuuttia ja kiekkokohtainen materiaalihävikki alle 60 μm.
Yhteenvetona voidaan todeta, että laserleikkaus tarjoaa monilankaiseen leikkaukseen verrattuna suuremman nopeuden, paremman saannon, pienemmän materiaalihävikin ja puhtaamman prosessoinnin.
K: Mitkä ovat piikarbidin laserleikkauksen suurimmat tekniset haasteet?
A: Laserleikkausprosessiin kuuluu kaksi päävaihetta: lasermuokkaus ja kiekkojen erottelu.
Lasermuokkauksen ydin on säteen muotoilu ja parametrien optimointi. Parametrit, kuten laserin teho, pisteen halkaisija ja skannausnopeus, vaikuttavat kaikki materiaalin ablaation laatuun ja sitä seuraavan kiekkojen erottelun onnistumiseen. Muokatun alueen geometria määrää pinnan karheuden ja erottelun vaikeuden. Suuri pinnan karheus vaikeuttaa myöhempää hiontaa ja lisää materiaalihävikkiä.
Modifioinnin jälkeen kiekkojen erotus saavutetaan tyypillisesti leikkausvoimien, kuten kylmämurtuman tai mekaanisen rasituksen, avulla. Joissakin kotitalousjärjestelmissä käytetään ultraääniantureita värähtelyjen aikaansaamiseksi erotusprosessissa, mutta tämä voi aiheuttaa lohkeilua ja reunavirheitä, mikä alentaa lopullista saantoa.
Vaikka nämä kaksi vaihetta eivät ole luonnostaan vaikeita, kiteiden laadun epäjohdonmukaisuudet – johtuen erilaisista kasvuprosesseista, seostustasoista ja sisäisistä jännitysjakaumista – vaikuttavat merkittävästi viipaloinnin vaikeuksiin, saantoon ja materiaalihävikkiin. Pelkkä ongelma-alueiden tunnistaminen ja laserskannausvyöhykkeiden säätäminen ei välttämättä paranna tuloksia olennaisesti.
Laajan käyttöönoton avain piilee innovatiivisten menetelmien ja laitteiden kehittämisessä, jotka soveltuvat laajaan valikoimaan eri valmistajien kidelaatuja, prosessiparametrien optimoinnissa ja laserleikkausjärjestelmien rakentamisessa, joilla on yleiskäyttöisyys.
K: Voidaanko laserleikkaustekniikkaa soveltaa muihin puolijohdemateriaaleihin kuin piikarbidiin?
A: Laserleikkaustekniikkaa on perinteisesti sovellettu monenlaisiin materiaaleihin. Puolijohteissa sitä käytettiin aluksi kiekkojen kuutiointiin, ja se on sittemmin laajentunut suurten yksittäiskiteiden viipalointiin.
Piikarbidin lisäksi laserleikkausta voidaan käyttää myös muiden kovien tai hauraiden materiaalien, kuten timantin, galliumnitridin (GaN) ja galliumoksidin (Ga₂O₃), työstämiseen. Näiden materiaalien alustavat tutkimukset ovat osoittaneet laserleikkauksen toteutettavuuden ja edut puolijohdesovelluksissa.
K: Onko tällä hetkellä olemassa kypsiä kotimaisia laserleikkauslaitteita? Missä vaiheessa tutkimuksesi on?
A: Suuriläpimittaisia piikarbidilasereilla varustettuja laitteita pidetään laajalti 8-tuumaisten piikarbidikiekkolevyjen tuotannon tulevaisuuden ydinlaitteistona. Tällä hetkellä vain Japani voi tarjota tällaisia järjestelmiä, ja ne ovat kalliita ja niihin sovelletaan vientirajoituksia.
Laserleikkaus-/ohennusjärjestelmien kotimaisen kysynnän arvioidaan olevan noin 1 000 yksikköä piikarbidin tuotantosuunnitelmien ja olemassa olevan lankasahakapasiteetin perusteella. Suuret kotimaiset yritykset ovat investoineet voimakkaasti kehitykseen, mutta mikään kypsä, kaupallisesti saatavilla oleva kotimainen laitteisto ei ole vielä saavuttanut teollista käyttöönottoa.
Tutkimusryhmät ovat kehittäneet omaa laserin nostotekniikkaansa vuodesta 2001 lähtien ja ovat nyt laajentaneet tätä suurten halkaisijoiden piikarbidin laserleikkaukseen ja ohennukseen. He ovat kehittäneet prototyyppijärjestelmän ja viipalointiprosessit, jotka pystyvät: Leikkaamaan ja ohentamaan 4–6 tuuman puolieristäviä piikarbidikiekkoja. Viipaloimaan 6–8 tuuman johtavia piikarbidiharkkoja. Suorituskykytavoitteet: 6–8 tuuman puolieristävä piikarbidi: viipalointiaika 10–15 minuuttia/kiekko; materiaalihävikki <30 μm. 6–8 tuuman johtava piikarbidi: viipalointiaika 14–20 minuuttia/kiekko; materiaalihävikki <60 μm.
Arvioitu kiekkosaanto kasvoi yli 50 %
Viipaloinnin jälkeen kiekot täyttävät kansalliset geometriastandardit hiomisen ja kiillotuksen jälkeen. Tutkimukset osoittavat myös, että laserin aiheuttamat lämpövaikutukset eivät vaikuta merkittävästi kiekkojen jännitykseen tai geometriaan.
Samaa laitteistoa on käytetty myös timantin, GaN:n ja Ga₂O₃:n yksittäiskiteiden viipaloinnin toteutettavuuden varmentamiseen.
Julkaisun aika: 23.5.2025