Piikarbidikiekkoteknologian nykytila ​​ja trendit

Kolmannen sukupolven puolijohdemateriaalinapiikarbidi (SiC)Yksittäisellä kiteellä on laajat sovellusmahdollisuudet korkeataajuisten ja tehokkaiden elektronisten laitteiden valmistuksessa. Piikarbidin (SiC) prosessointiteknologialla on ratkaiseva rooli korkealaatuisten alustamateriaalien tuotannossa. Tässä artikkelissa esitellään piikarbidin prosessointiteknologioiden nykytutkimusta sekä Kiinassa että ulkomailla, analysoidaan ja vertaillaan leikkaus-, hionta- ja kiillotusprosessien mekanismeja sekä kiekkojen tasaisuuden ja pinnan karheuden trendejä. Se tuo esiin myös piikarbidikiekojen prosessoinnin nykyiset haasteet ja keskustelee tulevista kehityssuunnista.

Piikarbidi (SiC)kiekot ovat kriittisiä perusmateriaaleja kolmannen sukupolven puolijohdelaitteille, ja niillä on merkittävä merkitys ja markkinapotentiaali esimerkiksi mikroelektroniikassa, tehoelektroniikassa ja puolijohdevalaistuksessa. Erittäin suuren kovuuden ja kemiallisen stabiilisuuden ansiostaSiC-yksittäiskiteetperinteiset puolijohteiden työstömenetelmät eivät kuitenkaan täysin sovellu niiden työstöön. Vaikka monet kansainväliset yritykset ovat tehneet laajoja tutkimuksia piikarbidi-yksittäiskiteiden teknisesti vaativasta työstämisestä, asiaankuuluvat teknologiat pidetään ehdottoman luottamuksellisina.

Viime vuosina Kiina on lisännyt ponnistelujaan piikarbidi-yksikidemateriaalien ja -laitteiden kehittämiseksi. Piikarbidilaiteteknologian kehitystä maassa kuitenkin rajoittavat tällä hetkellä prosessointiteknologioiden ja kiekkojen laadun rajoitukset. Siksi on tärkeää, että Kiina parantaa piikarbidin prosessointikykyään parantaakseen piikarbidi-yksikidealustojen laatua ja saavuttaakseen niiden käytännön sovellukset ja massatuotannon.

Pääasialliset käsittelyvaiheet ovat: leikkaus → karkea hionta → hienohionta → karkea kiillotus (mekaaninen kiillotus) → hienokiillotus (kemiallinen mekaaninen kiillotus, CMP) → tarkastus.

SiC-yksittäiskiteiden leikkaus

KäsittelyssäSiC-yksittäiskiteetLeikkaus on ensimmäinen ja erittäin kriittinen vaihe. Leikkausprosessista johtuva kiekon kaarevuus, käyristyminen ja kokonaispaksuuden vaihtelu (TTV) määräävät seuraavien hionta- ja kiillotustoimenpiteiden laadun ja tehokkuuden.

Leikkaustyökalut voidaan luokitella muodon mukaan timanttisahoihin, ulkohalkaisijaltaan (OD) oleviin timanttisahoihin, vannesahoihin ja lankasahoihin. Lankasahat voidaan puolestaan ​​luokitella liiketyypinsä mukaan edestakaisin liikkuviin ja silmukka- (päättymättömiin) lankajärjestelmiin. Hioma-aineen leikkausmekanismin perusteella lankasahaustekniikat voidaan jakaa kahteen tyyppiin: vapaasti abrasiivisella lankasahalla ja kiinteästi abrasiivisella timanttisahalla.

1.1 Perinteiset leikkausmenetelmät

Ulkohalkaisijaltaan (OD) olevien sahojen leikkaussyvyyttä rajoittaa terän halkaisija. Leikkausprosessin aikana terä on altis tärinälle ja poikkeamille, mikä johtaa korkeaan melutasoon ja huonoon jäykkyyteen. Sisähalkaisijaltaan (ID) olevissa sahoissa käytetään timanttihioma-aineita terän sisäkehällä leikkausreunana. Nämä terät voivat olla jopa 0,2 mm paksuisia. Viipaloinnin aikana sisähalkaisijaterä pyörii suurella nopeudella, kun leikattava materiaali liikkuu säteittäisesti terän keskipisteeseen nähden, jolloin viipalointi saavutetaan tämän suhteellisen liikkeen avulla.

Timanttivannesahat vaativat usein pysähdyksiä ja peruutuksia, ja leikkausnopeus on hyvin alhainen – tyypillisesti enintään 2 m/s. Ne kärsivät myös merkittävästä mekaanisesta kulumisesta ja korkeista ylläpitokustannuksista. Sahanterän leveyden vuoksi leikkaussäde ei voi olla liian pieni, eikä monileikkaus ole mahdollista. Näitä perinteisiä sahaustyökaluja rajoittaa pohjan jäykkyys, eivätkä ne pysty tekemään kaarevia leikkauksia tai niiden kääntösäteet ovat rajoitettuja. Ne pystyvät vain suoriin leikkauksiin, tuottavat leveitä uria, niillä on alhainen saanto, eivätkä ne siksi sovellu leikkaamiseen.SiC-kiteet.

1.2 Vapaa hiomalankasaha monilankaiseen leikkaukseen

Vapaasti abrasiivisessa lankasahaustekniikassa käytetään langan nopeaa liikettä lietteen kuljettamiseen uraan, mikä mahdollistaa materiaalin poiston. Siinä käytetään pääasiassa edestakaisin liikkuvaa rakennetta, ja se on tällä hetkellä kypsä ja laajalti käytetty menetelmä yksikiteisen piin tehokkaaseen monikiekkojen leikkaukseen. Sen soveltamista piikarbidin leikkauksessa on kuitenkin tutkittu vähemmän laajasti.

Vapaasti hiottavat lankasahat voivat käsitellä alle 300 μm:n paksuisia kiekkoja. Ne tarjoavat pienen leikkaushävikin, aiheuttavat harvoin lohkeilua ja johtavat suhteellisen hyvään pinnanlaatuun. Materiaalinpoistomekanismin – joka perustuu hioma-aineiden valssaukseen ja sisennykseen – vuoksi kiekon pintaan kuitenkin kehittyy helposti merkittävää jäännösjännitystä, mikrohalkeamia ja syvempiä vauriokerroksia. Tämä johtaa kiekon vääntymiseen, vaikeuttaa pintaprofiilin tarkkuuden hallintaa ja lisää seuraavien käsittelyvaiheiden kuormitusta.

Leikkaustehoon vaikuttaa merkittävästi liete; on välttämätöntä ylläpitää hioma-aineiden terävyyttä ja lietteen pitoisuutta. Lietteen käsittely ja kierrätys ovat kalliita. Suurikokoisia harkkoja leikattaessa hioma-aineilla on vaikeuksia tunkeutua syviin ja pitkiin uurteisiin. Samalla hiomajyväkoolla uurtohävikki on suurempi kuin kiinteällä lankasahalla.

1.3 Kiinteä hioma-timanttisaha monilankaisella leikkauksella

Kiinteät hioma-timanttisahat valmistetaan tyypillisesti upottamalla timanttihiukkasia teräslanka-alustalle galvanointi-, sintraus- tai hartsisidosmenetelmillä. Galvanoiduilla timanttisahoilla on etuja, kuten kapeammat leikkausraot, parempi viipaleiden laatu, korkeampi tehokkuus, vähemmän kontaminaatiota ja kyky leikata erittäin kovia materiaaleja.

Edestakaisin liikkuva galvanoitu timanttilankasaha on tällä hetkellä yleisimmin käytetty menetelmä piikarbidin leikkaamiseen. Kuva 1 (ei esitetty tässä) havainnollistaa tällä tekniikalla leikattujen piikarbidikiekkojen pinnan tasaisuutta. Leikkauksen edetessä kiekon käyristyminen kasvaa. Tämä johtuu siitä, että langan ja materiaalin välinen kosketuspinta-ala kasvaa langan liikkuessa alaspäin, mikä lisää vastusta ja langan värähtelyä. Kun lanka saavuttaa kiekon suurimman halkaisijan, värähtely on huipussaan, mikä johtaa maksimaaliseen käyristymiseen.

Leikkausprosessin myöhemmissä vaiheissa kiekon pinnan laatu heikkenee langan kiihdytyksen, vakaan nopeuden liikkeen, hidastuksen, pysähdyksen ja suunnanvaihdon sekä jäähdytysnesteen aiheuttaman roskien poiston vaikeuksien vuoksi. Langan suunnanvaihto ja nopeuden vaihtelut sekä langassa olevat suuret timanttihiukkaset ovat pinnan naarmujen pääasiallisia syitä.

1.4 Kylmäerottelutekniikka

Piikarbidi-yksittäiskiteiden kylmäerotus on innovatiivinen prosessi kolmannen sukupolven puolijohdemateriaalien prosessoinnin alalla. Viime vuosina se on herättänyt merkittävää huomiota huomattavien etujensa ansiosta saannon parantamisessa ja materiaalihävikin vähentämisessä. Teknologiaa voidaan analysoida kolmesta näkökulmasta: toimintaperiaate, prosessivirta ja keskeiset edut.

Kiteen suunnan määritys ja ulkohalkaisijan hionta: Ennen prosessointia piikarbidiharkon kidesuunta on määritettävä. Harkko muotoillaan sitten sylinterimäiseksi rakenteeksi (yleisesti kutsutaan piikarbidikiekoksi) ulkohalkaisijan hiomalla. Tämä vaihe luo pohjan myöhemmälle suuntaleikkaukselle ja viipaloinnille.

Monilankaleikkaus: Tässä menetelmässä käytetään hiomahiukkasia yhdessä leikkauslankojen kanssa sylinterimäisen valanteen leikkaamiseen. Se kärsii kuitenkin merkittävästä leikkausraon menetyksestä ja pinnan epätasaisuudesta.

Laserleikkaustekniikka: Laseria käytetään muodostamaan kiteen sisään modifioitu kerros, josta voidaan irrottaa ohuita viipaleita. Tämä lähestymistapa vähentää materiaalihävikkiä ja parantaa prosessoinnin tehokkuutta, mikä tekee siitä lupaavan uuden suunnan piikarbidilevyjen leikkaukselle.

Leikkausprosessin optimointi

Kiinteähiontainen monilankaleikkaus: Tämä on tällä hetkellä valtavirtatekniikka, joka sopii hyvin piikarbidin (SiC) kovuuden ominaisuuksiin.

Sähkökipinätyöstö (EDM) ja kylmäerottelutekniikka: Nämä menetelmät tarjoavat monipuolisia ratkaisuja, jotka on räätälöity erityisvaatimuksiin.

Kiillotusprosessi: On tärkeää tasapainottaa materiaalinpoistonopeus ja pinnan vauriot. Kemiallis-mekaanista kiillotusta (CMP) käytetään pinnan tasaisuuden parantamiseksi.

Reaaliaikainen valvonta: Pinnan karheuden valvontaan reaaliajassa otetaan käyttöön online-tarkastustekniikoita.

Laserleikkaus: Tämä tekniikka vähentää leikkausraon menetystä ja lyhentää käsittelysyklejä, vaikka lämpövaikutusalue on edelleen haaste.

Hybridikäsittelytekniikat: Mekaanisten ja kemiallisten menetelmien yhdistäminen parantaa käsittelyn tehokkuutta.

Tätä teknologiaa on jo sovellettu teollisesti. Esimerkiksi Infineon osti SILTECTRAn ja sillä on nyt ydinpatentteja, jotka tukevat 8-tuumaisten kiekkojen massatuotantoa. Kiinassa yritykset, kuten Delong Laser, ovat saavuttaneet 30 kiekon tuotantotehokkuuden harkkoa kohden 6-tuumaisten kiekkojen prosessoinnissa, mikä on 40 %:n parannus perinteisiin menetelmiin verrattuna.

Kotimaisen laitevalmistuksen kiihtyessä tästä teknologiasta odotetaan tulevan valtavirtaratkaisu piikarbidi-substraattien käsittelyyn. Puolijohdemateriaalien halkaisijan kasvaessa perinteiset leikkausmenetelmät ovat vanhentuneet. Nykyisistä vaihtoehdoista edestakaisin liikkuva timanttilankasahaustekniikka näyttää lupaavimmilta sovellusmahdollisuuksilta. Laserleikkaus nousevana tekniikkana tarjoaa merkittäviä etuja, ja sen odotetaan tulevan ensisijaiseksi leikkausmenetelmäksi tulevaisuudessa.

2,SiC-yksittäiskiteen hionta

Kolmannen sukupolven puolijohteiden edustajana piikarbidi (SiC) tarjoaa merkittäviä etuja laajan energiavyön, suuren läpilyöntisähkökentän, korkean kyllästyselektronien ajautumisnopeuden ja erinomaisen lämmönjohtavuuden ansiosta. Nämä ominaisuudet tekevät piikarbidista erityisen edullisen korkeajännitesovelluksissa (esim. 1200 V:n ympäristöissä). Piikarbidisubstraattien prosessointitekniikka on olennainen osa laitteiden valmistusta. Substraatin pinnan laatu ja tarkkuus vaikuttavat suoraan epitaksiaalikerroksen laatuun ja lopullisen laitteen suorituskykyyn.

Hiontaprosessin ensisijainen tarkoitus on poistaa pinnan sahausjäljet ​​ja viipaloinnin aikana syntyneet vauriokerrokset sekä korjata leikkausprosessin aiheuttama muodonmuutos. Piikarbidin erittäin suuren kovuuden vuoksi hiominen vaatii kovien hioma-aineiden, kuten boorikarbidin tai timantin, käyttöä. Perinteinen hionta jaetaan tyypillisesti karkeahiontaan ja hienohiontaan.

2.1 Karkea ja hieno jauhatus

Hionta voidaan luokitella hiomahiukkasten koon perusteella:

Karkea hionta: Käyttää suurempia hioma-aineita ensisijaisesti sahausjälkien ja viipaloinnin aikana syntyneiden vauriokerrosten poistamiseen, mikä parantaa käsittelytehokkuutta.

Hienohionta: Käyttää hienompia hioma-aineita karkean hionnan aiheuttaman vauriokerroksen poistamiseen, pinnan karheuden vähentämiseen ja pinnan laadun parantamiseen.

Monet kotimaiset piikarbidialustojen valmistajat käyttävät laajamittaisia ​​tuotantoprosesseja. Yleinen menetelmä on kaksipuolinen hionta valurautalevyllä ja monokiteisellä timanttilietteellä. Tämä prosessi poistaa tehokkaasti lankasahauksen jättämän vauriokerroksen, korjaa kiekon muodon ja vähentää kokonaispaksuuden vaihtelua (TTV), kaarevuutta ja käyristymistä. Materiaalinpoistonopeus on vakaa ja tyypillisesti 0,8–1,2 μm/min. Tuloksena oleva kiekon pinta on kuitenkin matta ja suhteellisen karhea – tyypillisesti noin 50 nm – mikä asettaa suurempia vaatimuksia seuraaville kiillotusvaiheille.

2.2 Yksipuolinen hionta

Yksipuolisessa hionnassa käsitellään vain kiekon toista puolta kerrallaan. Tämän prosessin aikana kiekko kiinnitetään vahalla teräslevyyn. Paineen vaikutuksesta alustaan ​​tulee hieman muodonmuutosta ja yläpinta litistyy. Hiomisen jälkeen alapinta tasoittuu. Kun paine poistetaan, yläpinta palautuu alkuperäiseen muotoonsa, mikä vaikuttaa myös jo hiottuun alapintaan – aiheuttaen molempien puolien vääntymisen ja tasaisuuden heikkenemisen.

Lisäksi hiomalevy voi kovertua lyhyessä ajassa, jolloin kiekosta tulee kupera. Levyn tasaisuuden ylläpitämiseksi tarvitaan usein toistuvaa hiontaa. Alhaisen hyötysuhteen ja kiekon heikon tasaisuuden vuoksi yksipuolinen hionta ei sovellu massatuotantoon.

Hienohiontaan käytetään tyypillisesti #8000-hiomalaikkoja. Japanissa tämä prosessi on suhteellisen kehittynyt ja käyttää jopa #30000-kiillotuslaikkoja. Tämä mahdollistaa käsiteltyjen kiekkojen pinnan karheuden laskemisen alle 2 nm:iin, jolloin kiekot ovat valmiita lopulliseen CMP:hen (kemialliseen mekaaniseen kiillotukseen) ilman lisäkäsittelyä.

2.3 Yksipuolinen harvennustekniikka

Timanttihiontatekniikka on uudenlainen menetelmä yksipuoliseen hiomiseen. Kuten kuvassa 5 (ei esitetty tässä) on esitetty, prosessissa käytetään timanttisidottua hiomalevyä. Kiekko kiinnitetään tyhjiöadsorptiolla, ja sekä kiekko että timanttihiomalaikka pyörivät samanaikaisesti. Hiomalaikka liikkuu vähitellen alaspäin ohentaakseen kiekkoa tavoitepaksuuteen. Kun toinen puoli on valmis, kiekko käännetään toisen puolen käsittelemiseksi.

Ohennuksen jälkeen 100 mm:n kiekolla voidaan saavuttaa:

Keula < 5 μm

TTV < 2 μm

Pinnan karheus < 1 nm

Tämä yhden kiekon käsittelymenetelmä tarjoaa korkean vakauden, erinomaisen tasaisuuden ja suuren materiaalinpoistonopeuden. Perinteiseen kaksipuoliseen hiontaan verrattuna tämä tekniikka parantaa hiontatehokkuutta yli 50 %.

2.4 Kaksipuolinen hionta

Kaksipuolisessa hionnassa käytetään sekä ylempää että alempaa hiomalevyä alustan molempien puolien samanaikaiseen hiomiseen, mikä varmistaa erinomaisen pinnanlaadun molemmilta puolilta.

Prosessin aikana hiomalevyt kohdistavat ensin painetta työkappaleen korkeimpiin kohtiin, mikä aiheuttaa muodonmuutosta ja asteittaista materiaalin poistoa näistä kohdista. Kun korkeimmat kohdat tasoittuvat, alustaan ​​kohdistuva paine tasoittuu vähitellen, mikä johtaa yhtenäiseen muodonmuutokseen koko pinnalla. Tämä mahdollistaa sekä ylä- että alapintojen tasaisen hiomisen. Kun hionta on valmis ja paine vapautetaan, alustan jokainen osa palautuu tasaisesti saman paineen ansiosta. Tämä johtaa minimaaliseen vääntymiseen ja hyvään tasomaisuuteen.

Kiekon pinnan karheus hiomisen jälkeen riippuu hioma-aineen hiukkaskoosta – pienemmät hiukkaset tuottavat tasaisempia pintoja. Kun käytetään 5 μm:n hioma-aineita kaksipuolisessa hionnassa, kiekon tasaisuutta ja paksuuden vaihtelua voidaan säätää 5 μm:n tarkkuudella. Atomivoimamikroskopia (AFM) -mittaukset osoittavat noin 100 nm:n pinnan karheuden (Rq), jossa on jopa 380 nm:n syvyisiä hiomakuoppia ja näkyviä lineaarisia jälkiä, jotka johtuvat hiomavaikutuksesta.

Kehittyneempi menetelmä käsittää kaksipuolisen hiomisen polyuretaanivaahtotyynyillä ja polykiteisellä timanttilietteellä. Tämä prosessi tuottaa kiekkoja, joilla on erittäin alhainen pinnan karheus, saavuttaen Ra < 3 nm:n, mikä on erittäin hyödyllistä piikarbidialustojen myöhempää kiillotusta varten.

Pinnan naarmuuntuminen on kuitenkin edelleen ratkaisematon ongelma. Lisäksi tässä prosessissa käytetty polykiteinen timantti tuotetaan räjähdyssynteesillä, mikä on teknisesti haastavaa, tuottaa pieniä määriä ja on erittäin kallista.

SiC-yksittäiskiteiden kiillotus

Piikarbidi- (SiC) kiekkojen korkealaatuisen kiillotetun pinnan saavuttamiseksi kiillotuksen on poistettava kokonaan hiontakuopat ja nanometrin kokoiset pinnan epätasaisuudet. Tavoitteena on tuottaa sileä, virheetön pinta, jossa ei ole kontaminaatiota tai hajoamista, ei pinnan alla olevia vaurioita eikä jäännösjännitystä.

3.1 Piikarbidikiekoiden mekaaninen kiillotus ja CMP

SiC-yksittäiskristalliharkon kasvatuksen jälkeen pintavirheet estävät sen suoran käytön epitaksiaaliseen kasvatukseen. Siksi tarvitaan lisäkäsittelyä. Harkko muotoillaan ensin standardiseksi sylinterimäiseksi muodoksi pyöristämällä, sitten se leikataan kiekoiksi lankaleikkauksella, minkä jälkeen kristallografinen orientaatio tarkistetaan. Kiillotus on kriittinen vaihe kiekkojen laadun parantamisessa, sillä se korjaa kiteenkasvuvirheiden ja aiempien käsittelyvaiheiden aiheuttamia mahdollisia pintavaurioita.

Piikarbidin pintavauriokerrosten poistamiseen on neljä päämenetelmää:

Mekaaninen kiillotus: Yksinkertainen, mutta jättää naarmuja; sopii alkukiillotukseen.

Kemiallinen mekaaninen kiillotus (CMP): Poistaa naarmut kemiallisen syövytyksen avulla; soveltuu tarkkuuskiillotukseen.

Vetyetsaus: Vaatii monimutkaisia ​​laitteita, joita käytetään yleisesti HTCVD-prosesseissa.

Plasma-avusteinen kiillotus: Monimutkainen ja harvoin käytetty.

Mekaaninen kiillotus aiheuttaa usein naarmuja, kun taas kemiallinen kiillotus voi johtaa epätasaiseen syövytykseen. CMP yhdistää molemmat edut ja tarjoaa tehokkaan ja kustannustehokkaan ratkaisun.

CMP:n toimintaperiaate

CMP toimii pyörittämällä kiekkoa asetetun paineen alaisena pyörivää kiillotustyynyä vasten. Tämä suhteellinen liike yhdistettynä lietteen nanokokoisten hioma-aineiden mekaaniseen hankaukseen ja reaktiivisten aineiden kemialliseen toimintaan saavuttaa pinnan tasoittumisen.

Käytetyt tärkeimmät materiaalit:

Kiillotusliete: Sisältää hioma-aineita ja kemiallisia reagensseja.

Kiillotustyyny: Kuluu käytön aikana, mikä pienentää huokoskokoa ja lietteen levitystehokkuutta. Karheuden palauttamiseksi tarvitaan säännöllistä hiontaa, tyypillisesti timanttihiomakoneella.

Tyypillinen CMP-prosessi

Hioma-aine: 0,5 μm timanttihiekka

Kohdepinnan karheus: ~0,7 nm

Kemiallinen mekaaninen kiillotus:

Kiillotuslaitteet: AP-810 yksipuolinen kiillotuskone

Paine: 200 g/cm²

Levyn nopeus: 50 rpm

Keraamisen pidikkeen nopeus: 38 rpm

Lietteen koostumus:

SiO₂ (30 painoprosenttia, pH = 10,15)

0–70 painoprosenttia H₂O₂ (30 painoprosenttia, reagenssilaatuinen)

Säädä pH arvoon 8,5 käyttämällä 5 painoprosenttia KOH:ta ja 1 painoprosenttia HNO₃:ta

Lietteen virtausnopeus: 3 l/min, kierrätetty

Tämä prosessi parantaa tehokkaasti piikarbidikiekon laatua ja täyttää jatkoprosessien vaatimukset.

Mekaanisen kiillotuksen tekniset haasteet

Laajan energiavyön omaavana puolijohteena piikarbidilla (SiC) on keskeinen rooli elektroniikkateollisuudessa. Erinomaisten fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksiensa ansiosta piikarbidin yksittäiskiteet soveltuvat äärimmäisiin ympäristöihin, kuten korkeisiin lämpötiloihin, korkeisiin taajuuksiin, suuriin tehoihin ja säteilynkestävyyteen. Sen kova ja hauras luonne asettaa kuitenkin suuria haasteita hionnalle ja kiillotukselle.

Kun johtavat maailmanlaajuiset valmistajat siirtyvät 6-tuumaisista 8-tuumaisiin kiekkoihin, ongelmista, kuten kiekkojen halkeilusta ja vaurioitumisesta prosessoinnin aikana, on tullut yhä merkittävämpiä, mikä vaikuttaa merkittävästi saantoon. 8-tuumaisten piikarbidialustojen teknisten haasteiden ratkaiseminen on nyt keskeinen kriteeri alan kehitykselle.

8-tuumaisella aikakaudella piikarbidikiekkoprosessi kohtaa lukuisia haasteita:

Kiekkojen skaalaus on välttämätöntä eräkohtaisen sirutuotannon lisäämiseksi, reunahäviön vähentämiseksi ja tuotantokustannusten alentamiseksi – erityisesti sähköajoneuvosovellusten kasvavan kysynnän vuoksi.

Vaikka 8-tuumaisten piikarbidi-yksittäiskiteiden kasvu on kypsynyt, jälkikäsittelyprosessit, kuten hionta ja kiillotus, kohtaavat edelleen pullonkauloja, mikä johtaa alhaisiin saantoihin (vain 40–50 %).

Suuremmat kiekot kokevat monimutkaisempia painejakaumia, mikä vaikeuttaa kiillotusjännityksen hallintaa ja saannon tasaisuutta.

Vaikka 8-tuumaisten kiekkojen paksuus lähestyy 6-tuumaisten kiekkojen paksuutta, ne ovat alttiimpia vaurioille käsittelyn aikana rasituksen ja vääntymisen vuoksi.

Leikkaukseen liittyvän jännityksen, vääntymisen ja halkeilun vähentämiseksi laserleikkausta käytetään yhä enemmän. Kuitenkin:

Pitkäaaltoiset laserit aiheuttavat lämpövaurioita.

Lyhytaallonpituiset laserit tuottavat raskasta roskaa ja syventävät vauriokerrosta, mikä lisää kiillotuksen monimutkaisuutta.

Piikarbidin mekaaninen kiillotusprosessi

Yleinen prosessikulku sisältää:

Suuntaleikkaus

Karkea jauhaminen

Hieno jauhatus

Mekaaninen kiillotus

Kemiallinen mekaaninen kiillotus (CMP) viimeisenä vaiheena

CMP-menetelmän valinta, prosessireitin suunnittelu ja parametrien optimointi ovat ratkaisevan tärkeitä. Puolijohdevalmistuksessa CMP on ratkaiseva vaihe erittäin sileiden, virheettömien ja vaurioittamattomien pintojen omaavien piikarbidikiekkojen valmistuksessa, mikä on välttämätöntä korkealaatuiselle epitaksiaaliselle kasvulle.

(a) Poista piikarbidiharkko upokkaasta;

(b) Suorita alkumuotoilu ulkohalkaisijan hiomalla;

(c) Määritä kiteen orientaatio käyttämällä kohdistuslevyjä tai -lovia;

(d) Leikkaa harkko ohuiksi kiekoiksi monilankasahalla;

(e) Saavuta peilimäinen pinnan sileys hiomalla ja kiillottamalla.

Käsittelyvaiheiden sarjan jälkeen piikarbidikiekon ulkoreunasta tulee usein terävä, mikä lisää lohkeamisriskiä käsittelyn tai käytön aikana. Tällaisen haurauden välttämiseksi reunat on hiottava.

Perinteisten viipalointiprosessien lisäksi piikarbidi-kiekkojen valmistukseen on innovatiivinen menetelmä, jossa käytetään liimaustekniikkaa. Tämä lähestymistapa mahdollistaa kiekkojen valmistuksen liittämällä ohut piikarbidi-yksikidekerros heterogeeniseen substraattiin (tukisubstraattiin).

Kuvio 3 havainnollistaa prosessikulkua:

Ensin SiC-yksittäiskiteen pinnalle muodostetaan delaminaatiokerros määrätylle syvyydelle vetyioni-istutuksella tai vastaavilla tekniikoilla. Käsitelty SiC-yksittäiskide liimataan sitten tasaiselle tukialustalle ja altistetaan paineelle ja lämmölle. Tämä mahdollistaa SiC-yksittäiskiteen onnistuneen siirtämisen ja erottamisen tukialustalle.

Erotettu piikarbidikerros pintakäsitellään vaaditun tasaisuuden saavuttamiseksi, ja sitä voidaan käyttää uudelleen myöhemmissä liimausprosesseissa. Perinteiseen piikarbidikiteiden viipalointiin verrattuna tämä tekniikka vähentää kalliiden materiaalien kysyntää. Vaikka teknisiä haasteita on edelleen, tutkimus- ja kehitystyö etenee aktiivisesti edullisemman kiekkotuotannon mahdollistamiseksi.

Piikarbidin korkean kovuuden ja kemiallisen stabiilisuuden vuoksi – mikä tekee siitä kestävän huoneenlämmössä tapahtuville reaktioille – mekaaninen kiillotus on tarpeen hienojen jauhatuskorkeuksien poistamiseksi, pintavaurioiden vähentämiseksi, naarmujen, kuoppautumisen ja appelsiininkuorivaurioiden poistamiseksi, pinnan karheuden vähentämiseksi, tasaisuuden parantamiseksi ja pinnan laadun parantamiseksi.

Korkealaatuisen kiillotetun pinnan saavuttamiseksi on välttämätöntä:

Säädä hioma-aineiden tyyppejä,

Pienennä hiukkaskokoa,

Optimoi prosessiparametrit,

Valitse riittävän kovat kiillotusmateriaalit ja -tyynyt.

Kuvio 7 osoittaa, että kaksipuolinen kiillotus 1 μm:n hioma-aineilla voi hallita tasaisuutta ja paksuuden vaihtelua 10 μm:n tarkkuudella ja vähentää pinnan karheutta noin 0,25 nm:iin.

3.2 Kemiallinen mekaaninen kiillotus (CMP)

Kemiallinen mekaaninen kiillotus (CMP) yhdistää erittäin hienojakoisten hiukkasten hionnan kemialliseen syövytykseen muodostaen sileän, tasaisen pinnan käsiteltävälle materiaalille. Perusperiaate on:

Kiillotuslietteen ja kiekon pinnan välillä tapahtuu kemiallinen reaktio, joka muodostaa pehmeän kerroksen.

Hiomahiukkasten ja pehmeän kerroksen välinen kitka poistaa materiaalia.

CMP:n edut:

Voitaa puhtaasti mekaanisen tai kemiallisen kiillotuksen haitat,

Saavuttaa sekä globaalin että paikallisen planarisoinnin,

Tuottaa pintoja, joilla on korkea tasaisuus ja matala karheus,

Ei jätä vaurioita pinnalle tai pohjalle.

Yksityiskohtaisesti:

Kiekko liikkuu paineen alaisena kiillotustyynyyn nähden.

Lietteen nanometrin kokoiset hioma-aineet (esim. SiO₂) osallistuvat leikkaukseen, heikentävät Si-C-kovalenttisidoksia ja tehostavat materiaalinpoistoa.

CMP-tekniikoiden tyypit:

Vapaa hiomakiillotus: Hioma-aineet (esim. SiO₂) suspendoidaan lietteeseen. Materiaalin poisto tapahtuu kolmiosahiomalla (kiekko–tyyny–hioma-aine). Hioma-aineen kokoa (tyypillisesti 60–200 nm), pH:ta ja lämpötilaa on hallittava tarkasti tasaisuuden parantamiseksi.

Kiinteä hiomakiillotus: Hioma-aineet on upotettu kiillotustyynyyn paakkuuntumisen estämiseksi – ihanteellinen tarkkaan käsittelyyn.

Kiillotuksen jälkeinen puhdistus:

Kiillotetut kiekot käyvät läpi:

Kemiallinen puhdistus (mukaan lukien deionisoitu vesi ja lietejäämien poisto),

Deionoidulla vedellä huuhtelu ja

Kuuma typpikuivaus

pintakontaminaatioiden minimoimiseksi.

Pinnan laatu ja suorituskyky

Pinnan karheutta voidaan pienentää arvoon Ra < 0,3 nm, mikä täyttää puolijohdeepitaksian vaatimukset.

Globaali tasoitus: Kemiallisen pehmennyksen ja mekaanisen poiston yhdistelmä vähentää naarmuja ja epätasaista syövytystä, mikä on parempaa kuin puhtaasti mekaaniset tai kemialliset menetelmät.

Korkea hyötysuhde: Sopii koville ja hauraille materiaaleille, kuten piikarbidille (SiC), yli 200 nm/h materiaalinpoistonopeudella.

Muita nousevia kiillotustekniikoita

CMP:n lisäksi on ehdotettu vaihtoehtoisia menetelmiä, mukaan lukien:

Sähkökemiallinen kiillotus, katalyyttiavusteinen kiillotus tai etsaus ja

Tribokemiallinen kiillotus.

Nämä menetelmät ovat kuitenkin vielä tutkimusvaiheessa ja kehittyneet hitaasti piikarbidin haastavien materiaaliominaisuuksien vuoksi.

Viime kädessä piikarbidin käsittely on asteittainen prosessi, jossa vähennetään vääntymistä ja karheutta pinnanlaadun parantamiseksi, ja tasaisuus ja karheuden hallinta ovat kriittisiä jokaisessa vaiheessa.

Käsittelytekniikka

Kiekkojen hiontavaiheessa kiekko hiotaan haluttuun tasomaisuuteen ja pinnan karheuteen käyttämällä erikokoisia timanttilietteitä. Tämän jälkeen kiekot kiillotetaan sekä mekaanisilla että kemiallismekaanisilla kiillotustekniikoilla (CMP), jolloin saadaan vaurioitta kiillotettuja piikarbidi- (SiC) kiekkoja.

Kiillotuksen jälkeen piikarbidilevyt käyvät läpi tiukan laatutarkastuksen käyttäen instrumentteja, kuten optisia mikroskooppeja ja röntgendiffraktometrejä, sen varmistamiseksi, että kaikki tekniset parametrit täyttävät vaaditut standardit. Lopuksi kiillotetut kiekot puhdistetaan erityisillä puhdistusaineilla ja ultrapuhtaalla vedellä pintaepäpuhtauksien poistamiseksi. Sen jälkeen ne kuivataan ultrapuhtaalla typpikaasulla ja linkokuivaimilla, mikä täydentää koko tuotantoprosessin.

Vuosien ponnistelujen jälkeen Kiinassa on edistytty merkittävästi piikarbidi-yksittäiskiteiden jalostuksessa. Kotimaassa on kehitetty onnistuneesti 100 mm:n seostettuja puolieristäviä 4H-piikarbidi-yksittäiskiteitä, ja n-tyypin 4H- ja 6H-piikarbidi-yksittäiskiteitä voidaan nyt tuottaa erissä. Yritykset, kuten TankeBlue ja TYST, ovat jo kehittäneet 150 mm:n piikarbidi-yksittäiskiteitä.

SiC-kiekkojen prosessointitekniikan osalta kotimaiset instituutiot ovat alustavasti tutkineet kiteiden viipaloinnin, jauhamisen ja kiillotuksen prosessiolosuhteita ja -reittejä. Ne pystyvät tuottamaan näytteitä, jotka täyttävät periaatteessa laitevalmistuksen vaatimukset. Kotimaisten kiekkojen pintakäsittelyn laatu on kuitenkin edelleen merkittävästi jäljessä kansainvälisistä standardeista. Ongelmia on useita:

Kansainväliset piikarbiditeoriat ja -käsittelytekniikat ovat tiukasti suojattuja eivätkä helposti saatavilla.

Prosessien parantamiselle ja optimoinnille on puutteellista teoreettista tutkimusta ja tukea.

Ulkomaisten laitteiden ja komponenttien tuontikustannukset ovat korkeat.

Kotimaisessa laitesuunnittelua, prosessointitarkkuutta ja materiaaleja koskevassa tutkimuksessa on edelleen merkittäviä eroja kansainväliseen tasoon verrattuna.

Tällä hetkellä suurin osa Kiinassa käytetyistä tarkkuuslaitteista on tuontitavaraa. Myös testauslaitteita ja -menetelmiä on parannettava edelleen.

Kolmannen sukupolven puolijohteiden jatkuvan kehityksen myötä piikarbidi-yksittäiskiteiden alustojen halkaisija kasvaa tasaisesti ja samalla pintakäsittelyn laatuvaatimukset kasvavat. Kiekkojen käsittelytekniikasta on tullut yksi teknisesti haastavimmista vaiheista piikarbidi-yksittäiskiteiden kasvatuksen jälkeen.

Nykyisten prosessointihaasteiden ratkaisemiseksi on tärkeää tutkia lisää leikkaukseen, hiontaan ja kiillotukseen liittyviä mekanismeja sekä löytää sopivia piikarbidikiekon valmistusmenetelmiä ja -reittejä. Samalla on tarpeen oppia edistyneistä kansainvälisistä prosessointiteknologioista ja ottaa käyttöön huippuluokan erittäin tarkkoja työstötekniikoita ja laitteita korkealaatuisten alustojen tuottamiseksi.

Kiekkojen koon kasvaessa myös kiteiden kasvun ja prosessoinnin vaikeus kasvaa. Loppupään laitteiden valmistustehokkuus kuitenkin paranee merkittävästi ja yksikkökustannukset laskevat. Tällä hetkellä tärkeimmät piikarbidikiekkojen toimittajat maailmanlaajuisesti tarjoavat tuotteita, joiden halkaisija on 4–6 tuumaa. Johtavat yritykset, kuten Cree ja II-VI, ovat jo aloittaneet 8-tuumaisten piikarbidikiekkojen tuotantolinjojen kehittämisen suunnittelun.