הסטטוס והמגמות הנוכחיים של טכנולוגיית עיבוד פרוסות SiC

כחומר מצע מוליך למחצה מהדור השלישי,סיליקון קרביד (SiC)לגביש יחיד יש פוטנציאל יישום רחב בייצור מכשירים אלקטרוניים בתדר גבוה והספק גבוה. טכנולוגיית העיבוד של SiC ממלאת תפקיד מכריע בייצור חומרי מצע איכותיים. מאמר זה מציג את מצב המחקר הנוכחי על טכנולוגיות עיבוד SiC הן בסין והן בחו"ל, תוך ניתוח והשוואה של מנגנוני חיתוך, השחזה וליטוש, כמו גם את המגמות בשטיחות פרוסות המזון ובחספוס פני השטח. הוא גם מצביע על האתגרים הקיימים בעיבוד פרוסות המזון והמזון ודן בכיווני פיתוח עתידיים.

סיליקון קרביד (SiC)פרוסות סיליקון הן חומרי יסוד קריטיים עבור התקני מוליכים למחצה מהדור השלישי ויש להן חשיבות משמעותית ופוטנציאל שוק בתחומים כמו מיקרואלקטרוניקה, אלקטרוניקת הספק ותאורת מוליכים למחצה. בשל הקשיות הגבוהה במיוחד והיציבות הכימית שלגבישים בודדים של SiC, שיטות עיבוד מסורתיות של מוליכים למחצה אינן מתאימות לחלוטין לעיבוד שלהם. למרות שחברות בינלאומיות רבות ערכו מחקר מקיף על העיבוד התובעני מבחינה טכנית של גבישים יחידים של SiC, הטכנולוגיות הרלוונטיות נשמרות בסודיות מוחלטת.

בשנים האחרונות, סין הגבירה את מאמציה בפיתוח חומרים והתקנים של גביש יחיד SiC. עם זאת, התקדמות טכנולוגיית התקני SiC במדינה מוגבלת כיום על ידי מגבלות בטכנולוגיות עיבוד ואיכות פרוסות סיליקון. לכן, חיוני שסין תשפר את יכולות עיבוד ה-SiC כדי לשפר את איכות מצעי הגביש היחיד SiC ולהשיג את יישומם המעשי וייצור המוני.

שלבי העיבוד העיקריים כוללים: חיתוך → טחינה גסה → טחינה דקה → ליטוש גס (ליטוש מכני) → ליטוש עדין (ליטוש כימי מכני, CMP) → בדיקה.

חיתוך גבישים בודדים של SiC

בעיבוד שלגבישים בודדים של SiC, חיתוך הוא השלב הראשון והקריטי ביותר. קשת הוופל, עיוות הוופל ושונות העובי הכוללת (TTV) הנובעים מתהליך החיתוך קובעים את האיכות והיעילות של פעולות ההשחזה והליטוש שלאחר מכן.

ניתן לסווג כלי חיתוך לפי צורה למסורי יהלום בקוטר פנימי (ID), מסורי יהלום בקוטר חיצוני (OD), מסורי סרט ומסורי תיל. מסורי תיל, בתורם, ניתנים לסווג לפי סוג התנועה שלהם למערכות תיל הדדיות ולולאה (אינסופיות). בהתבסס על מנגנון החיתוך של החומר השוחק, ניתן לחלק טכניקות חיתוך במסור תיל לשני סוגים: ניסור תיל שוחק חופשי וניסור תיל יהלום שוחק קבוע.

1.1 שיטות חיתוך מסורתיות

עומק החיתוך של מסורי קוטר חיצוני (OD) מוגבל על ידי קוטר הלהב. במהלך תהליך החיתוך, הלהב נוטה לרעידות וסטייה, וכתוצאה מכך רמות רעש גבוהות וקשיחות ירודה. מסורי קוטר פנימי (ID) משתמשים בחומרי שיוף יהלום על ההיקף הפנימי של הלהב כשפה החיתוך. להבים אלה יכולים להיות דקים עד 0.2 מ"מ. במהלך החיתוך, להב הקוטר הפנימי מסתובב במהירות גבוהה בעוד שהחומר לחיתוך נע רדיאלית יחסית למרכז הלהב, ומשיג חיתוך באמצעות תנועה יחסית זו.

מסורי סרט יהלום דורשים עצירות והיפוכים תכופים, ומהירות החיתוך נמוכה מאוד - בדרך כלל לא עולה על 2 מטר לשנייה. הם סובלים גם מבלאי מכני משמעותי ועלויות תחזוקה גבוהות. בשל רוחב להב המסור, רדיוס החיתוך לא יכול להיות קטן מדי, וחיתוך רב-פרוסות אינו אפשרי. כלי ניסור מסורתיים אלה מוגבלים על ידי קשיחות הבסיס ואינם יכולים לבצע חיתוכים מעוקלים או בעלי רדיוסי סיבוב מוגבלים. הם מסוגלים רק לחיתוכים ישרים, מייצרים חריצים רחבים, בעלי שיעור תפוקה נמוך, ולכן אינם מתאימים לחיתוך.גבישי SiC.

1.2 חיתוך רב-חוטי מסור חוטי שוחקים חינם

טכניקת חיתוך במסור תיל חופשי באמצעות שוחקים משתמשת בתנועה מהירה של התיל כדי לשאת את התרחיף לתוך החריץ, מה שמאפשר הסרת חומר. היא משתמשת בעיקר במבנה הדדי וכיום היא שיטה בוגרת ונפוצה לחיתוך יעיל של פרוסות סיליקון חד-גבישיות מרובות פרוסות. עם זאת, יישומה בחיתוך SiC נחקר פחות בהרחבה.

מסורי תיל חופשיים לשחיקה יכולים לעבד פרוסות דמה בעובי של פחות מ-300 מיקרון. הן מציעות אובדן חריץ נמוך, לעיתים רחוקות גורמות לסדיקה, ומובילות לאיכות פני השטח טובה יחסית. עם זאת, עקב מנגנון הסרת החומר - המבוסס על גלגול והשקעת חומרי השחיקה - פני השטח של הפרוסה נוטים לפתח מאמץ שיורי משמעותי, סדקים זעירים ושכבות נזק עמוקות יותר. זה מוביל לעיוות פרוסות דמה, מקשה על בקרת דיוק פרופיל פני השטח ומגביר את העומס על שלבי העיבוד הבאים.

ביצועי החיתוך מושפעים במידה רבה מהתרחיף; יש צורך לשמור על חדות החומרים השוחקים ועל ריכוז התרחיף. טיפול ומיחזור התרחיף יקרים. בעת חיתוך מטילי עץ גדולים, חומרי השוחקים מתקשים לחדור חריצים עמוקים וארוכים. תחת אותו גודל גרגירים שוחקים, אובדן החריץ גדול יותר מזה של מסורי תיל שוחקים קבועים.

1.3 חיתוך רב-חוטי עם מסור חוטי יהלום שוחקים קבועים

מסורי תיל יהלום שוחקים קבועים מיוצרים בדרך כלל על ידי הטמעת חלקיקי יהלום על גבי מצע תיל פלדה באמצעות שיטות ציפוי אלקטרוליטי, סינטור או הדבקת שרף. מסורי תיל יהלום אלקטרוליטיים מציעים יתרונות כגון חריצים צרים יותר, איכות חיתוך טובה יותר, יעילות גבוהה יותר, זיהום נמוך יותר ויכולת לחתוך חומרים בעלי קשיות גבוהה.

מסור חוטי יהלום אלקטרוליטי הדדי הוא כיום השיטה הנפוצה ביותר לחיתוך SiC. איור 1 (לא מוצג כאן) ממחיש את שטוחות פני השטח של פרוסות SiC הנחתכות בטכניקה זו. ככל שהחיתוך מתקדם, עיוות הפרוסה גדל. הסיבה לכך היא ששטח המגע בין החוט לחומר גדל ככל שהחוט נע כלפי מטה, מה שמגדיל את ההתנגדות ורעידות החוט. כאשר החוט מגיע לקוטר המקסימלי של הפרוסה, הרעידות בשיאה, וכתוצאה מכך עיוות מקסימלי.

בשלבים מאוחרים יותר של החיתוך, עקב האצה, תנועה במהירות יציבה, האטה, עצירה והיפוך של החוט, יחד עם קשיים בהסרת פסולת בעזרת נוזל הקירור, איכות פני השטח של הוופל מתדרדרת. היפוך החוט ותנודות במהירות, כמו גם חלקיקי יהלום גדולים על החוט, הם הגורמים העיקריים לשריטות פני השטח.

1.4 טכנולוגיית הפרדה קרה

הפרדה קרה של גבישים בודדים מסיליקון לבן (SiC) היא תהליך חדשני בתחום עיבוד חומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי. בשנים האחרונות, היא משכה תשומת לב רבה בשל יתרונותיה הבולטים בשיפור התפוקה ובהפחתת אובדן חומרים. ניתן לנתח את הטכנולוגיה משלושה היבטים: עקרון עבודה, זרימת התהליך ויתרונות מרכזיים.

קביעת כיוון הגביש וטחינת קוטר חיצוני: לפני העיבוד, יש לקבוע את כיוון הגביש של מטיל ה-SiC. לאחר מכן, המטיל מעוצב למבנה גלילי (הנקרא בדרך כלל דיסקית SiC) באמצעות טחינת קוטר חיצוני. שלב זה מניח את היסודות לחיתוך ופריסה כיווניים לאחר מכן.

חיתוך רב-חוטי: שיטה זו משתמשת בחלקיקים שוחקים בשילוב עם חוטי חיתוך כדי לפרוס את המטיל הגלילי. עם זאת, היא סובלת מאובדן משמעותי של חיתוך ובעיות של חוסר אחידות במשטח.

טכנולוגיית חיתוך לייזר: לייזר משמש ליצירת שכבה שונה בתוך הגביש, שממנה ניתן לנתק פרוסות דקות. גישה זו מפחיתה אובדן חומר ומשפרת את יעילות העיבוד, מה שהופך אותה לכיוון חדש ומבטיח לחיתוך פרוסות סיליקון.

אופטימיזציה של תהליך חיתוך

חיתוך רב-חוטי קבוע בשחיקה: זוהי הטכנולוגיה המרכזית כיום, המתאימה היטב למאפייני הקשיות הגבוהה של SiC.

עיבוד שבבי פריקה חשמלית (EDM) וטכנולוגיית הפרדה קרה: שיטות אלו מספקות פתרונות מגוונים המותאמים לדרישות ספציפיות.

תהליך ליטוש: חיוני לאזן בין קצב הסרת החומר לבין נזקי פני השטח. ליטוש כימי-מכני (CMP) משמש לשיפור אחידות פני השטח.

ניטור בזמן אמת: טכנולוגיות בדיקה מקוונות הוצגו לניטור חספוס פני השטח בזמן אמת.

חיתוך בלייזר: טכניקה זו מפחיתה את אובדן החריץ ומקצרת את מחזורי העיבוד, אם כי האזור המושפע תרמית נותר אתגר.

טכנולוגיות עיבוד היברידיות: שילוב של שיטות מכניות וכימיות משפר את יעילות העיבוד.

טכנולוגיה זו כבר הגיעה ליישום תעשייתי. אינפיניון, לדוגמה, רכשה את SILTECTRA וכעת מחזיקה בפטנטים מרכזיים התומכים בייצור המוני של פרוסות 8 אינץ'. בסין, חברות כמו Delong Laser השיגו יעילות תפוקה של 30 פרוסות למטיל עבור עיבוד פרוסות 6 אינץ', המייצגות שיפור של 40% לעומת שיטות מסורתיות.

ככל שייצור ציוד ביתי מואץ, טכנולוגיה זו צפויה להפוך לפתרון המרכזי לעיבוד מצעים של SiC. עם הקוטר הגדל של חומרי מוליכים למחצה, שיטות חיתוך מסורתיות הפכו למיושנות. מבין האפשרויות הקיימות, טכנולוגיית מסור חוט יהלום הדדי מציגה את אפשרויות היישום המבטיחות ביותר. חיתוך בלייזר, כטכניקה מתפתחת, מציע יתרונות משמעותיים וצפוי להפוך לשיטת החיתוך העיקרית בעתיד.

2,טחינת גביש יחיד SiC

כנציג של מוליכים למחצה מהדור השלישי, סיליקון קרביד (SiC) מציע יתרונות משמעותיים הודות לפער האנרגיה הרחב שלו, שדה חשמלי בעל התפרקות גבוהה, מהירות סחיפה גבוהה של אלקטרונים ברוויה ומוליכות תרמית מעולה. תכונות אלו הופכות את ה-SiC ליתרון מיוחד ביישומים של מתח גבוה (למשל, סביבות של 1200 וולט). טכנולוגיית העיבוד של מצעי SiC היא חלק מהותי בייצור התקנים. איכות פני השטח והדיוק של המצע משפיעים ישירות על איכות השכבה האפיטקסיאלית ועל ביצועי ההתקן הסופי.

המטרה העיקרית של תהליך ההשחזה היא להסיר סימני ניסור ושכבות נזק שנגרמו במהלך החיתוך על פני השטח, ולתקן עיוותים הנגרמות על ידי תהליך החיתוך. בהתחשב בקשיות הגבוהה במיוחד של SiC, השחזה דורשת שימוש בחומרי שיוף קשים כגון בורון קרביד או יהלום. השחזה קונבנציונלית מחולקת בדרך כלל לטחינה גסה ולשחיקה עדינה.

2.1 טחינה גסה ודקה

ניתן לסווג טחינה לפי גודל החלקיקים השוחקים:

טחינה גסה: משתמש בחומרי שיוף גדולים יותר בעיקר להסרת סימני ניסור ושכבות נזק שנגרמו במהלך החיתוך, ובכך משפר את יעילות העיבוד.

טחינה עדינה: שימוש בחומרי שיוף עדינים יותר כדי להסיר את שכבת הנזק שנותרה מטחינה גסה, להפחית את חספוס פני השטח ולשפר את איכות פני השטח.

יצרני מצעים מקומיים רבים של SiC משתמשים בתהליכי ייצור בקנה מידה גדול. שיטה נפוצה כוללת ליטוש דו-צדדי באמצעות לוח ברזל יצוק ותרחיף יהלום חד-גבישי. תהליך זה מסיר ביעילות את שכבת הנזק שנותרה כתוצאה מניסור תיל, מתקן את צורת הפרוסה ומפחית את TTV (שינוי עובי כולל), כיפוף ועיוות. קצב הסרת החומר יציב, ומגיע בדרך כלל ל-0.8-1.2 מיקרומטר/דקה. עם זאת, פני השטח של הפרוסה המתקבלים הם מט עם חספוס גבוה יחסית - בדרך כלל סביב 50 ננומטר - מה שמטיל דרישות גבוהות יותר על שלבי הליטוש הבאים.

2.2 טחינה חד-צדדית

טחינה חד-צדדית מעבדת רק צד אחד של הוופל בכל פעם. במהלך תהליך זה, הוופל מותקן בשעווה על גבי לוח פלדה. תחת לחץ מופעל, המצע עובר עיוות קל, והמשטח העליון משטח. לאחר הטחינה, המשטח התחתון מפולס. כאשר מוסר הלחץ, המשטח העליון נוטה לחזור לצורתו המקורית, מה שמשפיע גם על המשטח התחתון שכבר טחון - וגורם לשני הצדדים להתעוות ולהתדרדר.

יתר על כן, לוח הטחינה יכול להפוך קעור תוך זמן קצר, מה שיגרום לוופל להפוך קמור. כדי לשמור על שטוחות הלוח, נדרשת ליטוש תכוף. בשל יעילות נמוכה ושטיחות הירודה של הופל, טחינה חד-צדדית אינה מתאימה לייצור המוני.

בדרך כלל, גלגלי השחזה #8000 משמשים לטחינה עדינה. ביפן, תהליך זה יחסית בוגר ואף משתמש בגלגלי ליטוש #30000. זה מאפשר לחספוס פני השטח של הוופלים המעובדים להגיע מתחת ל-2 ננומטר, מה שהופך את הוופלים למוכנים ל-CMP (ליטוש כימי מכני) סופי ללא עיבוד נוסף.

2.3 טכנולוגיית דילול חד-צדדי

טכנולוגיית דילול יהלום חד-צדדי היא שיטה חדשנית לטחינה חד-צדדית. כפי שמודגם באיור 5 (לא מוצג כאן), התהליך משתמש בלוח טחינה מלוכד יהלום. הוופל מקובע באמצעות ספיחה בוואקום, בעוד שהוופל וגלגל השחזה היהלום מסתובבים בו זמנית. גלגל השחזה נע בהדרגה כלפי מטה כדי לדלל את הוופל לעובי היעד. לאחר השלמת צד אחד, הוופל מתהפך כדי לעבד את הצד השני.

לאחר דילול, פרוסה של 100 מ"מ יכולה להשיג:

קשת < 5 מיקרומטר

TTV < 2 מיקרומטר

חספוס פני השטח < 1 ננומטר

שיטת עיבוד זו, המבוססת על פרוסה בודדת, מציעה יציבות גבוהה, עקביות מעולה וקצב הסרת חומר גבוה. בהשוואה לטחינה דו-צדדית קונבנציונלית, טכניקה זו משפרת את יעילות הטחינה ביותר מ-50%.

2.4 שחיקה דו-צדדית

ליטוש דו-צדדי משתמש בלוח ליטוש עליון ותחתון כדי לטחון בו זמנית את שני צידי המצע, מה שמבטיח איכות פני שטח מעולה משני הצדדים.

במהלך התהליך, לוחות ההשחזה מפעילים תחילה לחץ על הנקודות הגבוהות ביותר של חומר העבודה, מה שגורם לעיוות ולהסרה הדרגתית של החומר בנקודות אלו. ככל שהנקודות הגבוהות מיושרות, הלחץ על המצע הופך בהדרגה אחיד יותר, וכתוצאה מכך לעיוות עקבי על פני כל המשטח. זה מאפשר ליטוש שווה של המשטחים העליונים והתחתונים. לאחר השלמת ההשחזה והלחץ משתחרר, כל חלק של המצע מתאושש באופן אחיד הודות ללחץ השווה שחווה. זה מוביל לעיוות מינימלי ולמישור טוב.

חספוס פני השטח של הוופל לאחר הטחינה תלוי בגודל החלקיקים השוחקים - חלקיקים קטנים יותר מניבים משטחים חלקים יותר. בעת שימוש בחומרי שיוף של 5 מיקרון לטחינה דו-צדדית, ניתן לשלוט על השטיחות והשינוי בעובי של הוופל בטווח של 5 מיקרון. מדידות מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) מראות חספוס פני השטח (Rq) של כ-100 ננומטר, עם בורות טחינה בעומק של עד 380 ננומטר וסימנים ליניאריים גלויים הנגרמים מפעולת השחיקה.

שיטה מתקדמת יותר כוללת ליטוש דו-צדדי באמצעות רפידות קצף פוליאוריטן בשילוב עם תרחיף יהלום פוליקריסטלי. תהליך זה מייצר פרוסות סיליקון בעלות חספוס פני שטח נמוך מאוד, המגיעות ל-Ra < 3 ננומטר, דבר מועיל מאוד לליטוש מאוחר יותר של מצעי SiC.

עם זאת, גירוד פני השטח נותר נושא בלתי פתור. בנוסף, היהלום הפוליקריסטלי המשמש בתהליך זה מיוצר באמצעות סינתזה נפיצה, שהיא מאתגרת מבחינה טכנית, מניבה כמויות נמוכות ויקרה ביותר.

ליטוש גבישים בודדים של SiC

כדי להשיג משטח מלוטש באיכות גבוהה על פרוסות סיליקון קרביד (SiC), הליטוש חייב להסיר לחלוטין בורות שחיקה וגליות פני השטח בקנה מידה ננומטרי. המטרה היא לייצר משטח חלק וללא פגמים ללא זיהום או התדרדרות, ללא נזק מתחת לפני השטח וללא מאמץ פני השטח שיורי.

3.1 ליטוש מכני ו-CMP של פרוסות SiC

לאחר גידול מטיל גביש יחיד SiC, פגמים פני השטח מונעים ממנו לשמש ישירות לגידול אפיטקסיאלי. לכן, נדרש עיבוד נוסף. המטיל מעוצב תחילה לצורה גלילית סטנדרטית באמצעות עיגול, לאחר מכן נפרס לפרוסות באמצעות חיתוך תיל, ולאחר מכן מתבצע אימות אוריינטציה קריסטלוגרפית. ליטוש הוא שלב קריטי בשיפור איכות הפרוסות, תוך התייחסות לנזק פוטנציאלי לפני השטח הנגרם מפגמי גידול גבישים ושלבי עיבוד קודמים.

ישנן ארבע שיטות עיקריות להסרת שכבות נזק פני השטח על גבי SiC:

ליטוש מכני: פשוט אך משאיר שריטות; מתאים לליטוש ראשוני.

ליטוש כימי-מכני (CMP): מסיר שריטות באמצעות איכול כימי; מתאים לליטוש מדויק.

איכול מימן: דורש ציוד מורכב, המשמש בדרך כלל בתהליכי HTCVD.

ליטוש בעזרת פלזמה: מורכב ונמצא בשימוש נדיר.

ליטוש מכני בלבד נוטה לגרום לשריטות, בעוד ליטוש כימי בלבד יכול להוביל לחריטה לא אחידה. CMP משלב את שני היתרונות ומציע פתרון יעיל וחסכוני.

עקרון העבודה של CMP

CMP פועל על ידי סיבוב הוופל תחת לחץ קבוע כנגד משטח ליטוש מסתובב. תנועה יחסית זו, בשילוב עם שחיקה מכנית מחומרי שוחקים בגודל ננומטרי בתוך התרחיף והפעולה הכימית של חומרים ריאקטיביים, משיגה יישור פני השטח.

חומרים עיקריים בשימוש:

ליטוש בוץ: מכיל חומרי שוחקים וריאגנטים כימיים.

משטח ליטוש: נשחק במהלך השימוש, מה שמפחית את גודל הנקבוביות ואת יעילות אספקת התרחיף. נדרשת ליטוש קבוע, בדרך כלל באמצעות מלטשת יהלום, כדי לשקם את החספוס.

תהליך CMP טיפוסי

חומר שוחקים: 0.5 מיקרון יהלום בתערובת

חספוס פני השטח של המטרה: ~0.7 ננומטר

ליטוש כימי מכני:

ציוד ליטוש: ליטוש חד צדדי AP-810

לחץ: 200 גרם/סמ"ר

מהירות סיבוב הלוח: 50 סל"ד

מהירות מחזיק קרמי: 38 סל"ד

הרכב התערובת:

SiO₂ (30% משקלי, pH = 10.15)

0–70% משקלי H₂O₂ (30% משקלי, דרגת ריאגנט)

התאם את רמת החומציות (pH) ל-8.5 באמצעות 5% משקלי של KOH ו-1% משקלי של HNO₃.

קצב זרימת תרחיף: 3 ליטר/דקה, ממוחזר

תהליך זה משפר ביעילות את איכות פרוסות ה-SiC ועומד בדרישות לתהליכים במורד הזרם.

אתגרים טכניים בליטוש מכני

SiC, כמוליך למחצה בעל פער אנרגיה רחב, ממלא תפקיד חיוני בתעשיית האלקטרוניקה. עם תכונות פיזיקליות וכימיות מצוינות, גבישי SiC בודדים מתאימים לסביבות קיצוניות, כגון טמפרטורה גבוהה, תדר גבוה, הספק גבוה ועמידות בפני קרינה. עם זאת, אופיים הקשה והשביר מציב אתגרים משמעותיים ללטש וליטוש.

ככל שיצרנים מובילים בעולם עוברים מוופלים בגודל 6 אינץ' ל-8 אינץ', בעיות כמו סדקים ונזק לפופלים במהלך העיבוד הפכו בולטות יותר, מה שמשפיע באופן משמעותי על התפוקה. התמודדות עם האתגרים הטכניים של מצעי SiC בגודל 8 אינץ' היא כעת אבן דרך מרכזית לקידום התעשייה.

בעידן ה-8 אינץ', עיבוד פרוסות SiC עומד בפני אתגרים רבים:

קנה מידה של ופלים (wafer scaling) נחוץ כדי להגדיל את תפוקת השבב לכל אצווה, להפחית אובדן קצה ולהוריד את עלויות הייצור - במיוחד לאור הביקוש הגובר ביישומי רכב חשמלי.

בעוד שגידול גבישים יחידים של SiC בגודל 8 אינץ' התבגר, תהליכים אחוריים כמו שחיקה וליטוש עדיין מתמודדים עם צווארי בקבוק, וכתוצאה מכך תפוקות נמוכות (רק 40-50%).

ופלים גדולים יותר חווים התפלגויות לחץ מורכבות יותר, מה שמגביר את הקושי בניהול לחץ ליטוש ועקביות התשואה.

למרות שעובי ופלים בגודל 8 אינץ' מתקרב לזה של ופלים בגודל 6 אינץ', הם נוטים יותר להינזק במהלך הטיפול עקב לחץ ועיוות.

כדי להפחית את הלחץ, העיוות והסדקים הקשורים לחיתוך, נעשה שימוש גובר בחיתוך בלייזר. עם זאת:

לייזרים בעלי אורך גל ארוך גורמים נזק תרמי.

לייזרים באורך גל קצר מייצרים פסולת כבדה ומעמיקים את שכבת הנזק, מה שמגדיל את מורכבות הליטוש.

תהליך עבודה של ליטוש מכני עבור SiC

זרימת התהליך הכללית כוללת:

חיתוך אוריינטציה

טחינה גסה

טחינה דקה

ליטוש מכני

ליטוש כימי-מכני (CMP) כשלב הסופי

בחירת שיטת ה-CMP, תכנון מסלול התהליך ואופטימיזציה של פרמטרים הם קריטיים. בייצור מוליכים למחצה, CMP הוא השלב המכריע לייצור פרוסות SiC עם משטחים חלקים במיוחד, ללא פגמים וללא נזקים, החיוניים לצמיחה אפיטקסיאלית באיכות גבוהה.

(א) הוציאו את מטיל ה-SiC מהכור;

(ב) ביצוע עיצוב ראשוני באמצעות ליטוש בקוטר חיצוני;

(ג) קבע את כיוון הגביש באמצעות חריצים או קווי יישור שטוחים;

(ד) פרסו את המטיל לפרוסות דקות באמצעות ניסור רב-חוטי;

(ה) השגת משטח חלק דמוי מראה באמצעות שלבי ליטוש וליטוש.

לאחר השלמת סדרת שלבי העיבוד, הקצה החיצוני של פרוסת ה-SiC הופך לעיתים קרובות חד, מה שמגביר את הסיכון לסדקים במהלך הטיפול או השימוש. כדי למנוע שבירות כזו, נדרשת ליטוש קצוות.

בנוסף לתהליכי חיתוך מסורתיים, שיטה חדשנית להכנת פרוסות סיליקון כרוכה בטכנולוגיית הדבקה. גישה זו מאפשרת ייצור פרוסות סיליקון על ידי הדבקת שכבה דקה של גביש יחיד של סיליקון למצע הטרוגני (מצע תומך).

איור 3 ממחיש את זרימת התהליך:

ראשית, נוצרת שכבת דה-למינציה בעומק מוגדר על פני גביש ה-SiC היחיד באמצעות השתלת יוני מימן או טכניקות דומות. לאחר מכן, גביש ה-SiC היחיד המעובד מודבק למצע תומך שטוח ועובר לחץ וחום. זה מאפשר העברה והפרדה מוצלחות של שכבת הגביש היחיד של ה-SiC למצע התומך.

שכבת ה-SiC המופרדת עוברת טיפול פני שטח כדי להשיג את השטיחות הנדרשת וניתן לעשות בה שימוש חוזר בתהליכי חיבור עוקבים. בהשוואה לחיתוך מסורתי של גבישי SiC, טכניקה זו מפחיתה את הביקוש לחומרים יקרים. למרות שנותרו אתגרים טכניים, המחקר והפיתוח מתקדמים באופן פעיל כדי לאפשר ייצור ופלים בעלות נמוכה יותר.

בהינתן הקשיות הגבוהה והיציבות הכימית של SiC - מה שהופך אותו לעמיד בפני תגובות בטמפרטורת החדר - ליטוש מכני נדרש כדי להסיר בורות טחינה עדינים, להפחית נזקי פני השטח, למנוע שריטות, פגמים בקליפת תפוז, להפחית את חספוס פני השטח, לשפר את השטיחות ולשפר את איכות פני השטח.

כדי להשיג משטח מלוטש באיכות גבוהה, יש צורך ב:

התאם סוגי שוחקים,

הפחתת גודל החלקיקים,

אופטימיזציה של פרמטרי תהליך,

בחרו חומרי ליטוש ורפידות בעלות קשיות מתאימה.

איור 7 מראה כי ליטוש דו-צדדי עם חומרי שוחקים בעובי 1 מיקרון יכול לשלוט על השטיחות ועל שינויי העובי בטווח של 10 מיקרון, ולהפחית את חספוס פני השטח לכ-0.25 ננומטר.

3.2 ליטוש כימי-מכני (CMP)

ליטוש כימי-מכני (CMP) משלב שחיקה של חלקיקים עדינים במיוחד עם איכול כימי ליצירת משטח חלק ומיושר על החומר המעובד. העיקרון הבסיסי הוא:

מתרחשת תגובה כימית בין תרחיף הליטוש לבין פני השטח של הוופל, ויוצרת שכבה רכה.

חיכוך בין החלקיקים השוחקים לשכבה הרכה מסיר את החומר.

יתרונות CMP:

מתגבר על החסרונות של ליטוש מכני או כימי בלבד,

משיג פלנריזציה גלובלית ומקומית כאחד,

מייצר משטחים בעלי שטוחות גבוהה וחספוס נמוך,

לא משאיר נזק לפני השטח או מתחת לפני השטח.

בפירוט:

הפרוסה נעה יחסית למשטח הליטוש תחת לחץ.

חומרי שוחקים בקנה מידה ננומטרי (למשל, SiO₂) בתרחיף משתתפים בגזירה, מחלישים קשרים קוולנטיים Si-C ומשפרים את הסרת החומר.

סוגי טכניקות CMP:

ליטוש חופשי של חומרי ליטוש: חומרי ליטוש (למשל, SiO₂) מרחפים בתוך תרחיף. הסרת החומר מתרחשת באמצעות ליטוש תלת-גופי (ופלה-פד-חומרי ליטוש). גודל החומר הליטוש (בדרך כלל 60-200 ננומטר), רמת החומציות והטמפרטורה חייבים להיות מבוקרים במדויק כדי לשפר את האחידות.

ליטוש שוחקים קבוע: חומרי הליטוש משובצים במשטח הליטוש כדי למנוע הצטברות - אידיאלי לעיבוד מדויק.

ניקוי לאחר ליטוש:

פרוסות מלוטשות עוברות:

ניקוי כימי (כולל מים מזוקקים והסרת שאריות של תרחיף),

שטיפה במים DI, ו

ייבוש חנקן חם

כדי למזער מזהמים על פני השטח.

איכות וביצועי פני השטח

ניתן להפחית את חספוס פני השטח ל-Ra < 0.3 ננומטר, ועומד בדרישות אפיטקסיה של מוליכים למחצה.

פלנריזציה גלובלית: השילוב של ריכוך כימי והסרה מכנית מפחית שריטות וחריטה לא אחידה, ועולה על ביצועים טובים יותר משיטות מכניות או כימיות טהורות.

יעילות גבוהה: מתאים לחומרים קשים ושבירים כמו SiC, עם קצב הסרת חומר מעל 200 ננומטר/שעה.

טכניקות ליטוש מתפתחות אחרות

בנוסף ל-CMP, הוצעו שיטות חלופיות, ביניהן:

ליטוש אלקטרוכימי, ליטוש או איכול בסיוע זרז, ו

ליטוש טריבוכימי.

עם זאת, שיטות אלו עדיין נמצאות בשלב המחקר והתפתחו באיטיות עקב תכונות החומר המאתגרות של SiC.

בסופו של דבר, עיבוד SiC הוא תהליך הדרגתי של הפחתת עיוותים וחספוס כדי לשפר את איכות פני השטח, כאשר בקרת שטוחות וחספוס הן קריטיות בכל שלב.

טכנולוגיית עיבוד

במהלך שלב טחינת הוופלים, נעשה שימוש בתערובת יהלום בגדלי חלקיקים שונים כדי לטחון את הוופלים עד לקבלת השטיחות והחספוס הנדרשים. לאחר מכן מתבצע ליטוש, תוך שימוש בטכניקות ליטוש מכני וכימי-מכני (CMP) כדי לייצר פרוסות סיליקון קרביד (SiC) מלוטשות ללא נזק.

לאחר הליטוש, פרוסות ה-SiC עוברות בדיקת איכות קפדנית באמצעות מכשירים כגון מיקרוסקופים אופטיים ודיפרקטומטרים של קרני רנטגן כדי להבטיח שכל הפרמטרים הטכניים עומדים בתקנים הנדרשים. לבסוף, פרוסות ה-SiC מנוקות באמצעות חומרי ניקוי ייעודיים ומים טהורים במיוחד להסרת מזהמים על פני השטח. לאחר מכן הן מיובשות באמצעות גז חנקן טהור במיוחד ומייבשי סחיטה, ומשלימות את תהליך הייצור כולו.

לאחר שנים של מאמץ, חלה התקדמות משמעותית בעיבוד גבישים יחידים של SiC בסין. באופן מקומי, פותחו בהצלחה גבישים יחידים מסוממים למחצה מבודדים מ-4H-SiC בעובי 100 מ"מ, וגבישים יחידים מסוג n מ-4H-SiC ו-6H-SiC ניתנים כעת לייצר בקבוצות. חברות כמו TankeBlue ו-TYST כבר פיתחו גבישים יחידים של SiC בעובי 150 מ"מ.

מבחינת טכנולוגיית עיבוד פרוסות SiC, מוסדות מקומיים חקרו באופן ראשוני את תנאי התהליך ואת המסלולים לחיתוך, טחינה וליטוש גבישים. הם מסוגלים לייצר דגימות שעומדות באופן בסיסי בדרישות לייצור התקנים. עם זאת, בהשוואה לתקנים בינלאומיים, איכות עיבוד פני השטח של פרוסות מקומיות עדיין מפגרת מאחור באופן משמעותי. ישנן מספר בעיות:

תיאוריות וטכנולוגיות עיבוד בינלאומיות של SiC מוגנות היטב ואינן נגישות בקלות.

קיים מחסור במחקר תיאורטי ותמיכה בשיפור ואופטימיזציה של תהליכים.

עלות ייבוא ​​ציוד ורכיבים מחו"ל גבוהה.

מחקר מקומי על תכנון ציוד, דיוק עיבוד וחומרים עדיין מראה פערים משמעותיים בהשוואה לרמות בינלאומיות.

כיום, רוב המכשירים בעלי הדיוק הגבוה המשמשים בסין מיובאים. ציוד הבדיקה והמתודולוגיות דורשים גם שיפור נוסף.

עם הפיתוח המתמשך של מוליכים למחצה מהדור השלישי, קוטר מצעי הגביש החד-יחיד של SiC גדל בהתמדה, יחד עם דרישות גבוהות יותר לאיכות עיבוד פני השטח. טכנולוגיית עיבוד פרוסות סיליקון הפכה לאחד השלבים המאתגרים ביותר מבחינה טכנית לאחר גידול גביש חד-יחיד של SiC.

כדי להתמודד עם האתגרים הקיימים בעיבוד, חיוני להמשיך ולחקור את המנגנונים המעורבים בחיתוך, השחזה וליטוש, ולחקור שיטות ודרכי תהליך מתאימות לייצור פרוסות סיליקון סיבי פחמן. במקביל, יש צורך ללמוד מטכנולוגיות עיבוד בינלאומיות מתקדמות ולאמץ טכניקות וציוד עיבוד שבבי מדויקים במיוחד המתקדמים ביותר כדי לייצר מצעים באיכות גבוהה.

ככל שגודל הפרוסות הקשיות גדל, כך עולה גם הקושי בגידול ועיבוד הגביש. עם זאת, יעילות הייצור של התקנים בהמשך המשתפרת משמעותית, ועלות היחידה יורדת. כיום, ספקי פרוסות ה-SiC העיקריים ברחבי העולם מציעים מוצרים בקוטר של 4 אינץ' עד 6 אינץ'. חברות מובילות כמו Cree ו-II-VI כבר החלו לתכנן פיתוח קווי ייצור של פרוסות SiC בגודל 8 אינץ'.