SiC vafeļu apstrādes tehnoloģijas pašreizējais stāvoklis un tendences

Kā trešās paaudzes pusvadītāju substrāta materiāls,silīcija karbīds (SiC)Monokristālam ir plašas pielietojuma iespējas augstfrekvences un lieljaudas elektronisko ierīču ražošanā. SiC apstrādes tehnoloģijai ir izšķiroša loma augstas kvalitātes substrātu materiālu ražošanā. Šajā rakstā ir sniegts pārskats par pašreizējo pētījumu stāvokli SiC apstrādes tehnoloģiju jomā gan Ķīnā, gan ārvalstīs, analizējot un salīdzinot griešanas, slīpēšanas un pulēšanas procesu mehānismus, kā arī vafeļu plakanuma un virsmas raupjuma tendences. Tajā ir arī norādītas esošās problēmas SiC vafeļu apstrādē un apspriesti turpmākie attīstības virzieni.

Silīcija karbīds (SiC)Plāksnes ir kritiski svarīgi pamatmateriāli trešās paaudzes pusvadītāju ierīcēm, un tām ir ievērojama nozīme un tirgus potenciāls tādās jomās kā mikroelektronika, jaudas elektronika un pusvadītāju apgaismojums. Pateicoties ārkārtīgi augstajai cietībai un ķīmiskajai stabilitāteiSiC monokristālitradicionālās pusvadītāju apstrādes metodes nav pilnībā piemērotas to apstrādei. Lai gan daudzi starptautiski uzņēmumi ir veikuši plašus pētījumus par tehniski sarežģīto SiC monokristālu apstrādi, attiecīgās tehnoloģijas tiek stingri turētas konfidenciāli.

Pēdējos gados Ķīna ir palielinājusi centienus SiC monokristālu materiālu un ierīču izstrādē. Tomēr SiC ierīču tehnoloģijas attīstību valstī pašlaik ierobežo apstrādes tehnoloģiju un plākšņu kvalitātes ierobežojumi. Tāpēc Ķīnai ir svarīgi uzlabot SiC apstrādes iespējas, lai uzlabotu SiC monokristālu substrātu kvalitāti un panāktu to praktisku pielietojumu un masveida ražošanu.

Galvenie apstrādes posmi ietver: griešanu → rupjo slīpēšanu → smalko slīpēšanu → rupjo pulēšanu (mehānisko pulēšanu) → smalko pulēšanu (ķīmiski mehānisko pulēšanu, CMP) → pārbaudi.

SiC monokristālu griešana

ApstrādēSiC monokristāliGriešana ir pirmais un ļoti kritisks solis. Vafeles izliekums, deformācija un kopējā biezuma variācija (TTV), kas rodas griešanas procesā, nosaka turpmāko slīpēšanas un pulēšanas darbību kvalitāti un efektivitāti.

Griešanas instrumentus pēc formas var iedalīt dimanta iekšējā diametra (ID) zāģos, ārējā diametra (OD) zāģos, lentzāģos un stiepļu zāģos. Savukārt stiepļu zāģus pēc to kustības veida var klasificēt virzuļveida un cilpas (bezgalīgas) stiepļu sistēmās. Pamatojoties uz abrazīva griešanas mehānismu, stiepļu zāģa griešanas metodes var iedalīt divos veidos: brīvā abrazīvā stiepļu zāģēšana un fiksētā abrazīvā dimanta stiepļu zāģēšana.

1.1 Tradicionālās griešanas metodes

Ārējā diametra (OD) zāģu griešanas dziļumu ierobežo asmens diametrs. Griešanas procesa laikā asmens ir pakļauts vibrācijai un novirzēm, kā rezultātā rodas augsts trokšņa līmenis un slikta stingrība. Iekšējā diametra (ID) zāģos asmens iekšējā perimetrā kā griezējšķautne tiek izmantoti dimanta abrazīvi. Šie asmeņi var būt pat 0,2 mm plāni. Griešanas laikā ID asmens griežas lielā ātrumā, kamēr griežamais materiāls pārvietojas radiāli attiecībā pret asmens centru, panākot griešanu ar šo relatīvo kustību.

Dimanta lentzāģiem nepieciešamas biežas apstāšanās un maiņas, un griešanas ātrums ir ļoti mazs — parasti nepārsniedz 2 m/s. Tie cieš arī no ievērojama mehāniskā nodiluma un augstām apkopes izmaksām. Zāģa asmens platuma dēļ griešanas rādiuss nevar būt pārāk mazs, un vairāku šķēļu griešana nav iespējama. Šos tradicionālos zāģinstrumentus ierobežo pamatnes stingrība, un tie nevar veikt izliektus griezumus vai tiem ir ierobežots pagrieziena rādiuss. Tie spēj veikt tikai taisnus griezumus, rada platas rievas, tiem ir zema ražība, un tāpēc tie nav piemēroti griešanai.SiC kristāli.

1.2 Bezmaksas abrazīvā stieples zāģa daudzvadu griešana

Brīvās abrazīvās stieples zāģa griešanas tehnika izmanto stieples ātru kustību, lai nogādātu suspensiju griezumā, nodrošinot materiāla noņemšanu. Tajā galvenokārt tiek izmantota virzuļveida struktūra, un pašlaik tā ir nobriedusi un plaši izmantota metode efektīvai monokristāla silīcija griešanai ar vairākām plāksnēm. Tomēr tās pielietojums SiC griešanā ir mazāk pētīts.

Brīvi abrazīvie stiepļu zāģi var apstrādāt plāksnītes ar biezumu, kas mazāks par 300 μm. Tiem ir mazi griezuma zudumi, tie reti rada šķembas un nodrošina relatīvi labu virsmas kvalitāti. Tomēr materiāla noņemšanas mehānisma dēļ, kas balstīts uz abrazīvu velmēšanu un ievilkšanu, plāksnītes virsmā mēdz veidoties ievērojams atlikušais spriegums, mikroplaisas un dziļāki bojājumu slāņi. Tas noved pie plāksnīšu deformācijas, apgrūtina virsmas profila precizitātes kontroli un palielina slodzi turpmākajos apstrādes posmos.

Griešanas veiktspēju lielā mērā ietekmē suspensija; ir nepieciešams uzturēt abrazīvu asumu un suspensijas koncentrāciju. Suspensijas apstrāde un pārstrāde ir dārga. Griežot liela izmēra lietņus, abrazīviem ir grūti iekļūt dziļās un garās griezumos. Pie vienāda abrazīvā graudu izmēra griezuma zudumi ir lielāki nekā fiksētiem abrazīviem stiepļu zāģiem.

1.3 Fiksēts abrazīvs dimanta stieples zāģis ar vairāku stiepļu griešanas funkciju

Fiksētie abrazīvie dimanta stiepļu zāģi parasti tiek izgatavoti, iestrādājot dimanta daļiņas tērauda stieples substrātā, izmantojot galvanizācijas, sintēzes vai sveķu savienošanas metodes. Galvanizētie dimanta stiepļu zāģi piedāvā tādas priekšrocības kā šaurākas rievas, labāka griešanas kvalitāte, augstāka efektivitāte, mazāks piesārņojums un spēja griezt augstas cietības materiālus.

Pašlaik visplašāk izmantotā SiC griešanas metode ir virzuļveida galvanizētais dimanta stieples zāģis. 1. attēlā (šeit nav parādīts) parādīts, kā ar šo metodi griezto SiC plākšņu virsmas līdzenums. Griešanas gaitā plākšņu deformācija palielinās. Tas notiek tāpēc, ka stieples un materiāla saskares laukums palielinās, stieplei virzoties uz leju, palielinot pretestību un stieples vibrāciju. Kad stieple sasniedz plākšņu maksimālo diametru, vibrācija ir vislielākā, kā rezultātā rodas maksimāla deformācija.

Griešanas vēlākajos posmos, stieples paātrinājuma, kustības ar stabilu ātrumu, palēninājuma, apstāšanās un atpakaļgaitas dēļ, kā arī grūtību dēļ gružu noņemšanā ar dzesēšanas šķidrumu, pasliktinās plāksnītes virsmas kvalitāte. Stieples atpakaļgaitas un ātruma svārstības, kā arī lielas dimanta daļiņas uz stieples ir galvenie virsmas skrāpējumu cēloņi.

1.4 Aukstās atdalīšanas tehnoloģija

SiC monokristālu aukstā atdalīšana ir inovatīvs process trešās paaudzes pusvadītāju materiālu apstrādes jomā. Pēdējos gados tas ir piesaistījis ievērojamu uzmanību, pateicoties tā ievērojamajām priekšrocībām ražas uzlabošanā un materiālu zudumu samazināšanā. Tehnoloģiju var analizēt no trim aspektiem: darbības principa, procesa plūsmas un galvenajām priekšrocībām.

Kristāla orientācijas noteikšana un ārējā diametra slīpēšana: Pirms apstrādes ir jānosaka SiC lietņa kristāla orientācija. Pēc tam lietnis tiek veidots cilindriskā struktūrā (parasti saukts par SiC ripu), slīpējot ārējo diametru. Šis solis liek pamatu sekojošai virziena griešanai un sagriešanai.

Daudzvadu griešana: šī metode cilindriskā lietņa griešanai izmanto abrazīvas daļiņas apvienojumā ar griešanas stieplēm. Tomēr tai ir ievērojami griezuma zudumi un virsmas nelīdzenuma problēmas.

Lāzergriešanas tehnoloģija: Lāzers tiek izmantots, lai kristālā izveidotu modificētu slāni, no kura var atdalīt plānas šķēles. Šī pieeja samazina materiāla zudumus un uzlabo apstrādes efektivitāti, padarot to par daudzsološu jaunu virzienu SiC plākšņu griešanai.

Griešanas procesa optimizācija

Fiksēta abrazīva daudzvadu griešana: šī pašlaik ir plaši izplatīta tehnoloģija, kas ir labi piemērota SiC augstajām cietības īpašībām.

Elektroerozijas apstrāde (EDM) un aukstās atdalīšanas tehnoloģija: šīs metodes nodrošina daudzveidīgus risinājumus, kas pielāgoti īpašām prasībām.

Pulēšanas process: Ir svarīgi līdzsvarot materiāla noņemšanas ātrumu un virsmas bojājumus. Ķīmiskā mehāniskā pulēšana (ĶMP) tiek izmantota, lai uzlabotu virsmas vienmērīgumu.

Reāllaika uzraudzība: tiek ieviestas tiešsaistes pārbaudes tehnoloģijas, lai reāllaikā uzraudzītu virsmas raupjumu.

Lāzera griešana: šī metode samazina griezuma zudumus un saīsina apstrādes ciklus, lai gan termiski ietekmētā zona joprojām ir problēma.

Hibrīdās apstrādes tehnoloģijas: mehānisko un ķīmisko metožu apvienošana uzlabo apstrādes efektivitāti.

Šī tehnoloģija jau ir sasniegusi rūpniecisku pielietojumu. Piemēram, Infineon iegādājās SILTECTRA un tagad ir ieguvis galvenos patentus, kas atbalsta 8 collu vafeļu masveida ražošanu. Ķīnā tādi uzņēmumi kā Delong Laser ir sasnieguši 30 vafeļu ražošanas efektivitāti uz lietni 6 collu vafeļu apstrādē, kas ir par 40 % labāk nekā tradicionālajās metodēs.

Paātrinoties vietējo iekārtu ražošanai, paredzams, ka šī tehnoloģija kļūs par galveno risinājumu SiC substrātu apstrādē. Pieaugot pusvadītāju materiālu diametram, tradicionālās griešanas metodes ir novecojušas. Starp pašreizējām iespējām visdaudzsološākās pielietojuma iespējas ir dimanta stieples zāģa tehnoloģijai. Lāzergriešana kā jauna tehnika piedāvā ievērojamas priekšrocības un paredzams, ka nākotnē tā kļūs par galveno griešanas metodi.

2.SiC monokristāla slīpēšana

Kā trešās paaudzes pusvadītāju pārstāvis, silīcija karbīds (SiC) piedāvā ievērojamas priekšrocības, pateicoties tā plašajai joslas spraugai, augstajam sabrukšanas elektriskajam laukam, augstajam piesātinājuma elektronu dreifa ātrumam un lieliskajai siltumvadītspējai. Šīs īpašības padara SiC īpaši izdevīgu augstsprieguma lietojumos (piemēram, 1200 V vidē). SiC substrātu apstrādes tehnoloģija ir būtiska ierīču ražošanas sastāvdaļa. Substrāta virsmas kvalitāte un precizitāte tieši ietekmē epitaksiālā slāņa kvalitāti un gatavās ierīces veiktspēju.

Slīpēšanas procesa galvenais mērķis ir noņemt virsmas zāģa pēdas un griešanas laikā radušos bojājumu slāņus, kā arī koriģēt griešanas procesa izraisīto deformāciju. Ņemot vērā SiC ārkārtīgi augsto cietību, slīpēšanai nepieciešams izmantot cietus abrazīvus, piemēram, bora karbīdu vai dimantu. Parastā slīpēšana parasti tiek iedalīta rupjā slīpēšanā un smalkajā slīpēšanā.

2.1 Rupja un smalka malšana

Slīpēšanu var iedalīt kategorijās pēc abrazīvo daļiņu lieluma:

Rupja slīpēšana: Izmanto lielākus abrazīvus galvenokārt, lai noņemtu zāģa pēdas un bojājumu slāņus, kas radušies griešanas laikā, uzlabojot apstrādes efektivitāti.

Smalka slīpēšana: izmanto smalkākus abrazīvus, lai noņemtu rupjās slīpēšanas atstāto bojājuma slāni, samazinātu virsmas raupjumu un uzlabotu virsmas kvalitāti.

Daudzi vietējie SiC substrātu ražotāji izmanto liela mēroga ražošanas procesus. Izplatīta metode ietver divpusēju slīpēšanu, izmantojot čuguna plāksni un monokristālisku dimanta suspensiju. Šis process efektīvi noņem bojāto slāni, kas palicis pēc stieples zāģēšanas, koriģē vafeļu formu un samazina TTV (kopējā biezuma variāciju), izliekumu un deformāciju. Materiāla noņemšanas ātrums ir stabils, parasti sasniedzot 0,8–1,2 μm/min. Tomēr iegūtā vafeļu virsma ir matēta ar relatīvi augstu raupjumu — parasti aptuveni 50 nm —, kas rada augstākas prasības turpmākajiem pulēšanas posmiem.

2.2 Vienpusēja slīpēšana

Vienpusēja slīpēšana apstrādā tikai vienu vafeles pusi vienlaikus. Šī procesa laikā vafele tiek vaskotā veidā uzstiprināta uz tērauda plāksnes. Pielietotā spiediena ietekmē substrāts nedaudz deformējas, un augšējā virsma tiek saplacināta. Pēc slīpēšanas apakšējā virsma tiek izlīdzināta. Kad spiediens tiek noņemts, augšējā virsma atgūst sākotnējo formu, kas ietekmē arī jau noslīpēto apakšējo virsmu, izraisot abu pušu deformāciju un līdzenuma samazināšanos.

Turklāt slīpēšanas plāksne īsā laikā var kļūt ieliekta, izraisot vafeles izliekumu. Lai saglabātu plāksnes līdzenumu, ir nepieciešama bieža apstrāde. Zemās efektivitātes un sliktā vafeles līdzenuma dēļ vienpusēja slīpēšana nav piemērota masveida ražošanai.

Parasti smalkai slīpēšanai izmanto #8000 slīpripas. Japānā šis process ir samērā nobriedis un pat izmanto #30000 pulēšanas ripas. Tas ļauj apstrādāto plākšņu virsmas raupjumu samazināt līdz mazāk nekā 2 nm, padarot plāksnītes gatavas galīgajai ķīmiskajai mehāniskajai pulēšanai (CMP) bez papildu apstrādes.

2.3 Vienpusēja retināšanas tehnoloģija

Dimanta vienpusējās slīpēšanas tehnoloģija ir jauna vienpusējās slīpēšanas metode. Kā parādīts 5. attēlā (šeit nav parādīts), procesā tiek izmantota ar dimantu saistīta slīpēšanas plāksne. Plāksne tiek fiksēta ar vakuuma adsorbcijas palīdzību, kamēr gan plāksne, gan dimanta slīpripa griežas vienlaicīgi. Slīpripa pakāpeniski virzās uz leju, lai plāksni padarītu plānu līdz mērķa biezumam. Pēc vienas puses apstrādes plāksne tiek apgriezta, lai apstrādātu otru pusi.

Pēc retināšanas 100 mm vafele var sasniegt:

Izliekums < 5 μm

TTV < 2 μm

Virsmas raupjums < 1 nm

Šī vienas plāksnes apstrādes metode piedāvā augstu stabilitāti, izcilu konsistenci un augstu materiāla noņemšanas ātrumu. Salīdzinot ar parasto divpusējo slīpēšanu, šī metode uzlabo slīpēšanas efektivitāti par vairāk nekā 50%.

2.4 Divpusēja slīpēšana

Divpusējā slīpēšanā tiek izmantota gan augšējā, gan apakšējā slīpēšanas plāksne, lai vienlaikus slīpētu abas pamatnes puses, nodrošinot izcilu virsmas kvalitāti abās pusēs.

Procesa laikā slīpēšanas plāksnes vispirms pieliek spiedienu sagataves augstākajiem punktiem, izraisot deformāciju un pakāpenisku materiāla noņemšanu šajos punktos. Izlīdzinot augstākās vietas, spiediens uz pamatni pakāpeniski kļūst vienmērīgāks, kā rezultātā tiek panākta vienmērīga deformācija visā virsmā. Tas ļauj vienmērīgi noslīpēt gan augšējo, gan apakšējo virsmu. Kad slīpēšana ir pabeigta un spiediens ir atbrīvots, katra pamatnes daļa vienmērīgi atgūstas, pateicoties vienādam spiedienam. Tas nodrošina minimālu deformāciju un labu līdzenumu.

Plāksnes virsmas raupjums pēc slīpēšanas ir atkarīgs no abrazīvā daļiņu izmēra — mazākas daļiņas nodrošina gludākas virsmas. Izmantojot 5 μm abrazīvus divpusējai slīpēšanai, plāksnes plakanumu un biezuma izmaiņas var kontrolēt 5 μm robežās. Atomu spēka mikroskopijas (AFM) mērījumi uzrāda aptuveni 100 nm virsmas raupjumu (Rq) ar slīpēšanas bedrēm līdz 380 nm dziļumā un redzamām lineārām atzīmēm, ko rada abrazīvā darbība.

Uzlabotāka metode ietver divpusēju slīpēšanu, izmantojot poliuretāna putu spilventiņus apvienojumā ar polikristālisku dimanta suspensiju. Šis process rada plāksnes ar ļoti zemu virsmas raupjumu, sasniedzot Ra < 3 nm, kas ir ļoti noderīgi sekojošai SiC substrātu pulēšanai.

Tomēr virsmas skrāpēšana joprojām ir neatrisināta problēma. Turklāt šajā procesā izmantotais polikristāliskais dimants tiek iegūts, izmantojot sprādzienbīstamu sintēzi, kas ir tehniski sarežģīta, rada nelielus daudzumus un ir ārkārtīgi dārga.

SiC monokristālu pulēšana

Lai iegūtu augstas kvalitātes pulētu virsmu uz silīcija karbīda (SiC) plāksnēm, pulēšanas procesā ir pilnībā jānoņem slīpēšanas bedres un nanometru mēroga virsmas viļņošanās. Mērķis ir iegūt gludu, bez defektiem esošu virsmu bez piesārņojuma vai degradācijas, bez bojājumiem zem virsmas un bez atlikušā virsmas sprieguma.

3.1 SiC plākšņu mehāniskā pulēšana un CMP

Pēc SiC monokristāla stieņa audzēšanas virsmas defekti neļauj to tieši izmantot epitaksiālai audzēšanai. Tāpēc ir nepieciešama turpmāka apstrāde. Lietnis vispirms tiek veidots standarta cilindriskā formā, to noapaļojot, pēc tam ar stieples griešanu sagriezts plāksnēs, kam seko kristalogrāfiskās orientācijas pārbaude. Pulēšana ir kritisks solis plāksnīšu kvalitātes uzlabošanā, novēršot iespējamos virsmas bojājumus, ko rada kristāla augšanas defekti un iepriekšējās apstrādes darbības.

SiC virsmas bojājumu slāņu noņemšanai ir četras galvenās metodes:

Mehāniskā pulēšana: Vienkārša, bet atstāj skrambas; piemērota sākotnējai pulēšanai.

Ķīmiskā mehāniskā pulēšana (ĶMP): Noņem skrāpējumus, izmantojot ķīmisko kodināšanu; piemērota precīzai pulēšanai.

Ūdeņraža kodināšana: Nepieciešams sarežģīts aprīkojums, ko parasti izmanto augstas temperatūras gāzveida vēnu (HTCVD) procesos.

Plazmas pulēšana: sarežģīta un reti izmantota.

Mehāniska pulēšana parasti rada skrāpējumus, savukārt ķīmiska pulēšana var izraisīt nevienmērīgu kodināšanu. Ķīmiskā pulēšana (CMP) apvieno abas priekšrocības un piedāvā efektīvu un rentablu risinājumu.

CMP darbības princips

KMP darbojas, rotējot plāksni zem noteikta spiediena pret rotējošu pulēšanas spilventiņu. Šī relatīvā kustība apvienojumā ar mehānisko nobrāzumu no nanoizmēra abrazīviem suspensijā un reaktīvo vielu ķīmisko iedarbību panāk virsmas planarizāciju.

Galvenie izmantotie materiāli:

Pulēšanas suspensija: Satur abrazīvus materiālus un ķīmiskos reaģentus.

Pulēšanas spilventiņš: Lietošanas laikā nodilst, samazinot poru izmēru un pulvera padeves efektivitāti. Lai atjaunotu raupjumu, nepieciešama regulāra pulēšana, parasti izmantojot dimanta pulētāju.

Tipisks CMP process

Abrazīvs: 0,5 μm dimanta suspensija

Mērķa virsmas raupjums: ~0,7 nm

Ķīmiskā mehāniskā pulēšana:

Pulēšanas aprīkojums: vienpusējs pulētājs AP-810

Spiediens: 200 g/cm²

Plāksnes ātrums: 50 apgr./min

Keramikas turētāja ātrums: 38 apgr./min

Šķidruma sastāvs:

SiO₂ (30 svara %, pH = 10,15)

0–70 masas % H₂O₂ (30 masas %, reaģenta kvalitātes)

Pielāgojiet pH līdz 8,5, izmantojot 5 masas% KOH un 1 masas% HNO₃

Šķidruma plūsmas ātrums: 3 l/min, recirkulēts

Šis process efektīvi uzlabo SiC vafeļu kvalitāti un atbilst pakārtoto procesu prasībām.

Tehniskie izaicinājumi mehāniskajā pulēšanā

SiC kā platjoslas pusvadītājs spēlē būtisku lomu elektronikas rūpniecībā. Pateicoties izcilām fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām, SiC monokristāli ir piemēroti ekstremālām vidēm, piemēram, augstai temperatūrai, augstai frekvencei, lielai jaudai un izturībai pret starojumu. Tomēr tā cietais un trauslais raksturs rada nopietnas problēmas slīpēšanā un pulēšanā.

Tā kā vadošie pasaules ražotāji pāriet no 6 collu uz 8 collu plāksnēm, tādas problēmas kā plaisāšana un plākšņu bojājumi apstrādes laikā ir kļuvušas izteiktākas, būtiski ietekmējot ražu. 8 collu SiC substrātu tehnisko izaicinājumu risināšana tagad ir galvenais nozares attīstības kritērijs.

8 collu laikmetā SiC vafeļu apstrāde saskaras ar daudzām problēmām:

Lai palielinātu mikroshēmu izlaidi katrā partijā, samazinātu malu zudumus un samazinātu ražošanas izmaksas, ir nepieciešama plākšņu mērogošana, īpaši ņemot vērā pieaugošo pieprasījumu pēc elektrotransportlīdzekļu lietojumiem.

Lai gan 8 collu SiC monokristālu augšana ir nobriedusi, tādi sekundārie procesi kā slīpēšana un pulēšana joprojām saskaras ar sarežģījumiem, kā rezultātā raža ir zema (tikai 40–50%).

Lielākām plāksnēm ir sarežģītāks spiediena sadalījums, kas palielina grūtības pārvaldīt pulēšanas stresu un nodrošināt vienmērīgu ražu.

Lai gan 8 collu vafeļu biezums tuvojas 6 collu vafeļu biezumam, tās ir vairāk pakļautas bojājumiem apstrādes laikā stresa un deformācijas dēļ.

Lai samazinātu griešanas laikā radušos spriegumu, deformāciju un plaisāšanu, arvien vairāk tiek izmantota lāzergriešana. Tomēr:

Garviļņu lāzeri rada termiskus bojājumus.

Īsviļņu lāzeri rada smagus gružus un padziļina bojājuma slāni, palielinot pulēšanas sarežģītību.

SiC mehāniskās pulēšanas darbplūsma

Vispārējā procesa plūsma ietver:

Orientācijas griešana

Rupja malšana

Smalka malšana

Mehāniskā pulēšana

Ķīmiskā mehāniskā pulēšana (ĶMP) kā pēdējais solis

KMP metodes izvēlei, procesa maršruta izstrādei un parametru optimizācijai ir izšķiroša nozīme. Pusvadītāju ražošanā KMP ir noteicošais solis SiC plākšņu ražošanā ar īpaši gludām, bez defektiem un bojājumiem virsmām, kas ir būtiski augstas kvalitātes epitaksiālai augšanai.

a) Izņemt SiC lietni no tīģeļa;

(b) Veikt sākotnējo formēšanu, izmantojot ārējā diametra slīpēšanu;

(c) Nosakiet kristāla orientāciju, izmantojot izlīdzināšanas plaknes vai iecirtumus;

(d) Sagrieziet lietni plānās plāksnēs, izmantojot daudzvadu zāģi;

(e) Panākt spoguļgludumu, slīpējot un pulējot.

Pēc apstrādes darbību sērijas pabeigšanas SiC plāksnes ārējā mala bieži kļūst asa, kas palielina šķembu risku apstrādes vai lietošanas laikā. Lai izvairītos no šādas trausluma, ir nepieciešama malu slīpēšana.

Papildus tradicionālajiem griešanas procesiem, inovatīva SiC plākšņu sagatavošanas metode ietver līmēšanas tehnoloģiju. Šī pieeja ļauj izgatavot plāksnītes, līmējot plānu SiC monokristāla slāni ar heterogēnu substrātu (balsta substrātu).

3. attēlā parādīta procesa plūsma:

Vispirms, izmantojot ūdeņraža jonu implantāciju vai līdzīgas metodes, uz SiC monokristāla virsmas noteiktā dziļumā tiek izveidots delaminācijas slānis. Apstrādātais SiC monokristāls pēc tam tiek savienots ar plakanu nesošo substrātu un pakļauts spiedienam un karstumam. Tas ļauj veiksmīgi pārnest un atdalīt SiC monokristāla slāni uz nesošo substrātu.

Atdalītais SiC slānis tiek pakļauts virsmas apstrādei, lai sasniegtu nepieciešamo līdzenumu, un to var atkārtoti izmantot turpmākajos līmēšanas procesos. Salīdzinot ar tradicionālo SiC kristālu griešanu, šī metode samazina pieprasījumu pēc dārgiem materiāliem. Lai gan tehniskas problēmas joprojām pastāv, pētniecība un attīstība aktīvi virzās uz priekšu, lai nodrošinātu lētāku vafeļu ražošanu.

Ņemot vērā SiC augsto cietību un ķīmisko stabilitāti, kas padara to izturīgu pret reakcijām istabas temperatūrā, ir nepieciešama mehāniska pulēšana, lai noņemtu smalkas slīpēšanas bedres, samazinātu virsmas bojājumus, novērstu skrāpējumus, bedrītes un apelsīna mizas defektus, samazinātu virsmas raupjumu, uzlabotu līdzenumu un virsmas kvalitāti.

Lai iegūtu augstas kvalitātes pulētu virsmu, ir nepieciešams:

Pielāgojiet abrazīvu veidus,

Samazināt daļiņu izmēru,

Optimizēt procesa parametrus,

Izvēlieties pulēšanas materiālus un spilventiņus ar atbilstošu cietību.

7. attēlā redzams, ka divpusēja pulēšana ar 1 μm abrazīviem materiāliem var kontrolēt līdzenumu un biezuma izmaiņas 10 μm robežās un samazināt virsmas raupjumu līdz aptuveni 0,25 nm.

3.2 Ķīmiskā mehāniskā pulēšana (ĶMP)

Ķīmiskā mehāniskā pulēšana (ĶMP) apvieno īpaši smalku daļiņu abrazīvu apstrādi ar ķīmisko kodināšanu, lai apstrādātajam materiālam izveidotu gludu, plakanu virsmu. Pamatprincips ir šāds:

Starp pulēšanas suspensiju un vafeļa virsmu notiek ķīmiska reakcija, veidojot mīkstu slāni.

Berze starp abrazīvajām daļiņām un mīksto slāni noņem materiālu.

KMP priekšrocības:

Novērš tīri mehāniskas vai ķīmiskas pulēšanas trūkumus,

Sasniedz gan globālu, gan lokālu planarizāciju,

Veido virsmas ar augstu līdzenumu un zemu raupjumu,

Neatstāj virsmas vai pazemes bojājumus.

Detalizēti:

Spiediena ietekmē vafele pārvietojas attiecībā pret pulēšanas spilventiņu.

Nanometra mēroga abrazīvie materiāli (piemēram, SiO₂) suspensijā piedalās bīdes procesā, vājinot Si-C kovalentās saites un uzlabojot materiāla noņemšanu.

CMP metožu veidi:

Brīvā abrazīvā pulēšana: abrazīvie materiāli (piemēram, SiO₂) ir suspendēti suspensijā. Materiāla noņemšana notiek, izmantojot trīsdaļīgu abrazīvu metodi (plāksnīte–spilventiņš–abrazīvs). Lai uzlabotu vienmērīgumu, ir precīzi jākontrolē abrazīvā materiāla izmērs (parasti 60–200 nm), pH līmenis un temperatūra.

Fiksēta abrazīvā pulēšana: abrazīvie materiāli ir iestrādāti pulēšanas spilventiņā, lai novērstu aglomerāciju — ideāli piemērots augstas precizitātes apstrādei.

Tīrīšana pēc pulēšanas:

Pulētas vafeles tiek pakļautas:

Ķīmiskā tīrīšana (ieskaitot dejonizēta ūdens un suspensijas atlikumu noņemšanu),

Skalošana ar dejonizētu ūdeni un

Karstā slāpekļa žāvēšana

lai samazinātu virsmas piesārņotāju daudzumu.

Virsmas kvalitāte un veiktspēja

Virsmas raupjumu var samazināt līdz Ra < 0,3 nm, kas atbilst pusvadītāju epitaksijas prasībām.

Globālā planarizācija: ķīmiskās mīkstināšanas un mehāniskās noņemšanas kombinācija samazina skrāpējumus un nevienmērīgu kodināšanu, pārspējot tīras mehāniskās vai ķīmiskās metodes.

Augsta efektivitāte: Piemērots cietiem un trausliem materiāliem, piemēram, SiC, ar materiāla noņemšanas ātrumu virs 200 nm/h.

Citas jaunās pulēšanas metodes

Papildus CMP ir ierosinātas alternatīvas metodes, tostarp:

Elektroķīmiskā pulēšana, katalizatora atbalstīta pulēšana vai kodināšana, un

Triboķīmiskā pulēšana.

Tomēr šīs metodes joprojām ir pētniecības stadijā un ir attīstījušās lēni SiC sarežģīto materiāla īpašību dēļ.

Galu galā SiC apstrāde ir pakāpenisks deformācijas un raupjuma samazināšanas process, lai uzlabotu virsmas kvalitāti, kur katrā posmā kritiski svarīga ir līdzenuma un raupjuma kontrole.

Apstrādes tehnoloģija

Plākšņu slīpēšanas posmā vafeles slīpēšanai līdz vajadzīgajam līdzenumam un virsmas raupjumam tiek izmantota dimanta suspensija ar dažāda izmēra daļiņām. Pēc tam tiek veikta pulēšana, izmantojot gan mehāniskās, gan ķīmiski mehāniskās pulēšanas (ĶMP) metodes, lai iegūtu nebojātas, pulētas silīcija karbīda (SiC) plāksnītes.

Pēc pulēšanas SiC plāksnēm tiek veikta stingra kvalitātes pārbaude, izmantojot tādus instrumentus kā optiskie mikroskopi un rentgenstaru difraktometri, lai nodrošinātu, ka visi tehniskie parametri atbilst noteiktajiem standartiem. Visbeidzot, pulētās plāksnītes tiek notīrītas, izmantojot specializētus tīrīšanas līdzekļus un īpaši tīru ūdeni, lai noņemtu virsmas piesārņotājus. Pēc tam tās tiek žāvētas, izmantojot īpaši tīru slāpekļa gāzi un centrifūgas, pabeidzot visu ražošanas procesu.

Pēc vairāku gadu pūlēm Ķīnā ir panākts ievērojams progress SiC monokristālu apstrādē. Vietējā tirgū ir veiksmīgi izstrādāti 100 mm leģēti daļēji izolējoši 4H-SiC monokristāli, un n-tipa 4H-SiC un 6H-SiC monokristālus tagad var ražot partijās. Tādi uzņēmumi kā TankeBlue un TYST jau ir izstrādājuši 150 mm SiC monokristālus.

Runājot par SiC plākšņu apstrādes tehnoloģiju, vietējās iestādes ir provizoriski izpētījušas kristālu griešanas, slīpēšanas un pulēšanas procesa apstākļus un veidus. Tās spēj ražot paraugus, kas pamatā atbilst ierīču ražošanas prasībām. Tomēr, salīdzinot ar starptautiskajiem standartiem, vietējo plākšņu virsmas apstrādes kvalitāte joprojām ievērojami atpaliek. Pastāv vairākas problēmas:

Starptautiskās SiC teorijas un apstrādes tehnoloģijas ir stingri aizsargātas un nav viegli pieejamas.

Trūkst teorētisku pētījumu un atbalsta procesu uzlabošanai un optimizācijai.

Ārvalstu iekārtu un komponentu importa izmaksas ir augstas.

Vietējie pētījumi par iekārtu dizainu, apstrādes precizitāti un materiāliem joprojām uzrāda ievērojamas atšķirības salīdzinājumā ar starptautisko līmeni.

Pašlaik lielākā daļa Ķīnā izmantoto augstas precizitātes instrumentu tiek importēti. Arī testēšanas iekārtas un metodoloģijas ir jāuzlabo.

Turpinoties trešās paaudzes pusvadītāju attīstībai, SiC monokristālu substrātu diametrs nepārtraukti palielinās, kā arī pieaug prasības virsmas apstrādes kvalitātei. Plākšņu apstrādes tehnoloģija ir kļuvusi par vienu no tehniski sarežģītākajiem posmiem pēc SiC monokristālu audzēšanas.

Lai risinātu esošās apstrādes problēmas, ir svarīgi turpināt pētīt griešanas, slīpēšanas un pulēšanas mehānismus, kā arī izpētīt piemērotas SiC plākšņu ražošanas procesa metodes un veidus. Vienlaikus ir nepieciešams mācīties no progresīvām starptautiskām apstrādes tehnoloģijām un ieviest modernākās īpaši precīzas apstrādes metodes un iekārtas augstas kvalitātes substrātu ražošanai.

Palielinoties vafeļu izmēram, pieaug arī kristālu audzēšanas un apstrādes grūtības. Tomēr pakārtoto ierīču ražošanas efektivitāte ievērojami uzlabojas, un vienības izmaksas samazinās. Pašlaik galvenie SiC vafeļu piegādātāji visā pasaulē piedāvā produktus ar diametru no 4 līdz 6 collām. Vadošie uzņēmumi, piemēram, Cree un II-VI, jau ir sākuši plānot 8 collu SiC vafeļu ražošanas līniju attīstību.