K: Millised on SiC-vahvlite viilutamisel ja töötlemisel kasutatavad peamised tehnoloogiad?
A:Ränikarbiid (SiC) kõvadus on teisel kohal ainult teemandi järel ning seda peetakse väga kõvaks ja hapraks materjaliks. Lõikamisprotsess, mis hõlmab kasvatatud kristallide lõikamist õhukesteks vahvliteks, on aeganõudev ja kalduvus purunemisele. Esimese sammunaränikarbiidMonokristalli töötlemisel mõjutab viilutamise kvaliteet oluliselt järgnevat lihvimist, poleerimist ja hõrenemist. Viilutamine tekitab sageli pinna- ja pinnaaluseid pragusid, suurendades kiipide purunemismäära ja tootmiskulusid. Seetõttu on pinnapragude kahjustuste kontrollimine viilutamise ajal SiC-seadmete valmistamise edendamiseks ülioluline.
Praegu teadaolevate SiC viilutamismeetodite hulka kuuluvad fikseeritud abrasiiviga ja vaba abrasiiviga viilutamine, laserlõikus, kihiülekanne (külmeraldus) ja elektrilahendusviilutamine. Nende hulgas on SiC monokristallide töötlemiseks kõige sagedamini kasutatav meetod edasi-tagasi liikuv mitmetraadiline viilutamine fikseeritud teemantlihvijatega. Kuna valuplokkide suurused ulatuvad aga 8 tolli ja rohkem, muutub traditsiooniline traatsaagimine suure seadmete nõudluse, kulude ja madala efektiivsuse tõttu vähem praktiliseks. On tungiv vajadus odavate, väikese kadudega ja suure tõhususega viilutamistehnoloogiate järele.
K: Millised on laserlõikuse eelised traditsioonilise mitmejuhtmelise lõikamise ees?
A: Traditsiooniline trosssaagimine lõikabSiC valuplokkteatud suunas mitmesaja mikroni paksusteks viiludeks. Seejärel lihvitakse viile teemantlihvidega, et eemaldada saejäljed ja pinnaalused kahjustused, millele järgneb keemilis-mehaaniline poleerimine (CMP), et saavutada üldine tasapinnalisus, ja lõpuks puhastatakse, et saada SiC-plaadid.
SiC kõrge kõvaduse ja rabeduse tõttu võivad need etapid kergesti põhjustada deformeerumist, pragunemist, suurenenud purunemismäära, kõrgemaid tootmiskulusid ning põhjustada suurt pinnakaredust ja saastumist (tolm, reovesi jne). Lisaks on traatsaagimine aeglane ja madala saagikusega. Hinnangute kohaselt saavutatakse traditsioonilise mitmetraadilise viilutamise abil vaid umbes 50% materjali ärakasutamine ning pärast poleerimist ja lihvimist läheb kaotsi kuni 75% materjalist. Varased välismaised tootmisandmed näitasid, et 10 000 vahvli tootmiseks võib kuluda umbes 273 päeva pidevat 24-tunnist tootmist – väga aeganõudev.
Kodumaal keskenduvad paljud SiC-kristallide kasvuettevõtted ahjude võimsuse suurendamisele. Kuid toodangu laiendamise asemel on olulisem kaaluda, kuidas vähendada kadusid – eriti kui kristallide kasvu saagis pole veel optimaalne.
Laserlõikusseadmed võivad oluliselt vähendada materjali kadu ja parandada saagikust. Näiteks ühe 20 mmSiC valuplokkTraatsaagimisega on võimalik saada umbes 30 350 μm paksust vahvlit. Laserlõikusega on võimalik saada üle 50 vahvli. Kui vahvli paksust vähendada 200 μm-ni, saab samast valuplokist toota üle 80 vahvli. Kuigi traatsaagimist kasutatakse laialdaselt 6-tolliste ja väiksemate vahvlite puhul, võib 8-tollise SiC-valuploki viilutamine traditsiooniliste meetoditega võtta 10–15 päeva, nõudes tipptasemel seadmeid ning põhjustades suuri kulusid ja madalat efektiivsust. Nendes tingimustes muutuvad laserlõikamise eelised selgeks, muutes selle 8-tolliste vahvlite peamiseks tulevikutehnoloogiaks.
Laserlõikuse korral võib 8-tollise vahvli viilutamisaeg olla alla 20 minuti ja materjalikadu vahvli kohta alla 60 μm.
Kokkuvõttes pakub laserlõikus võrreldes mitmejuhtmelise lõikamisega suuremat kiirust, paremat saagikust, väiksemat materjalikadu ja puhtamat töötlemist.
K: Millised on SiC-laserlõikamise peamised tehnilised väljakutsed?
A: Laserlõikusprotsess hõlmab kahte peamist etappi: lasermodifitseerimist ja vahvlite eraldamist.
Lasermodifitseerimise tuumaks on kiire kujundamine ja parameetrite optimeerimine. Parameetrid, nagu laseri võimsus, täpi läbimõõt ja skaneerimiskiirus, mõjutavad kõik materjali ablatsiooni kvaliteeti ja järgneva kiibi eraldamise edukust. Modifitseeritud tsooni geomeetria määrab pinna kareduse ja eraldamise raskuse. Suur pinna karedus raskendab hilisemat lihvimist ja suurendab materjali kadu.
Pärast modifitseerimist saavutatakse kiipide eraldamine tavaliselt nihkejõudude, näiteks külmmurru või mehaanilise pinge abil. Mõned kodumajapidamises kasutatavad süsteemid kasutavad eraldamiseks vibratsioonide tekitamiseks ultraheliandureid, kuid see võib põhjustada mõrasid ja servadefekte, mis vähendab lõppsaagist.
Kuigi need kaks etappi ei ole oma olemuselt keerulised, mõjutavad kristallide kvaliteedi ebakõlad – mis on tingitud erinevatest kasvuprotsessidest, legeerimistasemetest ja sisepingete jaotusest – oluliselt viilutamise raskusastet, saagikust ja materjalikadu. Ainult probleemsete alade tuvastamine ja laserskannimistsoonide reguleerimine ei pruugi tulemusi oluliselt parandada.
Laialdase kasutuselevõtu võti peitub uuenduslike meetodite ja seadmete väljatöötamises, mis suudavad kohanduda erinevate tootjate laia kristallikvaliteediga toodetega, protsessiparameetrite optimeerimises ja universaalselt rakendatavate laserlõikussüsteemide loomises.
K: Kas laserlõikustehnoloogiat saab rakendada ka teistele pooljuhtmaterjalidele peale SiC?
A: Laserlõikustehnoloogiat on ajalooliselt rakendatud väga erinevate materjalide puhul. Pooljuhtides kasutati seda algselt vahvlite tükeldamiseks ja on sellest ajast alates laienenud suurte monokristallide viilutamiseks.
Lisaks ränikarbiidile (SiC) saab laserlõikust kasutada ka teiste kõvade või habraste materjalide, näiteks teemandi, galliumnitriidi (GaN) ja galliumoksiidi (Ga₂O₃) puhul. Nende materjalide esialgsed uuringud on näidanud laserlõikuse teostatavust ja eeliseid pooljuhtide rakendustes.
K: Kas praegu on olemas küpseid kodumaiseid laserlõikusseadmete tooteid? Millises etapis teie uuringud on?
A: Suure läbimõõduga SiC-laserlõikusseadmeid peetakse laialdaselt 8-tolliste SiC-plaatide tootmise tuleviku põhiseadmeteks. Praegu suudab selliseid süsteeme pakkuda ainult Jaapan ning need on kallid ja ekspordipiirangute all.
Laserlõikus-/hõõrdesüsteemide sisenõudlus on hinnanguliselt umbes 1000 ühikut, mis põhineb ränikarbiidi (SiC) tootmisplaanidel ja olemasoleval traatsae tootmisvõimsusel. Suured kodumaised ettevõtted on investeerinud arendusse suuri summasid, kuid ükski küps, kaubanduslikult saadaval olev kodumaine seade pole veel tööstuslikku kasutuselevõttu jõudnud.
Uurimisrühmad on alates 2001. aastast arendanud patenteeritud laserkiirendustehnoloogiat ja on seda nüüd laiendanud suure läbimõõduga SiC-laseriga viilutamiseks ja õhendamiseks. Nad on välja töötanud prototüüpsüsteemi ja viilutamisprotsessid, mis on võimelised: Lõikama ja õhendama 4–6-tolliseid poolisoleerivaid SiC-plaate; Viilutama 6–8-tolliseid juhtivaid SiC-valuplokke. Jõudlusnäitajad: 6–8-tolline poolisoleeriv SiC: viilutamisaeg 10–15 minutit/plaat; materjalikadu <30 μm; 6–8-tolline juhtiv SiC: viilutamisaeg 14–20 minutit/plaat; materjalikadu <60 μm.
Eeldatav vahvlite saagikus suurenes üle 50%
Pärast viilutamist vastavad vahvlid lihvimise ja poleerimise järel riiklikele geomeetria standarditele. Uuringud näitavad ka, et laseri poolt indutseeritud termilised efektid ei mõjuta oluliselt vahvlite pinget ega geomeetriat.
Sama seadet on kasutatud ka teemantide, GaN-i ja Ga₂O₃ monokristallide viilutamise teostatavuse kontrollimiseks.
Postituse aeg: 23. mai 2025