SiC vahvlite töötlemise tehnoloogia praegune olukord ja suundumused

Kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalinaränikarbiid (SiC)Monokristallil on laialdased rakendusvõimalused kõrgsageduslike ja suure võimsusega elektroonikaseadmete tootmisel. SiC töötlemistehnoloogial on otsustav roll kvaliteetsete alusmaterjalide tootmisel. See artikkel tutvustab SiC töötlemistehnoloogiate uurimistöö praegust seisu nii Hiinas kui ka välismaal, analüüsides ja võrreldes lõikamis-, lihvimis- ja poleerimisprotsesside mehhanisme, samuti vahvlite tasapinna ja pinna kareduse suundumusi. Samuti tuuakse välja SiC vahvlite töötlemisel esinevad väljakutsed ja arutatakse edasisi arengusuundi.

Ränikarbiid (SiC)Vahvlid on kolmanda põlvkonna pooljuhtseadmete kriitilise tähtsusega alusmaterjalid ning neil on märkimisväärne tähtsus ja turupotentsiaal sellistes valdkondades nagu mikroelektroonika, jõuelektroonika ja pooljuhtvalgustus. Tänu äärmiselt kõrgele kõvadusele ja keemilisele stabiilsuseleSiC monokristallidtraditsioonilised pooljuhtide töötlemismeetodid ei ole nende töötlemiseks täielikult sobivad. Kuigi paljud rahvusvahelised ettevõtted on läbi viinud ulatuslikke uuringuid SiC-monokristallide tehniliselt nõudliku töötlemise kohta, hoitakse asjakohaseid tehnoloogiaid rangelt konfidentsiaalsena.

Viimastel aastatel on Hiina suurendanud jõupingutusi ränikarbiidi (SiC) monokristallmaterjalide ja -seadmete arendamiseks. SiC-seadmete tehnoloogia arengut riigis piiravad aga praegu töötlemistehnoloogiate ja kiipide kvaliteedi piirangud. Seetõttu on Hiina jaoks oluline parandada ränikarbiidi (SiC) töötlemisvõimalusi, et parandada ränikarbiidi (SiC) monokristallide substraatide kvaliteeti ning saavutada nende praktiline rakendamine ja masstootmine.

Peamised töötlemisetapid hõlmavad järgmist: lõikamine → jämedateraline lihvimine → peenlihvimine → töötlemata poleerimine (mehaaniline poleerimine) → peenlihvimine (keemiline mehaaniline poleerimine, CMP) → kontroll.

SiC monokristallide lõikamine

TöötlemiselSiC monokristallidLõikamine on esimene ja väga oluline samm. Lõikamisprotsessist tulenev vahvli kumerus, deformatsioon ja kogupaksuse kõikumine (TTV) määravad järgnevate lihvimis- ja poleerimistoimingute kvaliteedi ja efektiivsuse.

Lõikeriistu saab kuju järgi liigitada teemant siseläbimõõduga (ID) saagideks, välisläbimõõduga (OD) saagideks, lintsaagideks ja trosssaagideks. Trosssaagid omakorda saab liikumistüübi järgi liigitada edasi-tagasi liikuvateks ja silmus- (lõputu) traatsüsteemideks. Abrasiivi lõikemehhanismi põhjal saab trosssaagiga viilutamise tehnikad jagada kahte tüüpi: vaba abrasiivtraadiga saagimine ja fikseeritud abrasiivtraadiga saagimine.

1.1 Traditsioonilised lõikemeetodid

Välisläbimõõduga (OD) saagide lõikesügavust piirab tera läbimõõt. Lõikamisprotsessi ajal on tera altid vibratsioonile ja kõrvalekalletele, mille tulemuseks on kõrge müratase ja halb jäikus. Siseläbimõõduga (ID) saed kasutavad tera siseperimeetril lõikeservana teemantlihvijaid. Need terad võivad olla kuni 0,2 mm paksused. Lõikamise ajal pöörleb ID-tera suurel kiirusel, samal ajal kui lõigatav materjal liigub tera keskpunkti suhtes radiaalselt, saavutades selle suhtelise liikumise abil viilutamise.

Teemantlintsaed vajavad sagedasi peatusi ja tagasikäike ning lõikekiirus on väga madal – tavaliselt mitte üle 2 m/s. Samuti kannatavad nad märkimisväärse mehaanilise kulumise ja kõrgete hoolduskulude all. Saelehe laiuse tõttu ei saa lõikeraadius olla liiga väike ja mitme lõikega lõikamine pole võimalik. Neid traditsioonilisi saagimisriistu piirab aluse jäikus ning need ei saa teha kõveraid lõikeid ega ole piiratud pöörderaadiusega. Need on võimelised tegema ainult sirgeid lõikeid, tekitavad laiu lõikeid, on madala saagikusega ja seetõttu ei sobi lõikamiseks.SiC kristallid.

1.2 Tasuta abrasiivtraadist saega mitme traadiga lõikamine

Vaba abrasiivse traatsaega lõikamise tehnika kasutab traadi kiiret liikumist, et viia lobri lõikelõikesse, võimaldades materjali eemaldamist. See kasutab peamiselt edasi-tagasi liikuvat struktuuri ja on praegu küps ja laialdaselt kasutatav meetod monokristallilise räni tõhusaks mitme kiibi lõikamiseks. Selle rakendamist ränikarbiidi (SiC) lõikamisel on aga vähem uuritud.

Vabalt abrasiivsed traatsaed suudavad töödelda plaate paksusega alla 300 μm. Need pakuvad väikest lõikekadu, põhjustavad harva mõrasid ja annavad suhteliselt hea pinnakvaliteedi. Kuid materjali eemaldamise mehhanismi tõttu – mis põhineb abrasiivide valtsimisel ja taandamisel – kipub plaadi pinnale tekkima märkimisväärne jääkpinge, mikropraod ja sügavamad kahjustuskihid. See viib plaadi deformeerumiseni, raskendab pinnaprofiili täpsuse kontrollimist ja suurendab koormust järgnevatel töötlemisetappidel.

Lõiketulemust mõjutab oluliselt lobri; on vaja säilitada abrasiivide teravust ja lobri kontsentratsiooni. Lobi töötlemine ja ringlussevõtt on kulukad. Suurte valuplokkide lõikamisel on abrasiividel raskusi sügavate ja pikkade lõikepilude läbimisega. Sama abrasiivse tera suuruse korral on lõikepilu kadu suurem kui fikseeritud abrasiivtraadist saagidel.

1.3 Fikseeritud abrasiivne teemanttraadist sae mitme traadiga lõikamine

Fikseeritud abrasiivsed teemanttraadist saed valmistatakse tavaliselt teemantosakeste kinnitamise teel terastraadist aluspinnale galvaniseerimise, paagutamise või vaiguga liimimise meetodite abil. Galvaaniliselt kaetud teemanttraadist saed pakuvad eeliseid, nagu kitsamad lõikepinnad, parem viilukvaliteet, suurem efektiivsus, väiksem saastumine ja võime lõigata suure kõvadusega materjale.

Edasi-tagasi liikuv galvaaniliselt kaetud teemanttraadist saag on praegu kõige laialdasemalt kasutatav meetod ränikarbiidi (SiC) lõikamiseks. Joonis 1 (siin pole näidatud) illustreerib selle tehnika abil lõigatud ränikarbiidi (SiC) vahvlite pinna tasasust. Lõikamise edenedes vahvli kõverdumine suureneb. Selle põhjuseks on asjaolu, et traadi ja materjali vaheline kontaktpind suureneb traadi allapoole liikumisel, suurendades takistust ja traadi vibratsiooni. Kui traat saavutab vahvli maksimaalse läbimõõdu, on vibratsioon haripunktis, mille tulemuseks on maksimaalne kõverdumine.

Lõikamise hilisemates etappides halveneb kiibi pinna kvaliteet traadi kiirenduse, stabiilse kiirusega liikumise, aeglustuse, peatumise ja tagasipööramise ning jahutusvedelikuga prahi eemaldamise raskuste tõttu. Traadi tagasipööramine ja kiiruse kõikumised, samuti traadil olevad suured teemantosakesed on pinnakriimustuste peamised põhjused.

1.4 Külmeraldustehnoloogia

SiC-monokristallide külmeraldamine on uuenduslik protsess kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalide töötlemise valdkonnas. Viimastel aastatel on see pälvinud märkimisväärset tähelepanu oma märkimisväärsete eeliste tõttu saagise parandamisel ja materjalikadude vähendamisel. Tehnoloogiat saab analüüsida kolmest aspektist: tööpõhimõte, protsessi voog ja peamised eelised.

Kristallide orientatsiooni määramine ja välisläbimõõdu lihvimine: Enne töötlemist tuleb määrata SiC-valuploki kristallide orientatsioon. Seejärel vormitakse valuplokk välisläbimõõdu lihvimise teel silindriliseks struktuuriks (mida tavaliselt nimetatakse SiC-ketiks). See samm loob aluse järgnevale suunatud lõikamisele ja viilutamisele.

Mitmetraadiline lõikamine: see meetod kasutab silindrilise valuploki lõikamiseks abrasiivseid osakesi koos lõiketraatidega. Siiski kaasneb sellega märkimisväärne lõikekaare kadu ja pinna ebatasasus.

Laserlõikustehnoloogia: Laserit kasutatakse kristalli sisse modifitseeritud kihi moodustamiseks, millest saab eraldada õhukesi viile. See lähenemisviis vähendab materjali kadu ja suurendab töötlemise efektiivsust, muutes selle paljulubavaks uueks suunaks SiC-plaatide lõikamisel.

Lõikeprotsessi optimeerimine

Fikseeritud abrasiivne mitmetraadiline lõikamine: see on praegu peavoolutehnoloogia, mis sobib hästi ränikarbiidi (SiC) kõrge kõvadusega omaduste jaoks.

Elektroerosioonitöötlus (EDM) ja külmeraldustehnoloogia: need meetodid pakuvad mitmekesiseid lahendusi, mis on kohandatud konkreetsetele nõuetele.

Poleerimisprotsess: Oluline on tasakaalustada materjali eemaldamise kiirust ja pinnakahjustusi. Pinna ühtluse parandamiseks kasutatakse keemilist mehaanilist poleerimist (CMP).

Reaalajas jälgimine: pinna kareduse jälgimiseks reaalajas võetakse kasutusele veebipõhised kontrollitehnoloogiad.

Laserlõikus: see tehnika vähendab lõikekadu ja lühendab töötlemistsüklit, kuigi termiliselt mõjutatud tsoon on endiselt probleemiks.

Hübriidsed töötlemistehnoloogiad: mehaaniliste ja keemiliste meetodite kombineerimine suurendab töötlemise efektiivsust.

See tehnoloogia on juba leidnud tööstusliku rakenduse. Näiteks Infineon omandas SILTECTRA ja omab nüüd põhipatente, mis toetavad 8-tolliste vahvlite masstootmist. Hiinas on ettevõtted nagu Delong Laser saavutanud 6-tolliste vahvlite töötlemisel väljundvõimsuse 30 vahvlit valuploki kohta, mis on 40% parem kui traditsioonilised meetodid.

Kodumajapidamises kasutatavate seadmete tootmise kiirenedes eeldatakse, et see tehnoloogia saab ränikarbiidi (SiC) aluspinna töötlemise peamiseks lahenduseks. Pooljuhtmaterjalide läbimõõdu suurenemisega on traditsioonilised lõikemeetodid vananenud. Praeguste valikute hulgas on kõige lootustandvamaid rakendusvõimalusi edasi-tagasi liikuva teemanttraadist sae tehnoloogia. Laserlõikus kui tärkav tehnika pakub olulisi eeliseid ja eeldatavasti saab sellest tulevikus peamine lõikemeetod.

2,SiC monokristallide lihvimine

Kolmanda põlvkonna pooljuhtide esindajana pakub ränikarbiid (SiC) olulisi eeliseid tänu oma laiale keelutsoonile, suurele läbilöögielektriväljale, suurele küllastuselektronide triivikiirusele ja suurepärasele soojusjuhtivusele. Need omadused muudavad SiC eriti soodsaks kõrgepinge rakendustes (nt 1200 V keskkonnas). SiC-substraatide töötlemistehnoloogia on seadmete valmistamise oluline osa. Substraadi pinna kvaliteet ja täpsus mõjutavad otseselt epitaksiaalkihi kvaliteeti ja lõppseadme jõudlust.

Lihvimisprotsessi peamine eesmärk on eemaldada pinnalt saejäljed ja viilutamise ajal tekkinud kahjustuskihid ning korrigeerida lõikamisprotsessist tingitud deformatsiooni. Arvestades ränikarbiidi äärmiselt suurt kõvadust, nõuab lihvimine kõvade abrasiivide, näiteks boorkarbiidi või teemandi kasutamist. Tavapärane lihvimine jaguneb tavaliselt jämeda ja peene lihvimiseks.

2.1 Jäme ja peen jahvatamine

Lihvimist saab liigitada abrasiivsete osakeste suuruse järgi:

Jäme lihvimine: Kasutab suuremaid abrasiive peamiselt saejälgede ja viilutamisel tekkinud kahjustuste kihtide eemaldamiseks, parandades töötlemise efektiivsust.

Peenlihvimine: Kasutab peenemaid abrasiive jämeda lihvimise tagajärjel tekkinud kahjustuskihi eemaldamiseks, pinna kareduse vähendamiseks ja pinna kvaliteedi parandamiseks.

Paljud kodumaised SiC-substraadi tootjad kasutavad suuremahulisi tootmisprotsesse. Levinud meetod hõlmab kahepoolset lihvimist malmplaadi ja monokristallilise teemantsuspensiooni abil. See protsess eemaldab tõhusalt traatsaagimisest jäänud kahjustatud kihi, korrigeerib vahvli kuju ning vähendab TTV-d (kogupaksuse varieerumist), kumerust ja deformatsiooni. Materjali eemaldamise kiirus on stabiilne, ulatudes tavaliselt 0,8–1,2 μm/min-ni. Saadud vahvli pind on aga matt ja suhteliselt suure karedusega – tavaliselt umbes 50 nm –, mis seab järgnevatele poleerimisetappidele suuremad nõudmised.

2.2 Ühepoolne lihvimine

Ühepoolne lihvimine töötleb korraga ainult ühte vahvli külge. Selle protsessi käigus kinnitatakse vahvel vahaga terasplaadile. Rakendatud rõhu all deformeerub aluspind kergelt ja ülemine pind tasandub. Pärast lihvimist tasandub alumine pind. Kui surve eemaldatakse, kipub ülemine pind taastuma oma algsesse kuju, mis mõjutab ka juba lihvitud alumist pinda, põhjustades mõlema poole deformeerumist ja tasapinna halvenemist.

Lisaks võib lihvplaat lühikese aja jooksul nõgusaks muutuda, mistõttu vahvel muutub kumeraks. Plaadi tasasuse säilitamiseks on vaja sagedast töötlemist. Madala efektiivsuse ja vahvli halva tasasuse tõttu ei sobi ühepoolne lihvimine masstootmiseks.

Tavaliselt kasutatakse peenlihvimiseks #8000 lihvkettaid. Jaapanis on see protsess suhteliselt väljaarendatud ja kasutatakse isegi #30000 poleerimiskettaid. See võimaldab töödeldud vahvlite pinnakareduse langetada alla 2 nm, muutes vahvlid täiendava töötlemiseta lõplikuks keemiliseks-mehaaniliseks poleerimiseks (CMP).

2.3 Ühepoolne hõrenemise tehnoloogia

Teemantlihvimise ühepoolne hõrenemistehnoloogia on uudne ühepoolse lihvimise meetod. Nagu joonisel 5 (siin pole näidatud) näidatud, kasutatakse protsessis teemantlihvimisplaati. Vahvel fikseeritakse vaakumadsorptsiooni teel, samal ajal kui nii vahvel kui ka teemantlihvketas pöörlevad samaaegselt. Lihvketas liigub järk-järgult allapoole, et vahvlit sihtpaksuseni õhendada. Pärast ühe külje valmimist pööratakse vahvel teise külje töötlemiseks.

Pärast hõrenemist saab 100 mm vahvliga saavutada:

Laius < 5 μm

TTV < 2 μm

Pinna karedus < 1 nm

See ühe vahvliga töötlemismeetod pakub suurt stabiilsust, suurepärast konsistentsi ja suurt materjali eemaldamise kiirust. Võrreldes tavapärase kahepoolse lihvimisega parandab see tehnika lihvimise efektiivsust üle 50%.

2.4 Kahepoolne lihvimine

Kahepoolne lihvimine kasutab nii ülemist kui ka alumist lihvplaati, et samaaegselt lihvida aluspinna mõlemat külge, tagades suurepärase pinnakvaliteedi mõlemal küljel.

Protsessi käigus avaldavad lihvplaadid esmalt survet tooriku kõrgeimatele punktidele, põhjustades deformatsiooni ja järkjärgulist materjali eemaldamist nendes punktides. Kõrgemate kohtade tasandamisel muutub aluspinnale avaldatav surve järk-järgult ühtlasemaks, mille tulemuseks on ühtlane deformatsioon kogu pinnal. See võimaldab nii ülemist kui ka alumist pinda ühtlaselt lihvida. Kui lihvimine on lõppenud ja rõhk vabastatud, taastub aluspinna iga osa ühtlaselt tänu võrdsele rõhule. See tagab minimaalse deformatsiooni ja hea tasapinna.

Kiibi pinna karedus pärast lihvimist sõltub abrasiivsete osakeste suurusest – väiksemad osakesed annavad siledama pinna. 5 μm abrasiivide kasutamisel kahepoolsel lihvimisel saab kiibi tasasust ja paksuse varieerumist kontrollida 5 μm piires. Aatomjõumikroskoopia (AFM) mõõtmised näitavad umbes 100 nm pinnakaredust (Rq), kuni 380 nm sügavusi lihvimisaugusid ja abrasiivse toime põhjustatud nähtavaid lineaarseid jälgi.

Täiustatud meetod hõlmab kahepoolset lihvimist polüuretaanvahust padjandite ja polükristallilise teemantsuspensiooni abil. See protsess annab väga madala pinnakaredusega vahvlid, saavutades Ra < 3 nm, mis on väga kasulik SiC-aluspindade järgnevaks poleerimiseks.

Siiski on pinna kriimustamine endiselt lahendamata probleem. Lisaks toodetakse selles protsessis kasutatavat polükristallilist teemanti plahvatusliku sünteesi teel, mis on tehniliselt keeruline, annab väikeseid koguseid ja on äärmiselt kallis.

SiC monokristallide poleerimine

Ränikarbiidist (SiC) vahvlitel kvaliteetse poleeritud pinna saavutamiseks tuleb poleerimisel täielikult eemaldada jahvatusaugud ja nanomeetrilised pinna lained. Eesmärk on saada sile ja defektideta pind, millel pole saastumist ega lagunemist, aluspinna kahjustusi ja jääkpingeid.

3.1 SiC-vahvlite mehaaniline poleerimine ja CMP

Pärast SiC monokristalli valuploki kasvatamist takistavad pinnadefektid selle otsest kasutamist epitaksiaalseks kasvatamiseks. Seetõttu on vaja edasist töötlemist. Valaplokk vormitakse esmalt ümardamise teel standardseks silindriliseks, seejärel lõigatakse see traatlõikamise teel vahvliteks ja seejärel kontrollitakse kristallograafilist orientatsiooni. Poleerimine on vahvli kvaliteedi parandamise oluline samm, mis tegeleb kristallikasvudefektide ja eelnevate töötlemisetappide põhjustatud võimalike pinnakahjustustega.

SiC-i pinnakahjustuste kihtide eemaldamiseks on neli peamist meetodit:

Mehaaniline poleerimine: Lihtne, aga jätab kriimustusi; sobib esmaseks poleerimiseks.

Keemiline-mehaaniline poleerimine (CMP): Eemaldab kriimustused keemilise söövitamise teel; sobib täppispoleerimiseks.

Vesinik-söövitus: nõuab keerukaid seadmeid, mida tavaliselt kasutatakse kõrgefektiivsete veokite (HTCVD) protsessides.

Plasmaga poleerimine: keeruline ja harva kasutatav.

Ainult mehaaniline poleerimine kipub kriimustusi tekitama, samas kui ainult keemiline poleerimine võib viia ebaühtlase söövituseni. CMP ühendab mõlemad eelised ja pakub tõhusat ning kulutõhusat lahendust.

CMP tööpõhimõte

CMP töötab nii, et plaati pööratakse kindla rõhu all pöörleva poleerimispadja vastu. See suhteline liikumine koos suspensioonis olevate nanosuuruses abrasiivide mehaanilise hõõrdumise ja reaktiivsete ainete keemilise toimega saavutab pinna tasapinnalisuse.

Peamised kasutatud materjalid:

Poleerimispulber: Sisaldab abrasiive ja keemilisi reagente.

Poleerimispadi: Kulub kasutamise ajal, vähendades pooride suurust ja suspensiooni edastustõhusust. Kareduse taastamiseks on vaja regulaarset poleerimist, tavaliselt teemantlihvijaga.

Tüüpiline CMP protsess

Abrasiiv: 0,5 μm teemantlihv

Sihtpinna karedus: ~0,7 nm

Keemiline mehaaniline poleerimine:

Poleerimisvahendid: AP-810 ühepoolne poleermasin

Rõhk: 200 g/cm²

Plaadi kiirus: 50 p/min

Keraamilise hoidiku kiirus: 38 p/min

Suspensiooni koostis:

SiO₂ (30 massiprotsenti, pH = 10,15)

0–70 massiprotsenti H₂O₂ (30 massiprotsenti, reaktiivi puhtusega)

Reguleerige pH 5 massiprotsendi KOH ja 1 massiprotsendi HNO₃ abil 8,5-ni

Suspensiooni voolukiirus: 3 l/min, ringluses

See protsess parandab tõhusalt SiC-vahvli kvaliteeti ja vastab allavoolu protsesside nõuetele.

Mehaanilise poleerimise tehnilised väljakutsed

Laia keelutsooniga pooljuhina mängib ränikarbiid (SiC) elektroonikatööstuses olulist rolli. Tänu suurepärastele füüsikalistele ja keemilistele omadustele sobivad ränikarbiidi (SiC) monokristallid äärmuslikesse keskkondadesse, nagu kõrge temperatuur, kõrge sagedus, suur võimsus ja kiirguskindlus. Selle kõva ja rabe olemus tekitab aga lihvimisel ja poleerimisel suuri väljakutseid.

Kuna juhtivad globaalsed tootjad lähevad üle 6-tollistelt 8-tollistele vahvlitele, on sellised probleemid nagu pragunemine ja vahvlite kahjustused töötlemise ajal muutunud üha olulisemaks, mõjutades oluliselt saagikust. 8-tolliste SiC-aluspindade tehniliste väljakutsete lahendamine on nüüd tööstuse arengu peamine kriteerium.

8-tollise ajastul seisab SiC-vahvlite töötlemine silmitsi arvukate väljakutsetega:

Kiipide toodangu suurendamiseks partii kohta, servakadude vähendamiseks ja tootmiskulude vähendamiseks on vaja vahvlite skaleerimist – eriti arvestades elektriautode rakenduste kasvavat nõudlust.

Kuigi 8-tolliste SiC monokristallide kasv on küpsenud, on kõrvalprotsessides, nagu lihvimine ja poleerimine, endiselt kitsaskohti, mille tulemuseks on madal saagikus (ainult 40–50%).

Suuremad vahvlid kogevad keerukamat rõhujaotust, mis raskendab poleerimispinge ja saagikuse järjepidevuse haldamist.

Kuigi 8-tolliste vahvlite paksus läheneb 6-tolliste vahvlite paksusele, on need käitlemise ajal pinge ja deformatsiooni tõttu kahjustustele vastuvõtlikumad.

Lõikamisega seotud pingete, deformatsiooni ja pragunemise vähendamiseks kasutatakse üha enam laserlõikust. Siiski:

Pika lainepikkusega laserid põhjustavad termilisi kahjustusi.

Lühilainepikkusega laserid tekitavad rasket prahti ja süvendavad kahjustatud kihti, suurendades poleerimise keerukust.

SiC mehaanilise poleerimise töövoog

Üldine protsessivoog hõlmab järgmist:

Orientatsioonilõikus

Jäme jahvatamine

Peen jahvatamine

Mehaaniline poleerimine

Keemiline mehaaniline poleerimine (CMP) viimase etapina

KMP-meetodi valik, protsessi marsruudi ülesehitus ja parameetrite optimeerimine on üliolulised. Pooljuhtide tootmises on KMP määrav samm ülisiledate, defektideta ja kahjustusteta pindadega SiC-plaatide tootmisel, mis on kvaliteetse epitaksiaalse kasvu jaoks hädavajalik.

a) Eemaldage ränikarbiidi (SiC) valuplokk tiiglilt;

(b) teostada esialgne vormimine välisläbimõõdu lihvimise abil;

(c) Määrake kristalli orientatsioon joondamispindade või sälkude abil;

(d) Lõika valuplokk mitmetraadilise saagimise abil õhukesteks vahvliteks;

(e) Lihvimise ja poleerimise abil saavutatakse peegelsileda pinna siledus.

Pärast töötlemisetappide seeria lõpetamist muutub SiC-vahvli välisserv sageli teravaks, mis suurendab mõranemise ohtu käitlemise või kasutamise ajal. Sellise hapruse vältimiseks on vaja servi lihvida.

Lisaks traditsioonilistele viilutamisprotsessidele hõlmab SiC-plaatide valmistamise uuenduslik meetod ka liimimistehnoloogiat. See lähenemisviis võimaldab plaate valmistada õhukese SiC-monokristalli kihi liimimise teel heterogeensele aluspinnale (toestavale aluspinnale).

Joonis 3 illustreerib protsessi voogu:

Esmalt moodustatakse SiC-monokristalli pinnale vesinikioonide implanteerimise või sarnaste meetodite abil kindlaksmääratud sügavusele delaminatsioonikiht. Seejärel liidetakse töödeldud SiC-monokristall tasasele tugisubstraadile ning survestatakse ja kuumutatakse. See võimaldab SiC-monokristalli kihi edukat ülekandmist ja eraldamist tugisubstraadile.

Eraldatud SiC-kiht läbib pinnatöötluse, et saavutada vajalik tasapind, ja seda saab järgnevates liimimisprotsessides taaskasutada. Võrreldes traditsioonilise SiC-kristallide viilutamisega vähendab see tehnika kallite materjalide nõudlust. Kuigi tehnilised väljakutsed on endiselt olemas, edeneb teadus- ja arendustegevus aktiivselt, et võimaldada odavamat kiipide tootmist.

Arvestades SiC kõrget kõvadust ja keemilist stabiilsust – mis muudab selle toatemperatuuril reaktsioonidele vastupidavaks –, on peente jahvatuspragude eemaldamiseks, pinnakahjustuste vähendamiseks, kriimustuste, pragude ja apelsinikoore defektide kõrvaldamiseks, pinna kareduse vähendamiseks, tasasuse parandamiseks ja pinna kvaliteedi parandamiseks vaja mehaanilist poleerimist.

Kvaliteetse poleeritud pinna saamiseks on vaja:

Reguleerige abrasiivmaterjalide tüüpe,

Vähendage osakeste suurust,

Optimeerige protsessi parameetreid,

Valige piisava kõvadusega poleerimismaterjalid ja padjad.

Joonis 7 näitab, et kahepoolne poleerimine 1 μm abrasiividega suudab kontrollida tasasust ja paksuse varieerumist 10 μm piires ning vähendada pinna karedust umbes 0,25 nm-ni.

3.2 Keemiline-mehaaniline poleerimine (CMP)

Keemiline-mehaaniline poleerimine (KMP) ühendab ülipeente osakeste hõõrdumise keemilise söövitamisega, et töödeldavale materjalile moodustada sile ja tasane pind. Põhiprintsiip on järgmine:

Poleerimissegu ja vahvli pinna vahel toimub keemiline reaktsioon, mille tulemusel moodustub pehme kiht.

Abrasiivsete osakeste ja pehme kihi vaheline hõõrdumine eemaldab materjali.

CMP eelised:

Ületab puhtalt mehaanilise või keemilise poleerimise puudused,

Saavutab nii globaalse kui ka lokaalse planariseerimise,

Loob kõrge tasapinna ja väikese karedusega pinnad,

Ei jäta pinnale ega aluspinnale kahjustusi.

Täpsemalt:

Vahvel liigub rõhu all poleerimispadja suhtes.

Suspensioonis sisalduvad nanomeetri suurused abrasiivid (nt SiO₂) osalevad nihkeprotsessis, nõrgendades Si-C kovalentseid sidemeid ja suurendades materjali eemaldamist.

CMP-tehnikate tüübid:

Vaba abrasiivpoleerimine: abrasiivid (nt SiO₂) suspendeeritakse suspensioonis. Materjali eemaldamine toimub kolmekehalise abrasiooni teel (vahvel–padi–abrasiiv). Ühtluse parandamiseks tuleb abrasiivi suurust (tavaliselt 60–200 nm), pH-d ja temperatuuri täpselt kontrollida.

Fikseeritud abrasiivpoleerimine: abrasiivid on poleerimispadja sisse põimitud, et vältida aglomeratsiooni – ideaalne suure täpsusega töötlemiseks.

Poleerimisjärgne puhastus:

Poleeritud vahvlid läbivad:

Keemiline puhastus (sh desinfitseeritud vee ja suspensioonijääkide eemaldamine),

Deioniseeritud veega loputamine ja

Kuuma lämmastikuga kuivatamine

pinna saasteainete minimeerimiseks.

Pinna kvaliteet ja jõudlus

Pinna karedust saab vähendada Ra < 0,3 nm-ni, mis vastab pooljuhtide epitaksia nõuetele.

Globaalne tasapinnalisus: keemilise pehmendamise ja mehaanilise eemaldamise kombinatsioon vähendab kriimustusi ja ebaühtlast söövitust, ületades puhtalt mehaanilisi või keemilisi meetodeid.

Suur efektiivsus: sobib kõvade ja rabedate materjalide, näiteks ränikarbiidi (SiC) jaoks, materjali eemaldamise kiirusega üle 200 nm/h.

Muud tekkivad poleerimistehnikad

Lisaks CMP-le on pakutud välja alternatiivseid meetodeid, sealhulgas:

Elektrokeemiline poleerimine, katalüsaatoriga poleerimine või söövitamine ja

Tribokeemiline poleerimine.

Siiski on need meetodid alles uurimisjärgus ja SiC keeruliste materjaliomaduste tõttu aeglaselt arenenud.

Lõppkokkuvõttes on SiC töötlemine järkjärguline protsess, mille käigus vähendatakse pinna kvaliteeti parandades deformatsiooni ja karedust, kusjuures igas etapis on oluline tasapinna ja kareduse kontroll.

Töötlemistehnoloogia

Kiipide lihvimisetapis kasutatakse erineva osakeste suurusega teemantsuspensiooni, et lihvida kiibid vajaliku tasapinna ja pinnakareduseni. Sellele järgneb poleerimine, kasutades nii mehaanilisi kui ka keemiliselt mehaanilise poleerimise (CMP) tehnikaid, et saada kahjustusteta poleeritud ränikarbiidist (SiC) kiibid.

Pärast poleerimist läbivad SiC-plaadid range kvaliteedikontrolli, kasutades selliseid instrumente nagu optilised mikroskoobid ja röntgendifraktomeetrid, et tagada kõigi tehniliste parameetrite vastavus nõutavatele standarditele. Lõpuks puhastatakse poleeritud plaadid spetsiaalsete puhastusvahendite ja ülipuhta veega, et eemaldada pinna saasteained. Seejärel kuivatatakse need ülipuhta lämmastikgaasi ja tsentrifuugkuivatite abil, viies lõpule kogu tootmisprotsessi.

Pärast aastaid kestnud pingutusi on Hiinas saavutatud märkimisväärset edu ränikarbiidi (SiC) monokristallide töötlemisel. Riigis on edukalt välja töötatud 100 mm läbimõõduga legeeritud poolisoleerivad 4H-SiC monokristallid ning n-tüüpi 4H-SiC ja 6H-SiC monokristalle saab nüüd toota partiidena. Ettevõtted nagu TankeBlue ja TYST on juba välja töötanud 150 mm läbimõõduga ränikarbiidi (SiC) monokristallid.

SiC-plaatide töötlemise tehnoloogia osas on kodumaised institutsioonid eelnevalt uurinud kristallide viilutamise, lihvimise ja poleerimise protsessitingimusi ja -viise. Nad on võimelised tootma proove, mis vastavad põhimõtteliselt seadmete valmistamise nõuetele. Võrreldes rahvusvaheliste standarditega jääb kodumaiste plaatide pinnatöötluse kvaliteet siiski märkimisväärselt maha. On mitmeid probleeme:

Rahvusvahelised SiC-teooriad ja töötlemistehnoloogiad on rangelt kaitstud ja raskesti ligipääsetavad.

Protsesside täiustamiseks ja optimeerimiseks napib teoreetilisi uuringuid ja tuge.

Välismaiste seadmete ja komponentide impordi hind on kõrge.

Seadmete disaini, töötlemise täpsuse ja materjalide siseriiklikud uuringud näitavad endiselt olulisi lünki võrreldes rahvusvahelise tasemega.

Praegu imporditakse enamik Hiinas kasutatavaid täppisinstrumente. Ka testimisseadmed ja -metoodikad vajavad edasist täiustamist.

Kolmanda põlvkonna pooljuhtide pideva arenguga suureneb SiC monokristallide aluspindade läbimõõt pidevalt koos kõrgemate nõuetega pinnatöötluse kvaliteedile. Kivide töötlemise tehnoloogiast on saanud üks tehniliselt keerulisemaid etappe pärast SiC monokristallide kasvatamist.

Töötlemisega seotud olemasolevate väljakutsete lahendamiseks on oluline edasi uurida lõikamise, lihvimise ja poleerimise mehhanisme ning uurida sobivaid protsessimeetodeid ja -viise SiC-plaatide valmistamiseks. Samal ajal on vaja õppida arenenud rahvusvahelistest töötlemistehnoloogiatest ning võtta kasutusele tipptasemel ülitäpsed töötlemistehnikad ja -seadmed kvaliteetsete aluspindade tootmiseks.

Kiipide suuruse suurenedes suureneb ka kristallide kasvatamise ja töötlemise raskusaste. Siiski paraneb märkimisväärselt allavoolu seadmete tootmise efektiivsus ja väheneb ühikuhind. Praegu pakuvad peamised SiC-kiipide tarnijad kogu maailmas tooteid läbimõõduga 4–6 tolli. Juhtivad ettevõtted nagu Cree ja II-VI on juba alustanud 8-tolliste SiC-kiipide tootmisliinide arendamise planeerimist.