Núverandi staða og þróun SiC-skífuvinnslutækni

Sem þriðju kynslóðar hálfleiðara undirlagsefni,kísillkarbíð (SiC)Einkristall hefur víðtæka möguleika á notkun í framleiðslu á hátíðni- og aflsrafeindatækjum. Vinnslutækni SiC gegnir lykilhlutverki í framleiðslu á hágæða undirlagsefnum. Þessi grein kynnir núverandi stöðu rannsókna á SiC vinnslutækni bæði í Kína og erlendis, greinir og ber saman skurðar-, slípunar- og fægingarferla, sem og þróun í flatnæmi og yfirborðsgrófleika skífa. Hún bendir einnig á núverandi áskoranir í SiC skífuvinnslu og ræðir framtíðarþróunarstefnur.

Kísilkarbíð (SiC)Skífur eru mikilvæg grunnefni fyrir þriðju kynslóð hálfleiðara og hafa mikla þýðingu og markaðsmöguleika á sviðum eins og örrafeindatækni, aflrafeindatækni og lýsingu í hálfleiðurum. Vegna afar mikillar hörku og efnafræðilegs stöðugleikaSiC einkristallarHefðbundnar vinnsluaðferðir hálfleiðara henta ekki alveg til vinnslu þeirra. Þó að mörg alþjóðleg fyrirtæki hafi gert ítarlegar rannsóknir á tæknilega krefjandi vinnslu á SiC einkristalla, er viðeigandi tækni haldið stranglega trúnaði.

Á undanförnum árum hefur Kína aukið viðleitni til þróunar á SiC einkristallaefnum og tækjum. Hins vegar er framþróun SiC tækjatækni í landinu nú takmörkuð af takmörkunum í vinnslutækni og gæðum skífa. Þess vegna er nauðsynlegt fyrir Kína að bæta SiC vinnslugetu til að auka gæði SiC einkristalla undirlaganna og ná fram hagnýtri notkun þeirra og fjöldaframleiðslu.

Helstu vinnsluskrefin eru: skurður → grófslípun → fínslípun → grófslípun (vélræn slípun) → fínslípun (efnavélræn slípun, CMP) → skoðun.

Skurður á SiC einkristalla

Í vinnslu áSiC einkristallar, skurður er fyrsta og afar mikilvægt skref. Bogi, uppistaða og heildarþykktarbreyting (TTV) skífunnar sem stafar af skurðarferlinu ákvarða gæði og skilvirkni síðari slípunar- og fægingaraðgerða.

Skurðarverkfæri má flokka eftir lögun í demantsagir með innra þvermál (ID), demantsagir með ytra þvermál (OD), bandsagir og vírsagir. Vírsagir má aftur á móti flokka eftir hreyfigerð sinni í fram- og afturvirk vírkerfi og lykkjavírkerfi (endalaus). Byggt á skurðarkerfi slípiefnisins má skipta vírsögartækni í tvo flokka: frjálsa vírsög með slípiefni og fasta demantvírsög með slípiefni.

1.1 Hefðbundnar skurðaraðferðir

Sagdýpt sagna með ytri þvermál (OD) er takmörkuð af þvermáli blaðsins. Við skurðarferlið er blaðið viðkvæmt fyrir titringi og frávikum, sem leiðir til mikils hávaða og lélegs stífleika. Sagir með innri þvermál (ID) nota demantslípiefni á innri ummál blaðsins sem skurðbrún. Þessi blöð geta verið allt að 0,2 mm þunn. Við sneiðingu snýst ID blaðið á miklum hraða á meðan efnið sem á að skera hreyfist radíal miðað við miðju blaðsins, sem nær fram sneiðingu með þessari hlutfallslegu hreyfingu.

Demantsbandsagir þurfa tíðar stopp og bakköst og skurðhraðinn er mjög lágur - yfirleitt ekki meiri en 2 m/s. Þær þjást einnig af miklu vélrænu sliti og miklum viðhaldskostnaði. Vegna breiddar sagarblaðsins má skurðarradíusinn ekki vera of lítill og ekki er hægt að skera í mörgum sneiðum. Þessi hefðbundnu sagartæki eru takmörkuð af stífleika botnsins og geta ekki gert sveigðar skurðir eða hafa takmarkaðan beygjuradíus. Þær geta aðeins gert beinar skurðir, framleiða breiðar skurðir, hafa lágt afköst og eru því óhentugar til skurðar.SiC kristallar.

1.2 Ókeypis slípivírsög fjölvíra skurður

Vírsögartækni með frjálsri slípiefni notar hraða hreyfingu vírsins til að bera leðju inn í skurðinn, sem gerir kleift að fjarlægja efni. Hún notar aðallega gagnkvæma uppbyggingu og er nú þroskuð og víða notuð aðferð til skilvirkrar fjölþvafraskurðar á einkristalla sílikoni. Hins vegar hefur notkun hennar í SiC-skurði verið minna rannsökuð.

Vírsagir með frjálsri slípiefnisgerð geta unnið úr skífum með þykkt minni en 300 μm. Þær bjóða upp á lítið skurðartap, valda sjaldan flísun og skila tiltölulega góðum yfirborðsgæðum. Hins vegar, vegna efnisfjarlægingarferlisins - sem byggir á veltingu og inndrátt slípiefna - hefur yfirborð skífunnar tilhneigingu til að mynda umtalsvert leifarálag, örsprungur og dýpri skemmdalög. Þetta leiðir til aflögunar skífunnar, gerir það erfitt að stjórna nákvæmni yfirborðssniðsins og eykur álag á síðari vinnsluskref.

Skurðárangurinn er mjög háður slípiefninu; það er nauðsynlegt að viðhalda skerpu slípiefnanna og styrk slípunnar. Meðhöndlun og endurvinnsla slípunnar er kostnaðarsöm. Þegar stórir stálstönglar eru skornir eiga slípiefni erfitt með að komast í gegnum djúpar og langar skurðir. Við sömu kornastærð er skurðtapið meira en hjá vírsagum með föstum slípiefnum.

1.3 Fast slípiefni demantsvírsög fjölvíra skurður

Föst slípiefni fyrir demantvír eru yfirleitt framleiddar með því að fella demantagnir inn í stálvír undirlag með rafhúðun, sintrun eða plastefnisbindingu. Rafhúðaðar demantvírsagir bjóða upp á kosti eins og þrengri skurði, betri gæði sneiða, meiri skilvirkni, minni mengun og getu til að skera efni með mikilli hörku.

Demantsvírsög með rafskautuðum demantsvír er nú algengasta aðferðin til að skera SiC. Mynd 1 (ekki sýnd hér) sýnir flatneskju yfirborðs SiC-skífa sem skornar eru með þessari tækni. Eftir því sem skurðurinn heldur áfram eykst aflögun skífunnar. Þetta er vegna þess að snertiflatarmálið milli vírsins og efnisins eykst þegar vírinn færist niður á við, sem eykur viðnám og titring vírsins. Þegar vírinn nær hámarksþvermáli skífunnar er titringurinn í hámarki, sem leiðir til hámarksaflögunar.

Á síðari stigum skurðarins, vegna þess að vírinn gengst undir hröðun, stöðugan hraða, hraðaminnkun, stöðvun og viðsnúning, ásamt erfiðleikum við að fjarlægja óhreinindi með kælivökvanum, versnar yfirborðsgæði skífunnar. Vírviðsnúningur og hraðasveiflur, sem og stórar demantagnar á vírnum, eru helstu orsakir rispa á yfirborðinu.

1.4 Kalt aðskilnaðartækni

Kalt aðskilnaður SiC einkristalla er nýstárleg aðferð á sviði þriðju kynslóðar hálfleiðaraefnisvinnslu. Á undanförnum árum hefur hún vakið mikla athygli vegna athyglisverðra kosta sinna við að bæta afköst og draga úr efnistapi. Tæknina má greina út frá þremur þáttum: virkni, ferlisflæði og helstu kostum.

Ákvörðun á kristalstefnu og slípun á ytra þvermáli: Áður en vinnsla hefst þarf að ákvarða kristalstefnu SiC-stöngarinnar. Stöngin er síðan mótuð í sívalningslaga byggingu (almennt kölluð SiC-pökk) með slípun á ytra þvermáli. Þetta skref leggur grunninn að síðari stefnuskorun og sneiðingu.

Fjölvíraskurður: Þessi aðferð notar slípiefni ásamt skurðvírum til að skera sívalningslaga stálstöngina. Hins vegar þjáist hún af verulegu skurðtapi og ójöfnu á yfirborði.

Leysiskurðartækni: Leysi er notaður til að mynda breytt lag innan kristalsins, sem hægt er að losa þunnar sneiðar frá. Þessi aðferð dregur úr efnistapi og eykur skilvirkni vinnslu, sem gerir hana að efnilegri nýrri átt fyrir SiC-skífuskurð.

Hagræðing skurðarferlis

Föst slípiefni með mörgum vírum: Þetta er nú algengasta tæknin og hentar vel fyrir mikla hörkueiginleika SiC.

Rafmagnsútblástursvinnsla (EDM) og köld aðskilnaðartækni: Þessar aðferðir bjóða upp á fjölbreyttar lausnir sem eru sniðnar að sérstökum kröfum.

Pólunarferli: Mikilvægt er að halda jafnvægi á milli efnisfjarlægingarhraða og yfirborðsskemmda. Efnafræðileg vélræn pólering (CMP) er notuð til að bæta yfirborðsjafnvægi.

Rauntímaeftirlit: Skoðunartækni á netinu er kynnt til sögunnar til að fylgjast með yfirborðsgrófleika í rauntíma.

Leysiskurður: Þessi tækni dregur úr skurðartapi og styttir vinnsluferla, þó að svæðið sem verður fyrir hitauppstreymi sé enn áskorun.

Blönduð vinnslutækni: Sameining vélrænna og efnafræðilegra aðferða eykur skilvirkni vinnslunnar.

Þessi tækni hefur þegar náð iðnaðarlegum notum. Infineon, til dæmis, keypti SILTECTRA og á nú kjarna einkaleyfi sem styðja fjöldaframleiðslu á 8 tommu skífum. Í Kína hafa fyrirtæki eins og Delong Laser náð framleiðslunýtni upp á 30 skífur á hverja stöng fyrir 6 tommu skífuvinnslu, sem er 40% framför miðað við hefðbundnar aðferðir.

Þar sem framleiðsla á innlendum búnaði eykst er búist við að þessi tækni verði aðallausnin fyrir vinnslu á SiC undirlögum. Með vaxandi þvermáli hálfleiðaraefna hafa hefðbundnar skurðaraðferðir orðið úreltar. Meðal núverandi valkosta sýnir demantsvírsagtækni með fram- og afturhreyfli efnilegustu notkunarmöguleikana. Leysiskurður, sem ný tækni, býður upp á verulega kosti og er gert ráð fyrir að hún verði aðal skurðaraðferðin í framtíðinni.

2.SiC einkristalla mala

Sem dæmigert fyrir þriðju kynslóð hálfleiðara býður kísillkarbíð (SiC) upp á verulega kosti vegna breitt bandbils, mikils niðurbrotsrafsviðs, mikils mettunarhraða rafeinda og framúrskarandi varmaleiðni. Þessir eiginleikar gera SiC sérstaklega hagkvæmt í háspennuforritum (t.d. 1200V umhverfi). Vinnslutækni SiC undirlags er grundvallaratriði í framleiðslu tækja. Yfirborðsgæði og nákvæmni undirlagsins hafa bein áhrif á gæði epitaxiallagsins og afköst lokaafurðarinnar.

Megintilgangur slípunarferlisins er að fjarlægja sagför og skemmdir sem myndast við sneiðingu og leiðrétta aflögun sem orsakast af skurðarferlinu. Vegna afar mikillar hörku SiC krefst slípun notkunar harðra slípiefna eins og bórkarbíðs eða demants. Hefðbundin slípun er venjulega skipt í grófslípun og fínslípun.

2.1 Gróf og fín mala

Hægt er að flokka slípun eftir stærð slípiefna:

Grófslípun: Notar stærri slípiefni aðallega til að fjarlægja sagför og skemmdalög sem myndast við sneiðingu, sem bætir vinnsluhagkvæmni.

Fínslípun: Notar fínni slípiefni til að fjarlægja skemmdalagið sem eftir er af grófri slípun, draga úr yfirborðsgrófleika og auka yfirborðsgæði.

Margir framleiðendur SiC undirlaga nota stórfelldar framleiðsluaðferðir. Algeng aðferð felur í sér tvíhliða slípun með steypujárnsplötu og einkristallaðri demantsleðju. Þetta ferli fjarlægir á áhrifaríkan hátt skemmdalagið sem eftir er af vírsögun, leiðréttir lögun skífunnar og dregur úr TTV (heildarþykktarbreytingum), boga og vindingu. Efnisfjarlægingarhraðinn er stöðugur og nær venjulega 0,8–1,2 μm/mín. Hins vegar er yfirborð skífunnar matt með tiltölulega mikilli grófleika – venjulega í kringum 50 nm – sem setur meiri kröfur um síðari slípunarskref.

2.2 Einhliða slípun

Einhliða slípun vinnur aðeins aðra hliðina á skífunni í einu. Í þessu ferli er skífan fest með vaxi á stálplötu. Undir þrýstingi aflagast undirlagið lítillega og efri yfirborðið er flatt. Eftir slípunina er neðri yfirborðið sléttað. Þegar þrýstingnum er fjarlægt hefur efri yfirborðið tilhneigingu til að ná upprunalegri lögun sinni, sem hefur einnig áhrif á slípað neðri yfirborð - sem veldur því að báðar hliðar afmyndast og rýrna í flatninni.

Þar að auki getur malaplatan orðið íhvolf á stuttum tíma, sem veldur því að skífan verður kúpt. Til að viðhalda flatleika plötunnar þarf tíð slípun. Vegna lágrar skilvirkni og lélegrar flatleika skífunnar hentar einhliða mala ekki til fjöldaframleiðslu.

Venjulega eru slípihjól #8000 notuð til fínmalunar. Í Japan er þetta ferli tiltölulega þroskað og jafnvel eru notuð #30000 slípihjól. Þetta gerir það að verkum að yfirborðsgrófleiki unnna skífna getur farið niður fyrir 2 nm, sem gerir skífurnar tilbúnar til loka CMP (efnafræðilega vélræna slípun) án frekari vinnslu.

2.3 Þynningartækni á einhliða formi

Demantsþynningartækni með einni hlið er nýstárleg aðferð til að slípa á einni hlið. Eins og sést á mynd 5 (ekki sýnd hér) notar ferlið demantsbundna slípiplötu. Skífan er fest með lofttæmissogi, á meðan bæði skífan og demantslípihjólið snúast samtímis. Slípihjólið færist smám saman niður til að þynna skífuna niður í tilætlaða þykkt. Eftir að önnur hliðin er tilbúin er skífunni snúið við til að vinna úr hinni hliðinni.

Eftir þynningu getur 100 mm skífa náð:

Beygja < 5 μm

TTV < 2 μm

Yfirborðsgrófleiki < 1 nm

Þessi aðferð við að vinna með einni skífu býður upp á mikla stöðugleika, framúrskarandi samræmi og mikla efnisfjarlægingu. Í samanburði við hefðbundna tvíhliða kvörnun bætir þessi tækni kvörnunarhagkvæmni um meira en 50%.

2.4 Tvíhliða slípun

Tvíhliða slípun notar bæði efri og neðri slípiplötu til að slípa báðar hliðar undirlagsins samtímis, sem tryggir framúrskarandi yfirborðsgæði báðum megin.

Í ferlinu beita slípiplöturnar fyrst þrýstingi á hæstu punkta vinnustykkisins, sem veldur aflögun og smám saman fjarlægingu efnis á þessum punktum. Þegar hæstu punktarnir eru jafnaðir verður þrýstingurinn á undirlagið smám saman jafnari, sem leiðir til samræmdrar aflögunar yfir allt yfirborðið. Þetta gerir kleift að slípa bæði efri og neðri yfirborð jafnt. Þegar slípuninni er lokið og þrýstingnum er sleppt, jafnar hver hluti undirlagsins sig jafnt vegna jafns þrýstings sem hann varð fyrir. Þetta leiðir til lágmarks aflögunar og góðrar flatneskju.

Yfirborðsgrófleiki skífunnar eftir slípun fer eftir stærð slípiefnanna — minni agnir gefa sléttara yfirborð. Þegar 5 μm slípiefni eru notuð til tvíhliða slípun er hægt að stjórna flatneskju og þykktarbreytingum skífunnar innan 5 μm. Mælingar með atómkraftssmásjá (AFM) sýna yfirborðsgrófleika (Rq) upp á um 100 nm, með slípunarholum allt að 380 nm djúpum og sýnilegum línulegum merkjum af völdum slípiefnaáhrifa.

Ítarlegri aðferð felur í sér tvíhliða slípun með pólýúretan froðupúðum ásamt pólýkristallaðri demantsmölun. Þessi aðferð framleiðir skífur með mjög lágum yfirborðsgrófleika og nær Ra < 3 nm, sem er mjög gagnlegt fyrir síðari slípun á SiC undirlögum.

Hins vegar er yfirborðsrispa enn óleyst mál. Að auki er fjölkristallaður demanturinn sem notaður er í þessu ferli framleiddur með sprengifimri myndun, sem er tæknilega krefjandi, gefur lítið magn og er afar dýr.

Pólun á SiC einkristalla

Til að ná fram hágæða slípuðu yfirborði á kísilkarbíð (SiC) skífum, verður slípunin að fjarlægja slípunarholur og yfirborðsbylgjur á nanómetrakvarða að fullu. Markmiðið er að framleiða slétt, gallalaust yfirborð án mengunar eða niðurbrots, án skemmda á undirlaginu og án eftirstandandi yfirborðsálags.

3.1 Vélræn pússun og CMP á SiC skífum

Eftir vöxt SiC einkristalls stálstönguls koma yfirborðsgallar í veg fyrir að hægt sé að nota hana beint til vaxtar í epitaxial lögun. Því er frekari vinnsla nauðsynleg. Stöngulstöngin er fyrst mótuð í staðlaða sívalningslaga lögun með árúningu, síðan skorin í skífur með vírskurði, og að lokum er kristalfræðileg stefnustaðfesting framkvæmd. Pússun er mikilvægt skref í að bæta gæði skífunnar, taka á hugsanlegum yfirborðsskemmdum af völdum vaxtargalla í kristöllum og fyrri vinnsluskrefum.

Það eru fjórar meginaðferðir til að fjarlægja yfirborðsskemmdir á SiC:

Vélræn pússun: Einföld en skilur eftir rispur; hentar vel til fyrstu pússunar.

Efnafræðileg vélræn fæging (CMP): Fjarlægir rispur með efnaetsun; hentar vel til nákvæmrar fægingar.

Vetnisetsun: Krefst flókins búnaðar, sem er almennt notaður í HTCVD ferlum.

Plasma-aðstoðuð fæging: Flókin og sjaldan notuð.

Vélræn fæging veldur oft rispum, en efnafæging getur leitt til ójafnrar etsunar. CMP sameinar báða kosti og býður upp á skilvirka og hagkvæma lausn.

Vinnuregla CMP

CMP virkar með því að snúa skífunni undir ákveðnum þrýstingi gegn snúningspúða. Þessi hlutfallslega hreyfing, ásamt vélrænni núningi frá nanóstórum slípiefnum í slípunni og efnafræðilegri virkni hvarfgjarnra efna, nær yfirborðssléttingu.

Lykilefni sem notuð voru:

Pólunarmassi: Inniheldur slípiefni og efnafræðileg hvarfefni.

Pólunarpúði: Slitnar við notkun, sem dregur úr stærð svitahola og skilvirkni slurryflutnings. Regluleg slípun, yfirleitt með demantsslípun, er nauðsynleg til að endurheimta ójöfnuna.

Dæmigert CMP ferli

Slípiefni: 0,5 μm demantslíp

Ójöfnur á yfirborði marksins: ~0,7 nm

Efnafræðileg vélræn fæging:

Pólunarbúnaður: AP-810 einhliða pólunarvél

Þrýstingur: 200 g/cm²

Plötuhraði: 50 snúningar á mínútu

Hraði keramikhaldara: 38 snúningar á mínútu

Samsetning áburðar:

SiO₂ (30 þyngdarprósent, pH = 10,15)

0–70 þyngdarprósent H₂O₂ (30 þyngdarprósent, hvarfefnisgrad)

Stillið pH-gildið í 8,5 með því að nota 5% KOH og 1% HNO₃.

Rennslishraði slurry: 3 l/mín, endurunnið

Þetta ferli bætir gæði SiC-skífna á áhrifaríkan hátt og uppfyllir kröfur um niðurstreymisferli.

Tæknilegar áskoranir í vélrænni pússun

SiC, sem hálfleiðari með breitt bandgap, gegnir mikilvægu hlutverki í rafeindaiðnaðinum. Með framúrskarandi eðlis- og efnafræðilegum eiginleikum henta SiC einkristallar í öfgafullum aðstæðum, svo sem háum hita, háum tíðni, miklu afli og geislunarþoli. Hins vegar skapar hörð og brothætt eðli þess miklar áskoranir við slípun og fægingu.

Þar sem leiðandi framleiðendur um allan heim skipta úr 6 tommu yfir í 8 tommu skífur, hafa vandamál eins og sprungur og skemmdir á skífum við vinnslu orðið áberandi, sem hefur veruleg áhrif á afköst. Að takast á við tæknilegar áskoranir 8 tommu SiC undirlaga er nú lykilviðmið fyrir framfarir iðnaðarins.

Á tímum 8 tommu stendur SiC-skífuvinnsla frammi fyrir fjölmörgum áskorunum:

Skífustærðun er nauðsynleg til að auka flísafköst í hverri lotu, draga úr brúnatapi og lækka framleiðslukostnað - sérstaklega í ljósi vaxandi eftirspurnar í forritum rafknúinna ökutækja.

Þó að vöxtur 8 tommu SiC einkristalla hafi þroskast, þá standa bakvinnsluferli eins og slípun og fæging enn frammi fyrir flöskuhálsum, sem leiðir til lágrar afkasta (aðeins 40–50%).

Stærri skífur upplifa flóknari þrýstingsdreifingu, sem eykur erfiðleikana við að stjórna slípunarálagi og auka samræmi í ávöxtun.

Þó að þykkt 8 tommu skífa sé að nálgast þykkt 6 tommu skífa, eru þær hættari við skemmdir við meðhöndlun vegna álags og aflögunar.

Til að draga úr álagi, aflögun og sprungum sem fylgja skurði er leysiskurður í auknum mæli notaður. Hins vegar:

Langbylgjulaserar valda hitaskemmdum.

Skammbylgjuleysir mynda mikið rusl og dýpka skemmdalagið, sem eykur flækjustig við slípun.

Vélræn pússunarferli fyrir SiC

Almennt ferli felur í sér:

Stefnumörkunarskurður

Gróf mala

Fínmala

Vélræn slípun

Efnafræðileg vélræn fæging (CMP) sem lokaskref

Val á CMP aðferð, hönnun ferlisleiðar og hagræðing breytna eru lykilatriði. Í hálfleiðaraframleiðslu er CMP ákvarðandi skref í framleiðslu á SiC skífum með afar sléttum, gallalausum og skemmdalausum yfirborðum, sem eru nauðsynleg fyrir hágæða epitaxial vöxt.

(a) Fjarlægið SiC-stöngina úr deiglunni;

(b) Framkvæmið upphafsmótun með slípun með ytri þvermáli;

(c) Ákvarðið stefnu kristalsins með því að nota stillingarflöt eða haka;

(d) Skerið stálstöngina í þunnar flísar með fjölvírasögun;

(e) Náðu spegilsléttu yfirborði með slípun og fægingu.

Eftir að vinnsluskrefunum er lokið verður ytri brún SiC-skífunnar oft hvass, sem eykur hættuna á flísun við meðhöndlun eða notkun. Til að koma í veg fyrir slíka viðkvæmni er nauðsynlegt að slípa brúnirnar.

Auk hefðbundinna sneiðingarferla felur nýstárleg aðferð til að búa til SiC-skífur í sér límingartækni. Þessi aðferð gerir kleift að framleiða skífur með því að líma þunnt SiC-einskristallag við ólíkt undirlag (burðarundirlag).

Mynd 3 sýnir ferlið:

Fyrst er myndað aflögunarlag á ákveðnu dýpi á yfirborði SiC einkristallsins með vetnisjónaígræðslu eða svipuðum aðferðum. Unninn SiC einkristall er síðan tengdur við flatt stuðningsefni og settur í þrýsting og hita. Þetta gerir kleift að flytja og aðskilja SiC einkristallslagið á stuðningsefninu.

Aðskilið SiC lagið gengst undir yfirborðsmeðhöndlun til að ná fram þeirri flatnæmi sem krafist er og hægt er að endurnýta það í síðari límingarferlum. Í samanburði við hefðbundna sneiðingu SiC kristalla dregur þessi tækni úr eftirspurn eftir dýrum efnum. Þó að tæknilegar áskoranir séu enn til staðar eru rannsóknir og þróun að þróast hratt til að gera kleift að framleiða skífur með lægri kostnaði.

Vegna mikillar hörku og efnafræðilegrar stöðugleika SiC – sem gerir það ónæmt fyrir efnahvörfum við stofuhita – er vélræn pússun nauðsynleg til að fjarlægja fínar slípunarholur, draga úr yfirborðsskemmdum, útrýma rispum, holum og appelsínuhýðisgöllum, minnka yfirborðsgrófleika, bæta flatneskju og auka yfirborðsgæði.

Til að ná fram hágæða slípuðu yfirborði er nauðsynlegt að:

Stilla slípiefni,

Minnka agnastærð,

Bjartsýni ferlisbreytur,

Veljið pússunarefni og púða með nægilegri hörku.

Mynd 7 sýnir að tvíhliða slípun með 1 μm slípiefni getur stjórnað flatneskju og þykktarsveiflum innan 10 μm og dregið úr yfirborðsgrófleika niður í um 0,25 nm.

3.2 Efnafræðileg vélræn fæging (CMP)

Efnafræðileg vélræn fæging (e. Chemical Mechanical Polishing, CMP) sameinar núning á örfínum ögnum og efnaetsingu til að mynda slétt, flatt yfirborð á efninu sem verið er að vinna úr. Grunnreglan er:

Efnaviðbrögð eiga sér stað milli fægingarmyllunnar og yfirborðs skífunnar og mynda mjúkt lag.

Núningur milli slípiefnanna og mjúka lagsins fjarlægir efnið.

Kostir CMP:

Yfirstígur galla eingöngu vélrænnar eða efnafræðilegrar fægingar,

Náir bæði alþjóðlegri og staðbundinni skipulagningu,

Framleiðir yfirborð með mikilli flatnæmi og litlum hrjúfleika,

Skilur ekki eftir skaða á yfirborði eða undirlagi.

Í smáatriðum:

Skífan hreyfist miðað við pússunarpúðann undir þrýstingi.

Slípiefni á nanómetrastærð (t.d. SiO₂) í leðjunni taka þátt í klippingu, veikja Si-C samgild tengi og auka efnisfjarlægingu.

Tegundir CMP-tækni:

Frí slípiefnisslípun: Slípiefni (t.d. SiO₂) eru sviflaus í leðju. Efnið er fjarlægt með þríþættri slípun (skífa, púði og slípiefni). Stærð slípiefnisins (venjulega 60–200 nm), sýrustig og hitastig verður að vera nákvæmlega stjórnað til að bæta einsleitni.

Föst slípiefni: Slípiefni eru felld inn í slípunarpúðann til að koma í veg fyrir samloðun — tilvalið fyrir nákvæma vinnslu.

Þrif eftir pússun:

Slípaðar skífur gangast undir:

Efnahreinsun (þar með talið fjarlæging á afoxuðu vatni og leifar af gruggi),

Skolun með DI vatni, og

Þurrkun með heitu köfnunarefni

til að lágmarka mengun á yfirborði.

Yfirborðsgæði og afköst

Hægt er að minnka yfirborðsgrófleika í Ra < 0,3 nm, sem uppfyllir kröfur um hálfleiðaraepitaxíu.

Alþjóðleg flatning: Samsetning efnafræðilegrar mýkingar og vélrænnar fjarlægingar dregur úr rispum og ójafnri etsingu og skilar betri árangri en hreinar vélrænar eða efnafræðilegar aðferðir.

Mikil afköst: Hentar fyrir hörð og brothætt efni eins og SiC, með efnisfjarlægingarhraða yfir 200 nm/klst.

Aðrar nýjar fægingaraðferðir

Auk CMP hafa aðrar aðferðir verið lagðar til, þar á meðal:

Rafefnafræðileg fæging, fæging eða etsun með hvata, og

Þríþætt pússun.

Hins vegar eru þessar aðferðir enn á rannsóknarstigi og hafa þróast hægt vegna krefjandi efniseiginleika SiC.

Í grundvallaratriðum er SiC vinnsla stigbundið ferli til að draga úr aflögun og grófleika til að bæta yfirborðsgæði, þar sem stjórnun á flatnæmi og grófleika er mikilvæg í hverju stigi.

Vinnslutækni

Við slípun á skífum er demantsblöndur með mismunandi agnastærðum notaðar til að slípa skífuna þar til hún er flat og ójöfn á yfirborði. Því næst er slípun framkvæmd með bæði vélrænni og efnafræðilegri slípun (CMP) aðferðum til að framleiða skemmdalausar slípaðar kísilkarbíð (SiC) skífur.

Eftir slípun gangast SiC-skífurnar undir strangt gæðaeftirlit með tækjum eins og ljósasmásjám og röntgengeislunarmælum til að tryggja að allar tæknilegar breytur uppfylli kröfur. Að lokum eru slípuðu skífurnar hreinsaðar með sérhæfðum hreinsiefnum og útfjólubláu vatni til að fjarlægja óhreinindi á yfirborðinu. Þær eru síðan þurrkaðar með útfjólubláu köfnunarefnisgasi og snúningsþurrkunum, sem lýkur öllu framleiðsluferlinu.

Eftir áralanga vinnu hefur orðið verulegur árangur í vinnslu SiC einkristalla í Kína. Innanlands hefur verið þróaður 100 mm efnaður hálfeinangrandi 4H-SiC einkristallar með góðum árangri og nú er hægt að framleiða n-gerð 4H-SiC og 6H-SiC einkristalla í lotum. Fyrirtæki eins og TankeBlue og TYST hafa þegar þróað 150 mm SiC einkristalla.

Hvað varðar tækni til vinnslu á SiC-skífum hafa innlendar stofnanir kannað vinnsluskilyrði og leiðir til að sneiða, mala og fægja kristal. Þær eru færar um að framleiða sýni sem uppfylla í grundvallaratriðum kröfur um framleiðslu tækja. Hins vegar, samanborið við alþjóðlega staðla, er gæði yfirborðsvinnslu innlendra skífa enn verulega á eftir. Það eru nokkur atriði:

Alþjóðlegar kenningar og vinnslutækni um SiC eru stranglega varðar og ekki auðvelt að nálgast þær.

Það vantar fræðilegar rannsóknir og stuðning við úrbætur og hagræðingu ferla.

Kostnaðurinn við að flytja inn erlendan búnað og íhluti er mikill.

Innlendar rannsóknir á hönnun búnaðar, nákvæmni vinnslu og efnivið sýna enn verulegan mun samanborið við alþjóðlega þróun.

Eins og er eru flest nákvæm tæki sem notuð eru í Kína innflutt. Prófunarbúnaður og aðferðafræði þarfnast einnig frekari úrbóta.

Með áframhaldandi þróun þriðju kynslóðar hálfleiðara eykst þvermál SiC einkristalla undirlaga jafnt og þétt, ásamt hærri kröfum um gæði yfirborðsvinnslu. Skífuvinnslutækni er orðin eitt tæknilega krefjandi skrefið eftir vöxt SiC einkristalla.

Til að takast á við núverandi áskoranir í vinnslu er nauðsynlegt að rannsaka frekar þá ferla sem tengjast skurði, slípun og fægingu og kanna viðeigandi vinnsluaðferðir og leiðir fyrir framleiðslu á SiC-skífum. Á sama tíma er nauðsynlegt að læra af háþróaðri alþjóðlegri vinnslutækni og tileinka sér nýjustu tækni og búnað til að framleiða hágæða undirlag.

Þegar stærð skífna eykst eykst einnig erfiðleikinn við kristallavöxt og vinnslu. Hins vegar batnar framleiðsluhagkvæmni niðurstreymisbúnaðar verulega og einingarkostnaðurinn lækkar. Sem stendur bjóða helstu birgjar SiC skífa um allan heim upp vörur frá 4 tommu til 6 tommu í þvermál. Leiðandi fyrirtæki eins og Cree og II-VI hafa þegar hafið skipulagningu á þróun 8 tommu SiC skífuframleiðslulína.