Trenutno stanje i trendovi tehnologije obrade SiC pločica

Kao poluprovodnički supstratni materijal treće generacije,silicijum karbid (SiC)Monokristal ima široke mogućnosti primjene u proizvodnji visokofrekventnih i visokoenergetskih elektronskih uređaja. Tehnologija obrade SiC-a igra odlučujuću ulogu u proizvodnji visokokvalitetnih supstratnih materijala. Ovaj članak predstavlja trenutno stanje istraživanja tehnologija obrade SiC-a u Kini i inostranstvu, analizirajući i upoređujući mehanizme procesa rezanja, brušenja i poliranja, kao i trendove u ravnosti i hrapavosti pločica. Također ističe postojeće izazove u obradi SiC pločica i razmatra buduće pravce razvoja.

Silicijum karbid (SiC)Pločice su ključni osnovni materijali za poluprovodničke uređaje treće generacije i imaju značajan značaj i tržišni potencijal u oblastima kao što su mikroelektronika, energetska elektronika i poluprovodnička rasvjeta. Zbog izuzetno visoke tvrdoće i hemijske stabilnostiMonokristali SiC-aTradicionalne metode obrade poluprovodnika nisu u potpunosti pogodne za njihovu mašinsku obradu. Iako su mnoge međunarodne kompanije sprovele opsežna istraživanja o tehnički zahtjevnoj obradi monokristala SiC, relevantne tehnologije se strogo drže u tajnosti.

Posljednjih godina, Kina je povećala napore u razvoju SiC monokristalnih materijala i uređaja. Međutim, napredak tehnologije SiC uređaja u zemlji trenutno je ograničen ograničenjima u tehnologijama obrade i kvaliteti pločica. Stoga je za Kinu ključno da poboljša kapacitete obrade SiC-a kako bi se poboljšao kvalitet SiC monokristalnih supstrata i postigla njihova praktična primjena i masovna proizvodnja.

Glavni koraci obrade uključuju: rezanje → grubo brušenje → fino brušenje → grubo poliranje (mehaničko poliranje) → fino poliranje (hemijsko-mehaničko poliranje, CMP) → inspekcija.

Rezanje monokristala SiC

U obradiMonokristali SiC-aRezanje je prvi i veoma važan korak. Luk, iskrivljenje i ukupna varijacija debljine (TTV) pločice, koje proizlaze iz procesa rezanja, određuju kvalitet i efikasnost naknadnih operacija brušenja i poliranja.

Alati za rezanje mogu se kategorizirati prema obliku na dijamantske pile s unutarnjim promjerom (ID), pile s vanjskim promjerom (OD), tračne pile i žičane pile. Žičane pile se, pak, mogu klasificirati prema vrsti kretanja na recipročne i kružne (beskonačne) žičane sisteme. Na osnovu mehanizma rezanja abraziva, tehnike rezanja žičanom pilom mogu se podijeliti na dvije vrste: piljenje slobodnom abrazivnom žicom i piljenje fiksnom abrazivnom dijamantskom žicom.

1.1 Tradicionalne metode rezanja

Dubina rezanja kod pila s vanjskim promjerom (OD) ograničena je promjerom oštrice. Tokom procesa rezanja, oštrica je sklona vibracijama i odstupanjima, što rezultira visokim nivoom buke i slabom krutošću. Pile s unutarnjim promjerom (ID) koriste dijamantske abrazive na unutrašnjem obodu oštrice kao reznu ivicu. Ove oštrice mogu biti tanke i do 0,2 mm. Tokom rezanja, oštrica s unutarnjim promjerom rotira velikom brzinom dok se materijal koji se reže pomiče radijalno u odnosu na središte oštrice, postižući rezanje ovim relativnim kretanjem.

Dijamantne tračne pile zahtijevaju česta zaustavljanja i okretaje, a brzina rezanja je vrlo niska - obično ne prelazi 2 m/s. Također pate od značajnog mehaničkog habanja i visokih troškova održavanja. Zbog širine lista pile, radijus rezanja ne može biti premalen, a višeslojno rezanje nije moguće. Ovi tradicionalni alati za pilanje ograničeni su krutošću baze i ne mogu praviti zakrivljene rezove ili imaju ograničene radijuse okretanja. Sposobni su samo za ravne rezove, proizvode široke proreze, imaju nisku stopu prinosa i stoga nisu prikladni za rezanje.SiC kristali.

1.2 Besplatna abrazivna žičana pila za rezanje više žica

Tehnika rezanja žičanom pilom sa slobodnim abrazivom koristi brzo kretanje žice za unošenje suspenzije u prorez, omogućavajući uklanjanje materijala. Primarno koristi klipnu strukturu i trenutno je zrela i široko korištena metoda za efikasno rezanje više pločica monokristalnog silicija. Međutim, njena primjena u rezanju SiC je manje opsežno proučavana.

Žičane pile za rezanje bez abrazivnog sredstva mogu obrađivati ​​pločice debljine manje od 300 μm. Nude nizak gubitak rezanja, rijetko uzrokuju ljuštenje i rezultiraju relativno dobrim kvalitetom površine. Međutim, zbog mehanizma uklanjanja materijala - zasnovanog na kotrljanju i udubljenju abraziva - površina pločice ima tendenciju razvoja značajnog zaostalog napona, mikropukotina i dubljih slojeva oštećenja. To dovodi do savijanja pločice, otežava kontrolu tačnosti profila površine i povećava opterećenje na sljedećim koracima obrade.

Performanse rezanja su u velikoj mjeri pod utjecajem suspenzije; potrebno je održavati oštrinu abraziva i koncentraciju suspenzije. Obrada i recikliranje suspenzije su skupi. Prilikom rezanja velikih ingota, abrazivi teško prodiru u duboke i duge rezove. Pri istoj veličini zrna abraziva, gubitak rezova je veći nego kod žičanih pila s fiksnim abrazivom.

1.3 Fiksna abrazivna dijamantna žičana pila za rezanje više žica

Fiksne abrazivne dijamantske žičane pile se obično izrađuju ugrađivanjem dijamantskih čestica na čeličnu žicu putem metoda galvanizacije, sinterovanja ili vezivanja smolom. Elektroplatirane dijamantske žičane pile nude prednosti kao što su uži prorezi, bolji kvalitet rezanja, veća efikasnost, manja kontaminacija i mogućnost rezanja materijala visoke tvrdoće.

Elektroplatirana dijamantska žičana pila s recipročnim pokretom trenutno je najčešće korištena metoda za rezanje SiC-a. Slika 1 (nije ovdje prikazana) ilustruje ravnost površine SiC pločica izrezanih ovom tehnikom. Kako rezanje napreduje, savijanje pločice se povećava. To je zato što se kontaktna površina između žice i materijala povećava kako se žica kreće prema dolje, povećavajući otpor i vibracije žice. Kada žica dostigne maksimalni promjer pločice, vibracija je na vrhuncu, što rezultira maksimalnim savijanjem.

U kasnijim fazama rezanja, zbog ubrzanja, kretanja stabilnom brzinom, usporavanja, zaustavljanja i preokretanja žice, zajedno s poteškoćama u uklanjanju ostataka rashladnom tekućinom, kvalitet površine pločice se pogoršava. Preokretanje žice i fluktuacije brzine, kao i velike čestice dijamanta na žici, glavni su uzroci ogrebotina na površini.

1.4 Tehnologija hladne separacije

Hladno odvajanje SiC monokristala je inovativan proces u oblasti obrade poluprovodničkih materijala treće generacije. Posljednjih godina privukao je značajnu pažnju zbog svojih značajnih prednosti u poboljšanju prinosa i smanjenju gubitka materijala. Tehnologija se može analizirati sa tri aspekta: princip rada, tok procesa i osnovne prednosti.

Određivanje orijentacije kristala i brušenje vanjskog promjera: Prije obrade, mora se odrediti orijentacija kristala SiC ingota. Ingot se zatim oblikuje u cilindričnu strukturu (obično nazvanu SiC pak) putem brušenja vanjskog promjera. Ovaj korak postavlja temelj za naknadno usmjereno rezanje i kriške.

Višežično rezanje: Ova metoda koristi abrazivne čestice u kombinaciji sa žicama za rezanje za rezanje cilindričnog ingota. Međutim, pati od značajnih gubitaka u rezu i problema s neravninama površine.

Tehnologija laserskog rezanja: Laser se koristi za formiranje modificiranog sloja unutar kristala, od kojeg se mogu odvojiti tanke kriške. Ovaj pristup smanjuje gubitak materijala i poboljšava efikasnost obrade, što ga čini obećavajućim novim smjerom za rezanje SiC pločica.

Optimizacija procesa rezanja

Višežičano rezanje fiksnim abrazivnim materijalom: Ovo je trenutno glavna tehnologija, dobro prilagođena visokim karakteristikama tvrdoće SiC-a.

Elektroerozivna obrada (EDM) i tehnologija hladnog odvajanja: Ove metode pružaju raznolika rješenja prilagođena specifičnim zahtjevima.

Proces poliranja: Bitno je uravnotežiti brzinu uklanjanja materijala i oštećenje površine. Hemijsko-mehaničko poliranje (CMP) se koristi za poboljšanje ujednačenosti površine.

Praćenje u realnom vremenu: Uvode se tehnologije online inspekcije za praćenje hrapavosti površine u realnom vremenu.

Lasersko rezanje: Ova tehnika smanjuje gubitak rezanja i skraćuje cikluse obrade, iako termički pogođena zona ostaje izazov.

Hibridne tehnologije obrade: Kombinacija mehaničkih i hemijskih metoda povećava efikasnost obrade.

Ova tehnologija je već postigla industrijsku primjenu. Infineon je, na primjer, preuzeo SILTECTRA i sada posjeduje ključne patente koji podržavaju masovnu proizvodnju 8-inčnih pločica. U Kini, kompanije poput Delong Lasera postigle su efikasnost proizvodnje od 30 pločica po ingotu za obradu 6-inčnih pločica, što predstavlja poboljšanje od 40% u odnosu na tradicionalne metode.

Kako se proizvodnja domaće opreme ubrzava, očekuje se da će ova tehnologija postati glavno rješenje za obradu SiC supstrata. S povećanjem promjera poluprovodničkih materijala, tradicionalne metode rezanja su postale zastarjele. Među trenutnim opcijama, tehnologija recipročne dijamantske žičane pile pokazuje najperspektivnije izglede za primjenu. Lasersko rezanje, kao nova tehnika, nudi značajne prednosti i očekuje se da će u budućnosti postati primarna metoda rezanja.

2,Brušenje monokristala SiC

Kao predstavnik poluprovodnika treće generacije, silicijum karbid (SiC) nudi značajne prednosti zbog širokog zabranjenog pojasa, visokog probojnog električnog polja, velike brzine drifta elektrona u zasićenju i odlične toplotne provodljivosti. Ova svojstva čine SiC posebno povoljnim u visokonaponskim primjenama (npr. okruženja od 1200 V). Tehnologija obrade SiC supstrata je fundamentalni dio izrade uređaja. Kvalitet površine i preciznost supstrata direktno utiču na kvalitet epitaksijalnog sloja i performanse konačnog uređaja.

Primarna svrha procesa brušenja je uklanjanje površinskih tragova piljenja i oštećenih slojeva nastalih tokom rezanja, te ispravljanje deformacija izazvanih procesom rezanja. S obzirom na izuzetno visoku tvrdoću SiC-a, brušenje zahtijeva upotrebu tvrdih abraziva poput bor-karbida ili dijamanta. Konvencionalno brušenje se obično dijeli na grubo brušenje i fino brušenje.

2.1 Grubo i fino mljevenje

Brušenje se može kategorizirati na osnovu veličine abrazivnih čestica:

Grubo brušenje: Koristi veće abrazive prvenstveno za uklanjanje tragova pile i oštećenih slojeva nastalih tokom rezanja, poboljšavajući efikasnost obrade.

Fino brušenje: Koristi finije abrazive za uklanjanje oštećenog sloja nastalog grubim brušenjem, smanjenje hrapavosti površine i poboljšanje kvalitete površine.

Mnogi domaći proizvođači SiC supstrata koriste proizvodne procese velikih razmjera. Uobičajena metoda uključuje dvostrano brušenje pomoću ploče od lijevanog željeza i monokristalne dijamantske suspenzije. Ovaj proces efikasno uklanja oštećeni sloj koji je ostao rezanjem žicom, ispravlja oblik pločice i smanjuje TTV (ukupnu varijaciju debljine), savijanje i deformaciju. Brzina uklanjanja materijala je stabilna, obično dostižući 0,8–1,2 μm/min. Međutim, rezultirajuća površina pločice je mat s relativno visokom hrapavošću – obično oko 50 nm – što nameće veće zahtjeve za naknadne korake poliranja.

2.2 Jednostrano brušenje

Jednostrano brušenje obrađuje samo jednu stranu pločice istovremeno. Tokom ovog procesa, pločica se voskom montira na čeličnu ploču. Pod primijenjenim pritiskom, podloga se lagano deformira, a gornja površina se izravnava. Nakon brušenja, donja površina se poravnava. Kada se pritisak ukloni, gornja površina se obično vraća u prvobitni oblik, što također utiče na već brušenu donju površinu - uzrokujući da se obje strane savijaju i postaju ravnomjernije.

Štaviše, brusna ploča može postati konkavna u kratkom vremenu, uzrokujući da pločica postane konveksna. Da bi se održala ravnost ploče, potrebno je često brušenje. Zbog niske efikasnosti i loše ravnosti pločice, jednostrano brušenje nije pogodno za masovnu proizvodnju.

Obično se za fino brušenje koriste brusni kotači #8000. U Japanu je ovaj proces relativno zreo i koriste se čak i polirajući kotači #30000. To omogućava da hrapavost površine obrađenih pločica dostigne ispod 2 nm, što pločice čini spremnim za završno CMP (hemijsko-mehaničko poliranje) bez dodatne obrade.

2.3 Tehnologija jednostranog prorjeđivanja

Tehnologija jednostranog dijamantskog stanjivanja je nova metoda jednostranog brušenja. Kao što je ilustrovano na slici 5 (nije ovdje prikazana), proces koristi brusnu ploču vezanu dijamantima. Pločica se fiksira vakuumskom adsorpcijom, dok se i pločica i dijamantski brusni točak okreću istovremeno. Brusni točak se postepeno pomiče prema dolje kako bi se pločica istanjila do ciljane debljine. Nakon što je jedna strana završena, pločica se okreće kako bi se obradila druga strana.

Nakon stanjivanja, pločica od 100 mm može postići:

Luk < 5 μm

TTV < 2 μm

Hrapavost površine < 1 nm

Ova metoda obrade pojedinačnih pločica nudi visoku stabilnost, odličnu konzistenciju i visoku stopu uklanjanja materijala. U poređenju sa konvencionalnim dvostranim brušenjem, ova tehnika poboljšava efikasnost brušenja za preko 50%.

2.4 Dvostrano brušenje

Dvostrano brušenje koristi i gornju i donju brusnu ploču za istovremeno brušenje obje strane podloge, osiguravajući odličan kvalitet površine s obje strane.

Tokom procesa, brusne ploče prvo primjenjuju pritisak na najviše tačke obratka, uzrokujući deformaciju i postepeno uklanjanje materijala na tim tačkama. Kako se najviše tačke poravnavaju, pritisak na podlogu postepeno postaje ujednačeniji, što rezultira konzistentnom deformacijom po cijeloj površini. To omogućava ravnomjerno brušenje i gornje i donje površine. Nakon što je brušenje završeno i pritisak se otpusti, svaki dio podloge se ravnomjerno oporavlja zbog jednakog pritiska koji je doživio. To dovodi do minimalnog savijanja i dobre ravnosti.

Hrapavost površine pločice nakon brušenja zavisi od veličine abrazivnih čestica - manje čestice daju glatkije površine. Kada se koriste abrazivi od 5 μm za dvostrano brušenje, ravnost i varijacije debljine pločice mogu se kontrolisati unutar 5 μm. Mjerenja atomskom silovitom mikroskopijom (AFM) pokazuju hrapavost površine (Rq) od oko 100 nm, sa udubljenjima brušenja dubokim do 380 nm i vidljivim linearnim tragovima uzrokovanim abrazivnim djelovanjem.

Naprednija metoda uključuje dvostrano brušenje korištenjem poliuretanskih pjenastih jastučića u kombinaciji sa polikristalnom dijamantskom suspenzijom. Ovaj proces proizvodi pločice sa vrlo niskom hrapavošću površine, postižući Ra < 3 nm, što je vrlo korisno za naknadno poliranje SiC podloga.

Međutim, grebanje površine ostaje neriješeno pitanje. Osim toga, polikristalni dijamant koji se koristi u ovom procesu proizvodi se eksplozivnom sintezom, što je tehnički izazovno, daje male količine i izuzetno je skupo.

Poliranje SiC monokristala

Da bi se postigla visokokvalitetna polirana površina na silicijum-karbidnim (SiC) pločicama, poliranjem se moraju u potpunosti ukloniti udubljenja od brušenja i nanometarske površinske neravnine. Cilj je proizvesti glatku površinu bez defekata, bez kontaminacije ili degradacije, bez oštećenja podpovršine i bez zaostalog površinskog napona.

3.1 Mehaničko poliranje i CMP SiC pločica

Nakon rasta ingota monokristala SiC, površinski defekti sprječavaju njegovu direktnu upotrebu za epitaksijalni rast. Stoga je potrebna daljnja obrada. Ingot se prvo oblikuje u standardni cilindrični oblik zaokruživanjem, zatim se reže na pločice rezanjem žicom, nakon čega slijedi kristalografska provjera orijentacije. Poliranje je ključni korak u poboljšanju kvalitete pločice, rješavajući potencijalna oštećenja površine uzrokovana defektima rasta kristala i prethodnim koracima obrade.

Postoje četiri glavne metode za uklanjanje površinskih oštećenih slojeva na SiC-u:

Mehaničko poliranje: Jednostavno, ali ostavlja ogrebotine; pogodno za početno poliranje.

Hemijsko-mehaničko poliranje (CMP): Uklanja ogrebotine hemijskim nagrizanjem; pogodno za precizno poliranje.

Nagrizanje vodikom: Zahtijeva složenu opremu, koja se obično koristi u HTTVD procesima.

Poliranje uz pomoć plazme: Složeno i rijetko korišteno.

Samo mehaničko poliranje obično uzrokuje ogrebotine, dok samo hemijsko poliranje može dovesti do neravnomjernog nagrizanja. CMP kombinira obje prednosti i nudi efikasno i isplativo rješenje.

Princip rada CMP-a

CMP funkcioniše rotiranjem pločice pod određenim pritiskom uz rotirajući jastučić za poliranje. Ovo relativno kretanje, u kombinaciji s mehaničkom abrazijom od nano-abraziva u suspenziji i hemijskim djelovanjem reaktivnih sredstava, postiže površinsku planarizaciju.

Ključni korišteni materijali:

Sredstvo za poliranje: Sadrži abrazive i hemijske reagense.

Polirni jastučić: Troši se tokom upotrebe, smanjujući veličinu pora i efikasnost isporuke suspenzije. Redovno poliranje, obično dijamantskim obrađivačem, potrebno je za vraćanje hrapavosti.

Tipičan CMP proces

Abraziv: dijamantna suspenzija od 0,5 μm

Hrapavost ciljne površine: ~0,7 nm

Hemijsko-mehaničko poliranje:

Oprema za poliranje: AP-810 jednostrana polirka

Pritisak: 200 g/cm²

Brzina ploče: 50 o/min

Brzina keramičkog držača: 38 o/min

Sastav suspenzije:

SiO₂ (30 težinskih %, pH = 10,15)

0–70 težinskih % H₂O₂ (30 težinskih %, reagensne čistoće)

Podesite pH na 8,5 koristeći 5 težinskih % KOH i 1 težinski % HNO₃

Brzina protoka suspenzije: 3 L/min, recirkulirana

Ovaj proces efikasno poboljšava kvalitet SiC pločica i ispunjava zahtjeve za naknadne procese.

Tehnički izazovi u mehaničkom poliranju

SiC, kao poluprovodnik sa širokim energetskim procjepom, igra vitalnu ulogu u elektronskoj industriji. Sa odličnim fizičkim i hemijskim svojstvima, monokristali SiC-a su pogodni za ekstremne uslove, kao što su visoke temperature, visoke frekvencije, velika snaga i otpornost na zračenje. Međutim, njegova tvrda i krhka priroda predstavlja velike izazove za brušenje i poliranje.

Kako vodeći svjetski proizvođači prelaze sa 6-inčnih na 8-inčne pločice, problemi poput pucanja i oštećenja pločice tokom obrade postali su sve izraženiji, što značajno utiče na prinos. Rješavanje tehničkih izazova 8-inčnih SiC supstrata sada je ključna referentna tačka za napredak industrije.

U eri od 8 inča, obrada SiC pločica suočava se s brojnim izazovima:

Skaliranje pločice je neophodno za povećanje proizvodnje čipa po seriji, smanjenje gubitka na ivicama i smanjenje troškova proizvodnje - posebno s obzirom na rastuću potražnju u primjenama električnih vozila.

Iako je rast 8-inčnih SiC monokristala sazrio, procesi poput brušenja i poliranja i dalje se suočavaju s uskim grlima, što rezultira niskim prinosima (samo 40-50%).

Veće pločice imaju složeniju raspodjelu pritiska, što povećava poteškoće u upravljanju naprezanjem poliranja i konzistentnošću prinosa.

Iako se debljina 8-inčnih pločica približava debljini 6-inčnih pločica, one su sklonije oštećenjima tokom rukovanja zbog naprezanja i savijanja.

Da bi se smanjio napon povezan s rezanjem, savijanje i pucanje, sve se više koristi lasersko rezanje. Međutim:

Laseri dugih talasnih dužina uzrokuju termička oštećenja.

Laseri kratke talasne dužine generišu teške ostatke i produbljuju oštećeni sloj, povećavajući složenost poliranja.

Mehaničko poliranje SiC-a

Opći tok procesa uključuje:

Orijentacijsko rezanje

Grubo mljevenje

Fino mljevenje

Mehaničko poliranje

Hemijsko-mehaničko poliranje (CMP) kao završni korak

Izbor CMP metode, dizajn procesne rute i optimizacija parametara su ključni. U proizvodnji poluprovodnika, CMP je odlučujući korak za proizvodnju SiC pločica sa ultra glatkim površinama bez defekata i oštećenja, koje su neophodne za visokokvalitetni epitaksijalni rast.

(a) Izvadite SiC ingot iz lončića;

(b) Izvršiti početno oblikovanje brušenjem vanjskog promjera;

(c) Odredite orijentaciju kristala pomoću ravnih pločica ili zareza za poravnavanje;

(d) Narežite ingot na tanke pločice koristeći višežičano rezanje;

(e) Postići glatku površinu poput ogledala postupkom brušenja i poliranja.

Nakon završetka serije koraka obrade, vanjska ivica SiC pločice često postaje oštra, što povećava rizik od lomljenja tokom rukovanja ili upotrebe. Da bi se izbjegla takva krhkost, potrebno je brušenje ivica.

Pored tradicionalnih procesa rezanja, inovativna metoda za pripremu SiC pločica uključuje tehnologiju lijepljenja. Ovaj pristup omogućava izradu pločica lijepljenjem tankog sloja SiC monokristala na heterogenu podlogu (noseću podlogu).

Slika 3 ilustruje tok procesa:

Prvo se na određenoj dubini na površini SiC monokristala formira sloj delaminacije putem implantacije vodikovih iona ili sličnih tehnika. Obrađeni SiC monokristal se zatim veže za ravnu noseću podlogu i podvrgava pritisku i toplini. To omogućava uspješan prijenos i odvajanje sloja SiC monokristala na noseću podlogu.

Odvojeni SiC sloj podvrgava se površinskoj obradi kako bi se postigla potrebna ravnost i može se ponovo koristiti u kasnijim procesima lijepljenja. U poređenju sa tradicionalnim rezanjem SiC kristala, ova tehnika smanjuje potražnju za skupim materijalima. Iako tehnički izazovi ostaju, istraživanje i razvoj aktivno napreduju kako bi se omogućila jeftinija proizvodnja pločica.

S obzirom na visoku tvrdoću i hemijsku stabilnost SiC-a, što ga čini otpornim na reakcije na sobnoj temperaturi, mehaničko poliranje je potrebno za uklanjanje finih rupica od brušenja, smanjenje oštećenja površine, eliminaciju ogrebotina, rupica i defekata poput "narančine kore", smanjenje hrapavosti površine, poboljšanje ravnosti i poboljšanje kvalitete površine.

Da bi se postigla visokokvalitetna polirana površina, potrebno je:

Podesite vrste abrazivnih materijala,

Smanjite veličinu čestica,

Optimizirajte procesne parametre,

Odaberite materijale za poliranje i jastučiće odgovarajuće tvrdoće.

Slika 7 pokazuje da dvostrano poliranje abrazivima od 1 μm može kontrolirati ravnost i varijacije debljine unutar 10 μm, te smanjiti hrapavost površine na oko 0,25 nm.

3.2 Hemijsko-mehaničko poliranje (CMP)

Hemijsko mehaničko poliranje (CMP) kombinuje abraziju ultrafinih čestica sa hemijskim nagrizanjem kako bi se formirala glatka, ravna površina na materijalu koji se obrađuje. Osnovni princip je:

Dolazi do hemijske reakcije između polirne suspenzije i površine pločice, formirajući mekani sloj.

Trenje između abrazivnih čestica i mekog sloja uklanja materijal.

Prednosti CMP-a:

Prevazilazi nedostatke čisto mehaničkog ili hemijskog poliranja,

Postiže i globalnu i lokalnu planarizaciju,

Proizvodi površine sa visokom ravnošću i niskom hrapavošću,

Ne ostavlja nikakva površinska ili podzemna oštećenja.

Detaljno:

Pločica se pomiče u odnosu na polirnu podlogu pod pritiskom.

Abrazivi nanometarske veličine (npr. SiO₂) u suspenziji učestvuju u smicanju, slabeći Si-C kovalentne veze i poboljšavajući uklanjanje materijala.

Vrste CMP tehnika:

Poliranje slobodnim abrazivom: Abrazivi (npr. SiO₂) se suspenduju u suspenziji. Uklanjanje materijala se vrši abrazivnim procesom tri vrste (pločica-podloga-abraziv). Veličina abraziva (obično 60–200 nm), pH i temperatura moraju se precizno kontrolisati kako bi se poboljšala ujednačenost.

Poliranje fiksnim abrazivnim materijalom: Abrazivi su ugrađeni u polirni jastučić kako bi se spriječilo nakupljanje - idealno za visokopreciznu obradu.

Čišćenje nakon poliranja:

Polirane pločice podvrgavaju se:

Hemijsko čišćenje (uključujući deioniziranu vodu i uklanjanje ostataka mulja),

Ispiranje deioniziranom vodom i

Sušenje vrućim dušikom

kako bi se smanjile površinske kontaminacije.

Kvalitet i performanse površine

Hrapavost površine može se smanjiti na Ra < 0,3 nm, što ispunjava zahtjeve za poluprovodničku epitaksiju.

Globalna planarizacija: Kombinacija hemijskog omekšavanja i mehaničkog uklanjanja smanjuje ogrebotine i neravnomjerno nagrizanje, nadmašujući čisto mehaničke ili hemijske metode.

Visoka efikasnost: Pogodno za tvrde i krhke materijale poput SiC-a, sa brzinama uklanjanja materijala iznad 200 nm/h.

Druge nove tehnike poliranja

Pored CMP-a, predložene su i alternativne metode, uključujući:

Elektrohemijsko poliranje, poliranje ili nagrizanje uz pomoć katalizatora i

Tribohemijsko poliranje.

Međutim, ove metode su još uvijek u fazi istraživanja i razvijaju se sporo zbog izazovnih svojstava SiC-a kao materijala.

U konačnici, obrada SiC-a je postepeni proces smanjenja savijanja i hrapavosti kako bi se poboljšao kvalitet površine, gdje su kontrola ravnosti i hrapavosti ključne u svakoj fazi.

Tehnologija obrade

Tokom faze brušenja pločice, dijamantna suspenzija s različitim veličinama čestica se koristi za brušenje pločice do potrebne ravnosti i hrapavosti površine. Nakon toga slijedi poliranje, korištenjem tehnika mehaničkog i hemijsko-mehaničkog poliranja (CMP) kako bi se dobile polirane pločice silicijum-karbida (SiC) bez oštećenja.

Nakon poliranja, SiC pločice prolaze rigoroznu kontrolu kvalitete korištenjem instrumenata kao što su optički mikroskopi i rendgenski difraktometri kako bi se osiguralo da svi tehnički parametri ispunjavaju potrebne standarde. Na kraju, polirane pločice se čiste specijaliziranim sredstvima za čišćenje i ultračistom vodom kako bi se uklonili površinski zagađivači. Zatim se suše korištenjem ultračistog dušikovog plina i centrifugirajućih sušilica, čime se završava cijeli proizvodni proces.

Nakon godina truda, u Kini je postignut značajan napredak u obradi SiC monokristala. U Kini su uspješno razvijeni dopirani poluizolacijski 4H-SiC monokristali veličine 100 mm, a n-tip 4H-SiC i 6H-SiC monokristali sada se mogu proizvoditi u serijama. Kompanije poput TankeBlue i TYST već su razvile SiC monokristale veličine 150 mm.

Što se tiče tehnologije obrade SiC pločica, domaće institucije su prethodno istražile procesne uslove i puteve za rezanje, brušenje i poliranje kristala. Sposobne su da proizvedu uzorke koji u osnovi ispunjavaju zahtjeve za izradu uređaja. Međutim, u poređenju sa međunarodnim standardima, kvalitet obrade površine domaćih pločica i dalje značajno zaostaje. Postoji nekoliko problema:

Međunarodne teorije i tehnologije obrade SiC-a su strogo zaštićene i nisu lako dostupne.

Nedostaje teorijsko istraživanje i podrška za poboljšanje i optimizaciju procesa.

Troškovi uvoza strane opreme i komponenti su visoki.

Domaća istraživanja o dizajnu opreme, preciznosti obrade i materijalima i dalje pokazuju značajne nedostatke u poređenju s međunarodnim nivoima.

Trenutno se većina visokopreciznih instrumenata koji se koriste u Kini uvozi. Oprema za testiranje i metodologije također zahtijevaju daljnja poboljšanja.

S kontinuiranim razvojem poluprovodnika treće generacije, prečnik SiC monokristalnih supstrata se stalno povećava, zajedno s većim zahtjevima za kvalitetom obrade površine. Tehnologija obrade pločica postala je jedan od tehnički najzahtjevnijih koraka nakon rasta SiC monokristala.

Da bi se riješili postojeći izazovi u obradi, neophodno je dalje proučavati mehanizme uključene u rezanje, brušenje i poliranje, te istražiti odgovarajuće procesne metode i puteve za proizvodnju SiC pločica. Istovremeno, potrebno je učiti iz naprednih međunarodnih tehnologija obrade i usvojiti najsavremenije ultraprecizne tehnike obrade i opremu za proizvodnju visokokvalitetnih supstrata.

Kako se veličina pločice povećava, raste i poteškoće rasta i obrade kristala. Međutim, efikasnost proizvodnje nizvodnih uređaja značajno se poboljšava, a cijena po jedinici se smanjuje. Trenutno, glavni dobavljači SiC pločica širom svijeta nude proizvode u rasponu od 4 do 6 inča u promjeru. Vodeće kompanije poput Cree i II-VI već su počele planirati razvoj proizvodnih linija SiC pločica od 8 inča.