Trenutno stanje i trendovi tehnologije obrade SiC pločica

Kao poluvodički supstratni materijal treće generacije,silicijev karbid (SiC)Monokristal ima široke mogućnosti primjene u proizvodnji visokofrekventnih i visokosnažnih elektroničkih 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 inozemstvu, analizirajući i uspoređujući mehanizme procesa rezanja, brušenja i poliranja, kao i trendove u ravnosti i hrapavosti pločica. Također ističe postojeće izazove u obradi SiC pločica i raspravlja o budućim smjerovima razvoja.

Silicijev karbid (SiC)Pločice su ključni temeljni materijali za poluvodičke uređaje treće generacije i imaju značajnu važnost i tržišni potencijal u područjima kao što su mikroelektronika, energetska elektronika i poluvodička rasvjeta. Zbog izuzetno visoke tvrdoće i kemijske stabilnostiMonokristali SiC-aTradicionalne metode obrade poluvodiča nisu u potpunosti prikladne za njihovu strojnu obradu. Iako su mnoge međunarodne tvrtke provele opsežna istraživanja tehnički zahtjevne obrade 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 bitno poboljšati mogućnosti obrade SiC-a kako bi se poboljšala kvaliteta SiC monokristalnih podloga i postigla njihova praktična primjena i masovna proizvodnja.

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

Rezanje monokristala SiC

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

Alati za rezanje mogu se prema obliku podijeliti na dijamantne pile unutarnjeg promjera (ID), pile vanjskog promjera (OD), tračne pile i žičane pile. Žičane pile se pak mogu klasificirati prema vrsti kretanja na recipročne i kružne (beskonačne) žičane sustave. Na temelju mehanizma rezanja abraziva, tehnike rezanja žičanom pilom mogu se podijeliti u dvije vrste: piljenje slobodnom abrazivnom žicom i piljenje fiksnom abrazivnom dijamantnom žicom.

1.1 Tradicionalne metode rezanja

Dubina rezanja pila s vanjskim promjerom (OD) ograničena je promjerom oštrice. Tijekom procesa rezanja, oštrica je sklona vibracijama i odstupanjima, što rezultira visokom razinom buke i slabom krutošću. Pile s unutarnjim promjerom (ID) koriste dijamantne abrazive na unutarnjem obodu oštrice kao reznu oštricu. Ove oštrice mogu biti tanke i do 0,2 mm. Tijekom 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 trošenja i visokih troškova održavanja. Zbog širine lista pile, radijus rezanja ne može biti premalen, a višeslojno rezanje nije moguće. Ovi tradicionalni alati za piljenje ograničeni su krutošću baze i ne mogu izrađivati ​​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 s slobodnim abrazivom koristi brzo kretanje žice za unošenje suspenzije u prorez, omogućujući uklanjanje materijala. Primarno koristi klipnu strukturu i trenutno je zrela i široko korištena metoda za učinkovito rezanje više pločica monokristalnog silicija. Međutim, njezina primjena u rezanju SiC-a manje je opsežno proučavana.

Žičane pile s slobodnim abrazivom mogu obrađivati ​​pločice debljine manje od 300 μm. Nude nizak gubitak rezanja, rijetko uzrokuju ljuštenje i rezultiraju relativno dobrom kvalitetom površine. Međutim, zbog mehanizma uklanjanja materijala - temeljenog na kotrljanju i udubljenju abraziva - površina pločice sklona je razvoju značajnog zaostalog naprezanja, mikropukotina i dubljih slojeva oštećenja. To dovodi do savijanja pločice, otežava kontrolu točnosti profila površine i povećava opterećenje na sljedećim koracima obrade.

Na performanse rezanja uvelike utječe suspenzija; 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 dijamantne žičane pile obično se izrađuju ugrađivanjem dijamantnih čestica na čeličnu žicu postupkom galvanizacije, sinteriranja ili lijepljenja smolom. Elektroplatirane dijamantne žičane pile nude prednosti kao što su uži prorezi, bolja kvaliteta rezanja, veća učinkovitost, manja kontaminacija i mogućnost rezanja materijala visoke tvrdoće.

Elektroplatirana dijamantna žičana pila s recipročnim kretanjem trenutno je najčešće korištena metoda za rezanje SiC-a. Slika 1 (nije ovdje prikazana) ilustrira 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 pomiče prema dolje, povećavajući otpor i vibracije žice. Kada žica dosegne 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, uz poteškoće u uklanjanju ostataka rashladnom tekućinom, kvaliteta površine pločice se pogoršava. Preokretanje žice i fluktuacije brzine, kao i velike dijamantne čestice na žici, glavni su uzroci površinskih ogrebotina.

1.4 Tehnologija hladne separacije

Hladno odvajanje monokristala SiC inovativan je proces u području obrade poluvodičkih materijala treće generacije. Posljednjih godina privukao je značajnu pozornost zbog svojih značajnih prednosti u poboljšanju prinosa i smanjenju gubitka materijala. Tehnologija se može analizirati s tri aspekta: princip rada, tijek 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) brušenjem 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 rezanja i problema s neravninama površine.

Tehnologija laserskog rezanja: Laser se koristi za stvaranje modificiranog sloja unutar kristala, od kojeg se mogu odvojiti tanke kriške. Ovaj pristup smanjuje gubitak materijala i poboljšava učinkovitost 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 tvrdoćama 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. Kemijsko-mehaničko poliranje (CMP) koristi se za poboljšanje ujednačenosti površine.

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

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

Hibridne tehnologije obrade: Kombiniranje mehaničkih i kemijskih metoda povećava učinkovitost obrade.

Ova tehnologija je već postigla industrijsku primjenu. Infineon je, na primjer, preuzeo SILTECTRA-u i sada posjeduje ključne patente koji podržavaju masovnu proizvodnju 8-inčnih pločica. U Kini su tvrtke poput Delong Lasera postigle učinkovitost 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 podloge. S povećanjem promjera poluvodičkih materijala, tradicionalne metode rezanja postale su zastarjele. Među trenutnim opcijama, tehnologija recipročne dijamantne 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 poluvodiča treće generacije, silicijev karbid (SiC) nudi značajne prednosti zbog širokog zabranjenog pojasa, visokog probojnog električnog polja, visoke brzine drifta elektrona zasićenja i izvrsne toplinske vodljivosti. Ova svojstva čine SiC posebno povoljnim u visokonaponskim primjenama (npr. okruženja od 1200 V). Tehnologija obrade SiC podloga temeljni je dio izrade uređaja. Kvaliteta površine i preciznost podloge izravno utječu na kvalitetu epitaksijalnog sloja i performanse konačnog uređaja.

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

2.1 Grubo i fino mljevenje

Brušenje se može kategorizirati prema veličini abrazivnih čestica:

Grubo brušenje: Koristi veće abrazive prvenstveno za uklanjanje tragova piljenja i oštećenih slojeva nastalih tijekom rezanja, poboljšavajući učinkovitost 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 dijamantne suspenzije. Ovaj proces učinkovito 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 doseže 0,8–1,2 μm/min. Međutim, rezultirajuća površina pločice je mat s relativno visokom hrapavošću - obično oko 50 nm - što nameće veće zahtjeve na sljedeće korake poliranja.

2.2 Jednostrano brušenje

Jednostrano brušenje obrađuje samo jednu stranu pločice odjednom. Tijekom 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 izravnava. Kada se pritisak ukloni, gornja površina se obično vraća u prvobitni oblik, što također utječe na već brušenu donju površinu - uzrokujući da se obje strane savijaju i postaju ravnomjernije.

Štoviše, brusna ploča može u kratkom vremenu postati konkavna, uzrokujući da pločica postane konveksna. Kako bi se održala ravnost ploče, potrebno je često brušenje. Zbog niske učinkovitosti i loše ravnosti pločice, jednostrano brušenje nije prikladno 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 omogućuje da hrapavost površine obrađenih pločica dosegne ispod 2 nm, što pločice čini spremnima za završno CMP (kemijsko-mehaničko poliranje) bez dodatne obrade.

2.3 Tehnologija jednostranog prorjeđivanja

Tehnologija jednostranog dijamantnog stanjivanja je nova metoda jednostranog brušenja. Kao što je prikazano na slici 5 (nije ovdje prikazana), proces koristi brusnu ploču vezanu dijamantima. Pločica se fiksira vakuumskom adsorpcijom, dok se i pločica i dijamantni brusni kotač okreću istovremeno. Brusni kotač se postupno pomiče prema dolje kako bi se pločica stanjila 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 jedne pločice nudi visoku stabilnost, izvrsnu konzistenciju i visoku stopu uklanjanja materijala. U usporedbi s konvencionalnim dvostranim brušenjem, ova tehnika poboljšava učinkovitost brušenja za više od 50%.

2.4 Dvostrano brušenje

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

Tijekom procesa, brusne ploče prvo primjenjuju pritisak na najviše točke obratka, uzrokujući deformaciju i postupno uklanjanje materijala na tim točkama. Kako se najviše točke poravnavaju, pritisak na podlogu postupno postaje ujednačeniji, što rezultira konzistentnom deformacijom po cijeloj površini. To omogućuje 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 bio izložen. To dovodi do minimalnog savijanja i dobre ravnosti.

Hrapavost površine pločice nakon brušenja ovisi o veličini abrazivnih čestica - manje čestice daju glatkije površine. Pri korištenju abraziva od 5 μm za dvostrano brušenje, ravnost i varijacija debljine pločice mogu se kontrolirati unutar 5 μm. Mjerenja atomskom silovnom mikroskopijom (AFM) pokazuju hrapavost površine (Rq) od oko 100 nm, s udubljenjima brušenja dubokim do 380 nm i vidljivim linearnim tragovima uzrokovanim abrazivnim djelovanjem.

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

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

Poliranje monokristala SiC

Za postizanje visokokvalitetne polirane površine na pločicama silicij-karbida (SiC), poliranjem se moraju potpuno ukloniti udubljenja od brušenja i nanometarske površinske valovitosti. Cilj je proizvesti glatku površinu bez nedostataka, bez kontaminacije ili degradacije, bez oštećenja podpovršine i bez zaostalog površinskog naprezanja.

3.1 Mehaničko poliranje i CMP SiC pločica

Nakon rasta ingota monokristala SiC, površinski defekti sprječavaju njegovu izravnu 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.

Kemijsko-mehaničko poliranje (CMP): Uklanja ogrebotine kemijskim jetkanjem; pogodno za precizno poliranje.

Vodikovo jetkanje: Zahtijeva složenu opremu, koja se često koristi u HTTVD procesima.

Poliranje uz pomoć plazme: Složeno i rijetko korišteno.

Samo mehaničko poliranje obično uzrokuje ogrebotine, dok samo kemijsko poliranje može dovesti do neravnomjernog jetkanja. CMP kombinira obje prednosti i nudi učinkovito i isplativo rješenje.

Princip rada CMP-a

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

Ključni korišteni materijali:

Polirna kaša: Sadrži abrazive i kemijske reagense.

Polirni jastučić: Troši se tijekom upotrebe, smanjujući veličinu pora i učinkovitost isporuke suspenzije. Redovito poliranje, obično dijamantnim obrađivačem, potrebno je za vraćanje hrapavosti.

Tipičan CMP proces

Abraziv: dijamantna suspenzija od 0,5 μm

Hrapavost ciljne površine: ~0,7 nm

Kemijsko-mehaničko poliranje:

Oprema za poliranje: AP-810 jednostrana polirka

Tlak: 200 g/cm²

Brzina ploče: 50 o/min

Brzina keramičkog držača: 38 okretaja u minuti

Sastav gnojnice:

SiO₂ (30 tež.%, pH = 10,15)

0–70 tež.% H₂O₂ (30 tež.%, reagensne čistoće)

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

Brzina protoka gnojnice: 3 L/min, recirkulirana

Ovaj proces učinkovito poboljšava kvalitetu SiC pločica i ispunjava zahtjeve za daljnje procese.

Tehnički izazovi u mehaničkom poliranju

SiC, kao poluvodič sa širokim energetskim razmakom, igra vitalnu ulogu u elektroničkoj industriji. S izvrsnim fizičkim i kemijskim svojstvima, monokristali SiC-a prikladni su za ekstremne uvjete, 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 tijekom obrade postali su istaknutiji, što značajno utječe na prinos. Rješavanje tehničkih izazova 8-inčnih SiC podloga sada je ključno mjerilo za napredak industrije.

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

Skaliranje pločice potrebno je za povećanje proizvodnje čipa po seriji, smanjenje gubitka rubova i niže troškove 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 tlaka, što povećava poteškoće upravljanja naprezanjem poliranja i konzistentnošću prinosa.

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

Kako bi se smanjilo naprezanje, savijanje i pucanje uzrokovano rezanjem, sve se više koristi lasersko rezanje. Međutim:

Laseri dugih valnih duljina uzrokuju toplinska oštećenja.

Kratkovalni laseri stvaraju teške ostatke i produbljuju oštećeni sloj, povećavajući složenost poliranja.

Tijek rada mehaničkog poliranja za SiC

Opći tijek procesa uključuje:

Orijentacijsko rezanje

Grubo mljevenje

Fino mljevenje

Mehaničko poliranje

Kemijsko-mehaničko poliranje (CMP) kao završni korak

Izbor CMP metode, dizajn procesnog procesa i optimizacija parametara ključni su. U proizvodnji poluvodiča, CMP je odlučujući korak za proizvodnju SiC pločica s ultra glatkim površinama bez defekata i oštećenja, koje su bitne 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 pomoću višežičane pile;

(e) Postići zrcalnu glatkoću površine brušenjem i poliranjem.

Nakon završetka niza koraka obrade, vanjski rub SiC pločice često postaje oštar, što povećava rizik od pucanja tijekom rukovanja ili upotrebe. Kako bi se izbjegla takva krhkost, potrebno je brušenje rubova.

Uz tradicionalne procese rezanja, inovativna metoda za pripremu SiC pločica uključuje tehnologiju lijepljenja. Ovaj pristup omogućuje izradu pločica lijepljenjem tankog sloja SiC monokristala na heterogenu podlogu (noseću podlogu).

Slika 3 ilustrira tijek procesa:

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

Odvojeni sloj SiC-a podvrgava se površinskoj obradi kako bi se postigla potrebna ravnost i može se ponovno upotrijebiti u kasnijim procesima lijepljenja. U usporedbi s 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 kemijsku 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, uklanjanje ogrebotina, rupica i nedostataka narančine kore, smanjenje hrapavosti površine, poboljšanje ravnosti i poboljšanje kvalitete površine.

Za postizanje visokokvalitetne polirane površine potrebno je:

Podesite vrste abraziva,

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 Kemijsko-mehaničko poliranje (KMP)

Kemijsko mehaničko poliranje (CMP) kombinira abraziju ultrafinih čestica s kemijskim jetkanjem kako bi se formirala glatka, ravna površina na materijalu koji se obrađuje. Osnovni princip je:

Između polirne suspenzije i površine pločice dolazi do kemijske reakcije, stvarajući mekani sloj.

Trenje između abrazivnih čestica i mekog sloja uklanja materijal.

Prednosti CMP-a:

Prevladava nedostatke isključivo mehaničkog ili kemijskog poliranja,

Postiže i globalnu i lokalnu planarizaciju,

Stvara površine s visokom ravnošću i niskom hrapavošću,

Ne ostavlja nikakva površinska ili podzemna oštećenja.

Detaljno:

Pločica se pomiče u odnosu na polirnu podlogu pod pritiskom.

Nanometarski abrazivi (npr. SiO₂) u suspenziji sudjeluju u smicanju, slabeći Si-C kovalentne veze i poboljšavajući uklanjanje materijala.

Vrste CMP tehnika:

Poliranje slobodnim abrazivom: Abrazivi (npr. SiO₂) suspendiraju se u suspenziji. Uklanjanje materijala događa se trostrukom abrazijom (pločica-podloga-abraziv). Veličina abraziva (obično 60–200 nm), pH i temperatura moraju se precizno kontrolirati kako bi se poboljšala ujednačenost.

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

Čišćenje nakon poliranja:

Polirane pločice podvrgavaju se:

Kemijsko čišćenje (uključujući uklanjanje deionizirane vode i ostataka mulja),

Ispiranje deioniziranom vodom i

Sušenje vrućim dušikom

kako bi se smanjili površinski zagađivači.

Kvaliteta i performanse površine

Hrapavost površine može se smanjiti na Ra < 0,3 nm, što zadovoljava zahtjeve poluvodičke epitaksije.

Globalna planarizacija: Kombinacija kemijskog omekšavanja i mehaničkog uklanjanja smanjuje ogrebotine i neravnomjerno jetkanje, nadmašujući čisto mehaničke ili kemijske metode.

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

Druge nove tehnike poliranja

Uz CMP, predložene su i alternativne metode, uključujući:

Elektrokemijsko poliranje, poliranje ili jetkanje uz pomoć katalizatora i

Tribokemijsko poliranje.

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

U konačnici, obrada SiC-a je postupan proces smanjenja savijanja i hrapavosti radi poboljšanja kvalitete površine, gdje su kontrola ravnosti i hrapavosti ključne u svakoj fazi.

Tehnologija obrade

Tijekom faze brušenja pločice, dijamantna suspenzija s različitim veličinama čestica koristi se za brušenje pločice do potrebne ravnosti i hrapavosti površine. Nakon toga slijedi poliranje, korištenjem tehnika mehaničkog i kemijsko-mehaničkog poliranja (CMP) za proizvodnju poliranih pločica silicij-karbida (SiC) bez oštećenja.

Nakon poliranja, SiC pločice prolaze rigoroznu kontrolu kvalitete pomoću instrumenata poput optičkih mikroskopa i rendgenskih difraktometara kako bi se osiguralo da svi tehnički parametri zadovoljavaju potrebne standarde. Na kraju, polirane pločice se čiste specijaliziranim sredstvima za čišćenje i ultračistom vodom kako bi se uklonili površinski onečišćujući materijali. Zatim se suše pomoću ultračistog dušika i centrifugirajućih sušilica, čime se dovršava cijeli proizvodni proces.

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

Što se tiče tehnologije obrade SiC pločica, domaće institucije su prethodno istražile procesne uvjete i puteve za rezanje, brušenje i poliranje kristala. Sposobne su proizvesti uzorke koji u osnovi zadovoljavaju zahtjeve za izradu uređaja. Međutim, u usporedbi s međunarodnim standardima, kvaliteta obrade površine domaćih pločica i dalje značajno zaostaje. Postoji nekoliko problema:

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

Nedostaje teorijskih istraživanja i podrške za poboljšanje i optimizaciju procesa.

Troškovi uvoza strane opreme i komponenti su visoki.

Domaća istraživanja o dizajnu opreme, preciznosti obrade i materijalima još uvijek pokazuju značajne nedostatke u usporedbi s međunarodnim razinama.

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

S kontinuiranim razvojem poluvodiča treće generacije, promjer SiC monokristalnih podloga stalno se povećava, uz sve veće zahtjeve za kvalitetom obrade površine. Tehnologija obrade pločica postala je jedan od tehnički najzahtjevnijih koraka nakon rasta SiC monokristala.

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

S povećanjem veličine pločice, raste i poteškoća rasta i obrade kristala. Međutim, učinkovitost proizvodnje nizvodnih uređaja značajno se poboljšava, a jedinični trošak se smanjuje. Trenutno, glavni dobavljači SiC pločica diljem svijeta nude proizvode promjera od 4 do 6 inča. Vodeće tvrtke poput Cree i II-VI već su počele planirati razvoj proizvodnih linija SiC pločica od 8 inča.