H: Những công nghệ chính nào được sử dụng trong quá trình cắt và xử lý wafer SiC?
A:Silic cacbua (SiC) có độ cứng chỉ đứng sau kim cương và được coi là vật liệu cực kỳ cứng và giòn. Quá trình cắt lát, bao gồm việc cắt các tinh thể đã phát triển thành các tấm mỏng, tốn nhiều thời gian và dễ bị sứt mẻ. Là bước đầu tiên trongSiCxử lý tinh thể đơn, chất lượng cắt lát ảnh hưởng đáng kể đến quá trình mài, đánh bóng và làm mỏng sau đó. Cắt lát thường tạo ra các vết nứt trên bề mặt và dưới bề mặt, làm tăng tỷ lệ vỡ wafer và chi phí sản xuất. Do đó, việc kiểm soát hư hỏng do vết nứt trên bề mặt trong quá trình cắt lát là rất quan trọng để thúc đẩy chế tạo thiết bị SiC.
Các phương pháp cắt lát SiC hiện được báo cáo bao gồm cắt mài mòn cố định, cắt mài mòn tự do, cắt laser, chuyển lớp (tách lạnh) và cắt lát phóng điện. Trong số đó, cắt lát nhiều dây qua lại với vật liệu mài kim cương cố định là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để xử lý các tinh thể đơn SiC. Tuy nhiên, khi kích thước thỏi đạt 8 inch trở lên, phương pháp cưa dây truyền thống trở nên kém thực tế hơn do nhu cầu về thiết bị cao, chi phí và hiệu quả thấp. Có một nhu cầu cấp thiết về các công nghệ cắt lát chi phí thấp, tổn thất thấp, hiệu quả cao.
H: Ưu điểm của phương pháp cắt laser so với phương pháp cắt nhiều dây truyền thống là gì?
A:Cưa dây truyền thống cắtThỏi SiCtheo một hướng cụ thể thành các lát mỏng dày vài trăm micron. Các lát mỏng sau đó được nghiền bằng bùn kim cương để loại bỏ vết cưa và hư hỏng bên dưới bề mặt, sau đó là đánh bóng cơ học hóa học (CMP) để đạt được sự san phẳng toàn cục và cuối cùng được làm sạch để thu được các tấm wafer SiC.
Tuy nhiên, do độ cứng và độ giòn cao của SiC, các bước này có thể dễ dàng gây cong vênh, nứt, tăng tỷ lệ vỡ, chi phí sản xuất cao hơn và dẫn đến độ nhám bề mặt cao và ô nhiễm (bụi, nước thải, v.v.). Ngoài ra, cưa dây chậm và có năng suất thấp. Các ước tính cho thấy phương pháp cắt nhiều dây truyền thống chỉ đạt được khoảng 50% mức sử dụng vật liệu và có tới 75% vật liệu bị mất sau khi đánh bóng và mài. Dữ liệu sản xuất nước ngoài ban đầu chỉ ra rằng có thể mất khoảng 273 ngày sản xuất liên tục 24 giờ để sản xuất 10.000 tấm wafer—rất tốn thời gian.
Trong nước, nhiều công ty phát triển tinh thể SiC tập trung vào việc tăng công suất lò nung. Tuy nhiên, thay vì chỉ mở rộng sản lượng, điều quan trọng hơn là phải xem xét cách giảm tổn thất—đặc biệt là khi năng suất phát triển tinh thể vẫn chưa đạt mức tối ưu.
Thiết bị cắt laser có thể giảm đáng kể tổn thất vật liệu và cải thiện năng suất. Ví dụ, sử dụng một máy cắt laser 20 mmThỏi SiC:Cưa dây có thể tạo ra khoảng 30 wafer có độ dày 350 μm. Cắt laser có thể tạo ra hơn 50 wafer. Nếu độ dày wafer giảm xuống còn 200 μm, có thể tạo ra hơn 80 wafer từ cùng một thỏi. Trong khi cưa dây được sử dụng rộng rãi cho wafer 6 inch trở xuống, thì việc cắt một thỏi SiC 8 inch có thể mất 10–15 ngày bằng các phương pháp truyền thống, đòi hỏi thiết bị cao cấp và phải chịu chi phí cao với hiệu suất thấp. Trong những điều kiện này, những ưu điểm của cắt laser trở nên rõ ràng, khiến nó trở thành công nghệ tương lai chính thống cho wafer 8 inch.
Với công nghệ cắt laser, thời gian cắt mỗi tấm wafer 8 inch có thể dưới 20 phút, với lượng vật liệu bị mất trên mỗi tấm wafer dưới 60 μm.
Tóm lại, so với phương pháp cắt nhiều dây, phương pháp cắt laser có tốc độ cao hơn, năng suất tốt hơn, ít hao hụt vật liệu hơn và xử lý sạch hơn.
H: Những thách thức kỹ thuật chính trong quá trình cắt laser SiC là gì?
A:Quá trình cắt lát bằng laser bao gồm hai bước chính: sửa đổi bằng laser và tách wafer.
Cốt lõi của việc sửa đổi laser là định hình chùm tia và tối ưu hóa thông số. Các thông số như công suất laser, đường kính điểm và tốc độ quét đều ảnh hưởng đến chất lượng cắt bỏ vật liệu và sự thành công của việc tách wafer sau đó. Hình dạng của vùng sửa đổi xác định độ nhám bề mặt và độ khó của việc tách. Độ nhám bề mặt cao làm phức tạp quá trình mài sau này và làm tăng tổn thất vật liệu.
Sau khi sửa đổi, việc tách wafer thường đạt được thông qua lực cắt, chẳng hạn như gãy lạnh hoặc ứng suất cơ học. Một số hệ thống trong nước sử dụng đầu dò siêu âm để tạo ra rung động để tách, nhưng điều này có thể gây ra các vết nứt và khuyết tật cạnh, làm giảm năng suất cuối cùng.
Mặc dù hai bước này không khó về bản chất, nhưng sự không nhất quán về chất lượng tinh thể - do các quá trình phát triển, mức độ pha tạp và phân bố ứng suất bên trong khác nhau - ảnh hưởng đáng kể đến độ khó cắt lát, năng suất và tổn thất vật liệu. Chỉ xác định các khu vực có vấn đề và điều chỉnh các vùng quét laser có thể không cải thiện đáng kể kết quả.
Chìa khóa để áp dụng rộng rãi nằm ở việc phát triển các phương pháp và thiết bị sáng tạo có thể thích ứng với nhiều loại chất lượng tinh thể từ nhiều nhà sản xuất khác nhau, tối ưu hóa các thông số quy trình và xây dựng hệ thống cắt lát laser có khả năng ứng dụng rộng rãi.
H: Công nghệ cắt laser có thể áp dụng cho các vật liệu bán dẫn khác ngoài SiC không?
A:Công nghệ cắt laser trước đây đã được áp dụng cho nhiều loại vật liệu. Trong chất bán dẫn, ban đầu nó được sử dụng để cắt lát wafer và sau đó đã mở rộng sang cắt lát các tinh thể đơn khối lớn.
Ngoài SiC, cắt laser cũng có thể được sử dụng cho các vật liệu cứng hoặc giòn khác như kim cương, gali nitride (GaN) và gali oxit (Ga₂O₃). Các nghiên cứu sơ bộ về các vật liệu này đã chứng minh tính khả thi và lợi thế của cắt laser cho các ứng dụng bán dẫn.
H: Hiện tại có sản phẩm thiết bị cắt laser trong nước nào đã hoàn thiện không? Nghiên cứu của bạn đang ở giai đoạn nào?
A: Thiết bị cắt laser SiC đường kính lớn được coi là thiết bị cốt lõi cho tương lai sản xuất wafer SiC 8 inch. Hiện tại, chỉ có Nhật Bản mới có thể cung cấp các hệ thống như vậy và chúng rất đắt tiền và bị hạn chế xuất khẩu.
Nhu cầu trong nước đối với hệ thống cắt/làm mỏng bằng laser ước tính vào khoảng 1.000 đơn vị, dựa trên kế hoạch sản xuất SiC và năng lực cưa dây hiện có. Các công ty lớn trong nước đã đầu tư mạnh vào phát triển, nhưng chưa có thiết bị trong nước nào hoàn thiện, có sẵn trên thị trường được triển khai trong công nghiệp.
Các nhóm nghiên cứu đã phát triển công nghệ nhấc laser độc quyền từ năm 2001 và hiện đã mở rộng công nghệ này sang cắt và làm mỏng laser SiC đường kính lớn. Họ đã phát triển một hệ thống nguyên mẫu và các quy trình cắt có khả năng: Cắt và làm mỏng các tấm bán dẫn SiC 4–6 inchCắt các thỏi SiC dẫn điện 6–8 inchTiêu chuẩn hiệu suất: SiC bán dẫn 6–8 inch: thời gian cắt 10–15 phút/tấm; tổn thất vật liệu <30 μm SiC dẫn điện 6–8 inch: thời gian cắt 14–20 phút/tấm; tổn thất vật liệu <60 μm
Sản lượng wafer ước tính tăng hơn 50%
Sau khi cắt lát, các tấm wafer đạt tiêu chuẩn quốc gia về hình dạng sau khi mài và đánh bóng. Các nghiên cứu cũng cho thấy hiệu ứng nhiệt do tia laser gây ra không ảnh hưởng đáng kể đến ứng suất hoặc hình dạng trong các tấm wafer.
Thiết bị tương tự cũng đã được sử dụng để xác minh tính khả thi của việc cắt tinh thể đơn kim cương, GaN và Ga₂O₃.
Thời gian đăng: 23-05-2025