Hỏi: Các công nghệ chính được sử dụng trong việc cắt và xử lý tấm wafer SiC là gì?
A:cacbua silic (SiC) có độ cứng chỉ đứng sau kim cương và được coi là vật liệu rất cứng và giòn. Quá trình cắt lát, bao gồm việc cắt các tinh thể đã nuôi cấy thành các tấm mỏng, tốn nhiều thời gian và dễ bị vỡ vụn. Là bước đầu tiên trongSiCTrong quá trình xử lý tinh thể đơn, chất lượng cắt lát ảnh hưởng đáng kể đến các công đoạn mài, đánh bóng và làm mỏng tiếp theo. Việc 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, kiểm soát hư hại do nứt bề mặt trong quá trình cắt lát là rất quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của việc chế tạo thiết bị SiC.
Các phương pháp cắt lát SiC hiện được báo cáo bao gồm cắt lát bằng chất mài mòn cố định, cắt lát bằng chất mài mòn tự do, cắt laser, chuyển lớp (tách nguội) và cắt lát bằng phóng điện. Trong số này, cắt lát bằng dây đa năng chuyển động tịnh tiến với chất mài mòn kim cương cố định là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để xử lý tinh thể đơn SiC. Tuy nhiên, khi kích thước thỏi đạt đến 8 inch trở lên, phương pháp cưa dây truyền thống trở nên kém hiệu quả do yêu cầu thiết bị cao, chi phí lớn và hiệu suất thấp. Do đó, cần thiết phải có các công nghệ cắt lát chi phí thấp, tổn thất thấp và hiệu suất cao.
Hỏi: Phương pháp cắt bằng laser có những ưu điểm gì so với phương pháp cắt bằng nhiều dây truyền thống?
A: Phương pháp cắt bằng cưa dây truyền thốngThỏi SiCCác mảnh SiC được cắt theo một hướng cụ thể thành các lát mỏng vài trăm micron. Sau đó, các lát này được mài bằng dung dịch kim cương để loại bỏ các vết cưa và hư hỏng dưới bề mặt, tiếp theo là đánh bóng cơ học hóa học (CMP) để đạt được độ 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 dễ gây ra hiện tượng cong vênh, nứt vỡ, tăng tỷ lệ hư hỏng, chi phí sản xuất cao hơn, và dẫn đến bề mặt nhám cao và ô nhiễm (bụi, nước thải, v.v.). Thêm vào đó, cắt bằng dây chậm và có năng suất thấp. Ước tính cho thấy phương pháp cắt nhiều dây truyền thống chỉ đạt được khoảng 50% hiệu suất sử dụng vật liệu, và có tới 75% vật liệu bị mất sau khi đánh bóng và mài. Dữ liệu sản xuất ban đầu từ nước ngoài cho thấy 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 sản xuất tinh thể SiC đang 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 làm thế nào để giảm tổn thất—đặc biệt khi hiệu suất sản xuất tinh thể chưa đạt mức tối ưu.
Thiết bị cắt bằng laser có thể giảm đáng kể lượng vật liệu hao phí và nâng cao năng suất. Ví dụ, sử dụng một máy cắt laser 20 mm duy nhất.Thỏi SiCCắt bằng dây có thể tạo ra khoảng 30 tấm wafer dày 350 μm. Cắt bằng laser có thể tạo ra hơn 50 tấm wafer. Nếu độ dày wafer giảm xuống còn 200 μm, có thể sản xuất hơn 80 tấm wafer từ cùng một thỏi silicon. Trong khi cắt bằng dây được sử dụng rộng rãi cho các tấm wafer 6 inch trở xuống, việc cắt một thỏi silicon 8 inch có thể mất 10-15 ngày bằng các phương pháp truyền thống, đòi hỏi thiết bị cao cấp và chi phí cao với hiệu suất thấp. Trong điều kiện này, ưu điểm của cắt bằng laser trở nên rõ ràng, biến nó thành công nghệ chủ đạo trong tương lai cho các tấm wafer 8 inch.
Với phương pháp cắt laser, thời gian cắt mỗi tấm wafer 8 inch có thể dưới 20 phút, với lượng vật liệu hao hụt trên mỗi tấm wafer dưới 60 μm.
Tóm lại, so với phương pháp cắt bằng nhiều dây dẫn, cắt bằng laser mang lại tốc độ cao hơn, năng suất tốt hơn, giảm thiểu hao phí vật liệu và quy trình gia công sạch hơn.
Hỏi: Những thách thức kỹ thuật chính trong việc cắt lát SiC bằng laser là gì?
A: Quy trình cắt lát bằng laser bao gồm hai bước chính: chỉnh sửa bằng laser và tách tấm wafer.
Cốt lõi của việc chỉnh sửa bằng 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 quá trình loại bỏ vật liệu và sự thành công của quá trình tách wafer tiếp theo. Hình dạng của vùng được chỉnh sửa quyết định độ nhám bề mặt và độ khó của quá trình tách. Độ nhám bề mặt cao làm phức tạp quá trình mài sau này và làm tăng lượng vật liệu bị mất.
Sau khi chỉnh sửa, việc tách các tấm bán dẫn thường được thực hiện bằng các lực cắt, chẳng hạn như gãy nguội hoặc ứng suất cơ học. Một số hệ thống trong nước sử dụng bộ chuyển đổi siêu âm để tạo ra rung động nhằm tách các tấm bán dẫn, nhưng điều này có thể gây ra hiện tượng sứt mẻ và các khuyết tật ở cạnh, làm giảm năng suất cuối cùng.
Mặc dù hai bước này không quá khó, nhưng sự không nhất quán về chất lượng tinh thể—do các quy trình tăng trưởng khác nhau, mức độ pha tạp và phân bố ứng suất bên trong—ảnh hưởng đáng kể đến độ khó cắt lát, năng suất và tổn thất vật liệu. Việc chỉ xác định các khu vực có vấn đề và điều chỉnh 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 tiên tiến có thể thích ứng với nhiều loại chất lượng tinh thể khác nhau từ các nhà sản xuất khác nhau, tối ưu hóa các thông số quy trình và xây dựng các hệ thống cắt lát bằng laser có tính ứng dụng phổ quát.
Hỏi: Công nghệ cắt lát bằng laser có thể được áp dụng cho các vật liệu bán dẫn khác ngoài SiC không?
A: Công nghệ cắt laser từ lâu đã được ứng dụng rộng rãi trên nhiều loại vật liệu. Trong ngành bán dẫn, ban đầu nó được sử dụng để cắt lát bán dẫn và sau đó mở rộng sang việc cắt các tinh thể đơn lớn.
Ngoài SiC, phương pháp cắt lát bằng laser cũng có thể được sử dụng cho các vật liệu cứng hoặc giòn khác như kim cương, gali nitrua (GaN) và gali oxit (Ga₂O₃). Các nghiên cứu sơ bộ trên các vật liệu này đã chứng minh tính khả thi và lợi thế của phương pháp cắt lát bằng laser trong các ứng dụng bán dẫn.
Hỏi: Hiện nay đã có sản phẩm thiết bị cắt laser trong nước nào hoàn thiện chưa? Nghiên cứu của các bạn đang ở giai đoạn nào?
A: Thiết bị cắt lát laser SiC đường kính lớn được xem là thiết bị cốt lõi cho tương lai của sản xuất tấm wafer SiC 8 inch. Hiện tại, chỉ có Nhật Bản cung cấp được các hệ thống này, và chúng rất đắt tiền và chịu các hạn chế xuất khẩu.
Ước tính nhu cầu trong nước đối với hệ thống cắt/làm mỏng bằng laser vào khoảng 1.000 đơn vị, dựa trên kế hoạch sản xuất SiC và công suất máy cưa dây hiện có. Các công ty lớn trong nước đã đầu tư mạnh vào phát triển, nhưng chưa có thiết bị nội địa nào hoàn thiện và được bán thương mại rộng rãi để triển khai trong công nghiệp.
Các nhóm nghiên cứu đã phát triển công nghệ tách lớp bằng laser độc quyền từ năm 2001 và hiện đã mở rộng công nghệ này sang việc cắt và làm mỏng SiC đường kính lớn bằng laser. Họ đã phát triển một hệ thống nguyên mẫu và các quy trình cắt có khả năng: Cắt và làm mỏng các tấm wafer SiC bán cách điện 4–6 inch; Cắt các thỏi SiC dẫn điện 6–8 inch. Các tiêu chuẩn hiệu suất: SiC bán cách điện 6–8 inch: thời gian cắt 10–15 phút/wafer; tổn thất vật liệu <30 μm; SiC dẫn điện 6–8 inch: thời gian cắt 14–20 phút/wafer; tổn thất vật liệu <60 μm.
Sản lượng wafer ước tính tăng hơn 50%.
Sau khi cắt lát, các tấm wafer đáp ứng các tiêu chuẩn quốc gia về hình dạng sau khi mài và đánh bóng. Các nghiên cứu cũng cho thấy rằng các hiệu ứng nhiệt do laser gây ra không ảnh hưởng đáng kể đến ứng suất hoặc hình dạng của các tấm wafer.
Thiết bị tương tự cũng đã được sử dụng để kiểm chứng tính khả thi của việc cắt lát các tinh thể đơn kim cương, GaN và Ga₂O₃.
Thời gian đăng bài: 23 tháng 5 năm 2025