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 rất cứng và giòn. Quá trình cắt lát, bao gồm việc cắt các tinh thể đã trưởng thành thành các tấm wafer mỏng, tốn nhiều thời gian và dễ bị sứt mẻ. Là bước đầu tiên trongSiCTrong quá trình xử lý đơn tinh thể, chất lượng cắt lát ảnh hưởng đáng kể đến quá trình 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, việc kiểm soát hư hỏng vết nứt bề mặt trong quá trình cắt lát là rất quan trọng để thúc đẩy chế tạo thiết bị SiC.
Các phương pháp cắt SiC hiện được báo cáo bao gồm cắt mài mòn cố định, cắt mài mòn tự do, cắt laser, chuyển lớp (tách nguội) và cắt phóng điện. Trong số đó, cắt nhiều dây qua lại với vật liệu mài 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 8 inch trở lên, phương pháp cắt dây truyền thống trở nên kém khả thi do nhu cầu thiết bị cao, chi phí cao và hiệu suất thấp. Nhu cầu về các công nghệ cắt hiệu suất cao, chi phí thấp và tổn thất thấp đang rất cấp thiết.
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, các lát cắt được cắt thành những lát dày hàng trăm micron. Sau đó, các lát cắt được mài bằng bùn kim cương để loại bỏ vết cưa và hư hỏng bề mặt, tiếp theo là đánh bóng cơ học hóa học (CMP) để đạt được độ phẳng toàn phần, 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 cong vênh, nứt vỡ, tăng tỷ lệ vỡ vụn, chi phí sản xuất cao hơn và dẫn đến độ nhám bề mặt và ô nhiễm cao (bụi, nước thải, v.v.). Ngoài ra, phương pháp cưa dây chậm và năng suất thấp. Các 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 hao hụt 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 cách giảm thiểu tổn thất - đặc biệt là khi năng suất sản xuất tinh thể 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 dày 350 μm. Cắt laser có thể tạo ra hơn 50 wafer. Nếu giảm độ dày wafer xuống 200 μm, có thể tạo ra hơn 80 wafer từ cùng một thỏi. Mặc dù cưa dây được sử dụng rộng rãi cho wafer 6 inch trở xuống, nhưng 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 chi phí cao trong khi hiệu suất thấp. Trong những điều kiện này, những ưu điểm của cắt laser trở nên rõ ràng, biến nó thành công nghệ chủ đạo trong tương lai 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, cắt laser mang lại 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 điều chỉnh laser là định hình chùm tia và tối ưu hóa các 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 khả năng tách wafer thành công sau đó. Hình dạng của vùng điều chỉnh quyết 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 biến đổi, quá trình tách wafer thường đạt được thông qua lực cắt, chẳng hạn như gãy nguội hoặc ứng suất cơ học. Một số hệ thống gia dụng sử dụng đầu dò siêu âm để tạo rung động tách wafer, nhưng điều này có thể gây ra sứt mẻ và khuyết tật cạnh, làm giảm năng suất cuối cùng.
Mặc dù hai bước này về bản chất không khó, nhưng sự không đồng nhất về chất lượng tinh thể - do các quá trình tăng trưởng, mức độ pha tạp và phân bố ứng suất bên trong khác nhau - sẽ 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 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 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 từ lâu đã được ứng dụng trên nhiều loại vật liệu. Trong chất bán dẫn, ban đầu nó được sử dụng để cắt lát wafer và sau đó được mở rộng sang cắt lát các tinh thể đơn khối lớn.
Ngoài SiC, phương pháp cắt laser còn 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 phương pháp cắt laser trong các ứng dụng bán dẫn.
H: Hiện tại đã có sản phẩm thiết bị cắt laser nội địa nào hoàn thiện chưa? Nghiên cứu của ông 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 đỏ và bị hạn chế xuất khẩu.
Nhu cầu trong nước về hệ thống cắt/làm mỏng bằng laser ước tính 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 vẫn chưa có thiết bị nội địa hoàn thiện, có sẵn trên thị trường được triển khai công nghiệp.
Các nhóm nghiên cứu đã phát triển công nghệ nâng laser độc quyền từ năm 2001 và hiện đã mở rộng 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 wafer SiC bán cách điện 4–6 inch Cắt thỏi SiC dẫn điện 6–8 inch Tiêu chuẩn hiệu suất: SiC bán cách điện 6–8 inch: thời gian cắt 10–15 phút/wafer; hao hụt vật liệu <30 μm SiC dẫn điện 6–8 inch: thời gian cắt 14–20 phút/wafer; hao hụt 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 tạo ra không ảnh hưởng đáng kể đến ứng suất hoặc hình dạng của các tấm wafer.
Thiết bị tương tự cũng 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