Hiện trạng và xu hướng phát triển của công nghệ chế tạo tấm wafer SiC.

Là vật liệu nền bán dẫn thế hệ thứ ba,cacbua silic (SiC)Vật liệu đơn tinh thể SiC có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các thiết bị điện tử tần số cao và công suất cao. Công nghệ gia công SiC đóng vai trò quyết định trong việc sản xuất vật liệu nền chất lượng cao. Bài viết này giới thiệu hiện trạng nghiên cứu về công nghệ gia công SiC trong và ngoài nước, phân tích và so sánh cơ chế của các quá trình cắt, mài và đánh bóng, cũng như xu hướng về độ phẳng và độ nhám bề mặt của wafer. Bài viết cũng chỉ ra những thách thức hiện có trong gia công wafer SiC và thảo luận về hướng phát triển trong tương lai.

Cacbua silic (SiC)Các tấm bán dẫn là vật liệu nền tảng quan trọng cho các thiết bị bán dẫn thế hệ thứ ba và có tầm quan trọng cũng như tiềm năng thị trường đáng kể trong các lĩnh vực như vi điện tử, điện tử công suất và chiếu sáng bán dẫn. Do độ cứng cực cao và tính ổn định hóa học của chúng, các tấm bán dẫn này rất quan trọng.Tinh thể đơn SiCCác phương pháp xử lý bán dẫn truyền thống không hoàn toàn phù hợp để gia công chúng. Mặc dù nhiều công ty quốc tế đã tiến hành nghiên cứu sâu rộng về quy trình xử lý tinh thể đơn SiC đòi hỏi kỹ thuật cao, nhưng các công nghệ liên quan vẫn được giữ bí mật nghiêm ngặt.

Trong những năm gần đây, Trung Quốc đã tăng cường nỗ lực phát triển vật liệu và thiết bị tinh thể đơn SiC. Tuy nhiên, sự tiến bộ của công nghệ thiết bị SiC trong nước hiện đang bị hạn chế bởi những giới hạn trong công nghệ chế biến và chất lượng tấm bán dẫn. Do đó, việc nâng cao năng lực chế biến SiC là rất cần thiết để Trung Quốc nâng cao chất lượng chất nền tinh thể đơn SiC và đạt được ứng dụng thực tiễn cũng như sản xuất hàng loạt.

Các bước gia công chính bao gồm: cắt → mài thô → mài mịn → đánh bóng thô (đánh bóng cơ học) → đánh bóng mịn (đánh bóng cơ học hóa học, CMP) → kiểm tra.

Cắt tinh thể đơn SiC

Trong quá trình xử lýTinh thể đơn SiCCắt là bước đầu tiên và vô cùng quan trọng. Độ cong vênh, biến dạng và độ thay đổi tổng độ dày (TTV) của tấm wafer do quá trình cắt tạo ra sẽ quyết định chất lượng và hiệu quả của các thao tác mài và đánh bóng tiếp theo.

Các dụng cụ cắt có thể được phân loại theo hình dạng thành cưa kim cương đường kính trong (ID), cưa kim cương đường kính ngoài (OD), cưa vòng và cưa dây. Cưa dây, đến lượt nó, có thể được phân loại theo loại chuyển động thành hệ thống dây chuyển động tịnh tiến và hệ thống dây vòng (vô tận). Dựa trên cơ chế cắt của vật liệu mài mòn, kỹ thuật cắt bằng cưa dây có thể được chia thành hai loại: cưa dây mài mòn tự do và cưa dây kim cương mài mòn cố định.

1.1 Các phương pháp cắt truyền thống

Độ sâu cắt của cưa đường kính ngoài (OD) bị giới hạn bởi đường kính lưỡi cưa. Trong quá trình cắt, lưỡi cưa dễ bị rung và lệch hướng, dẫn đến tiếng ồn lớn và độ cứng vững kém. Cưa đường kính trong (ID) sử dụng chất mài mòn kim cương ở chu vi bên trong của lưỡi cưa làm cạnh cắt. Những lưỡi cưa này có thể mỏng đến 0,2 mm. Trong quá trình cắt lát, lưỡi cưa ID quay với tốc độ cao trong khi vật liệu cần cắt di chuyển theo hướng tâm so với tâm của lưỡi cưa, thực hiện việc cắt lát thông qua chuyển động tương đối này.

Máy cưa vòng kim cương cần phải dừng và đảo chiều thường xuyên, và tốc độ cắt rất thấp—thường không vượt quá 2 m/s. Chúng cũng bị mài mòn cơ học đáng kể và chi phí bảo trì cao. Do chiều rộng của lưỡi cưa, bán kính cắt không thể quá nhỏ, và không thể cắt nhiều lát. Những dụng cụ cưa truyền thống này bị hạn chế bởi độ cứng của đế và không thể thực hiện các đường cắt cong hoặc có bán kính quay hạn chế. Chúng chỉ có khả năng cắt thẳng, tạo ra các vết cắt rộng, có tỷ lệ năng suất thấp, và do đó không phù hợp để cắt.Tinh thể SiC.

1.2 Cưa dây mài mòn tự do, cắt nhiều dây

Kỹ thuật cắt bằng dây mài mòn tự do sử dụng chuyển động nhanh của dây để đưa hỗn hợp chất lỏng vào rãnh cắt, cho phép loại bỏ vật liệu. Kỹ thuật này chủ yếu sử dụng cấu trúc chuyển động tịnh tiến và hiện là một phương pháp hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi để cắt nhiều tấm wafer silicon đơn tinh thể một cách hiệu quả. Tuy nhiên, ứng dụng của nó trong việc cắt SiC vẫn chưa được nghiên cứu rộng rãi.

Máy cưa dây mài mòn tự do có thể gia công các tấm bán dẫn có độ dày dưới 300 μm. Chúng có độ hao hụt vật liệu thấp, hiếm khi gây vỡ vụn và cho chất lượng bề mặt tương đối tốt. Tuy nhiên, do cơ chế loại bỏ vật liệu—dựa trên sự lăn và ấn của các hạt mài mòn—bề mặt tấm bán dẫn có xu hướng phát sinh ứng suất dư đáng kể, các vết nứt nhỏ và các lớp hư hỏng sâu hơn. Điều này dẫn đến hiện tượng cong vênh tấm bán dẫn, gây khó khăn trong việc kiểm soát độ chính xác của biên dạng bề mặt và làm tăng tải trọng cho các bước gia công tiếp theo.

Hiệu suất cắt chịu ảnh hưởng rất lớn bởi dung dịch mài; cần phải duy trì độ sắc bén của các hạt mài và nồng độ của dung dịch mài. Xử lý và tái chế dung dịch mài rất tốn kém. Khi cắt các thỏi kim loại kích thước lớn, các hạt mài khó có thể xuyên sâu vào các rãnh cắt dài. Với cùng kích thước hạt mài, tổn thất rãnh cắt lớn hơn so với máy cưa dây có hạt mài cố định.

1.3 Máy cưa dây kim cương mài mòn cố định, cắt nhiều dây

Các loại cưa dây kim cương mài mòn cố định thường được chế tạo bằng cách nhúng các hạt kim cương lên chất nền dây thép thông qua các phương pháp mạ điện, thiêu kết hoặc liên kết nhựa. Cưa dây kim cương mạ điện có những ưu điểm như đường cắt hẹp hơn, chất lượng lát cắt tốt hơn, hiệu quả cao hơn, ít gây ô nhiễm hơn và khả năng cắt các vật liệu có độ cứng cao.

Máy cưa dây kim cương mạ điện chuyển động tịnh tiến hiện là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để cắt SiC. Hình 1 (không hiển thị ở đây) minh họa độ phẳng bề mặt của các tấm SiC được cắt bằng kỹ thuật này. Khi quá trình cắt diễn ra, độ cong vênh của tấm wafer tăng lên. Điều này là do diện tích tiếp xúc giữa dây và vật liệu tăng lên khi dây di chuyển xuống dưới, làm tăng điện trở và độ rung của dây. Khi dây đạt đến đường kính lớn nhất của tấm wafer, độ rung đạt đỉnh điểm, dẫn đến độ cong vênh tối đa.

Ở các giai đoạn cắt sau, do dây dẫn trải qua quá trình tăng tốc, chuyển động ổn định, giảm tốc, dừng lại và đảo chiều, cùng với khó khăn trong việc loại bỏ mảnh vụn bằng chất làm mát, chất lượng bề mặt của tấm bán dẫn bị suy giảm. Sự đảo chiều và dao động tốc độ của dây dẫn, cũng như các hạt kim cương lớn trên dây dẫn, là những nguyên nhân chính gây ra các vết xước trên bề mặt.

1.4 Công nghệ tách lạnh

Tách lạnh tinh thể đơn SiC là một quy trình tiên tiến trong lĩnh vực chế biến vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba. Trong những năm gần đây, công nghệ này đã thu hút sự chú ý đáng kể nhờ những ưu điểm vượt trội trong việc nâng cao hiệu suất và giảm tổn thất vật liệu. Công nghệ này có thể được phân tích từ ba khía cạnh: nguyên lý hoạt động, quy trình và ưu điểm cốt lõi.

Xác định hướng tinh thể và mài đường kính ngoài: Trước khi gia công, hướng tinh thể của thỏi SiC phải được xác định. Sau đó, thỏi được tạo hình thành cấu trúc hình trụ (thường được gọi là SiC puck) bằng cách mài đường kính ngoài. Bước này tạo nền tảng cho các bước cắt và xẻ theo hướng tiếp theo.

Cắt bằng nhiều dây: Phương pháp này sử dụng các hạt mài mòn kết hợp với dây cắt để cắt phôi hình trụ. Tuy nhiên, phương pháp này gặp phải vấn đề hao hụt vật liệu đáng kể và bề mặt không đồng đều.

Công nghệ cắt bằng laser: Laser được sử dụng để tạo ra một lớp biến đổi bên trong tinh thể, từ đó có thể tách ra các lát mỏng. Phương pháp này giảm thiểu sự hao phí vật liệu và nâng cao hiệu quả xử lý, trở thành một hướng đi mới đầy triển vọng cho việc cắt tấm wafer SiC.

Tối ưu hóa quy trình cắt

Cắt bằng nhiều dây mài mòn cố định: Đây hiện là công nghệ chủ đạo, rất phù hợp với đặc tính độ cứng cao của SiC.

Gia công bằng phóng điện (EDM) và công nghệ tách nguội: Các phương pháp này cung cấp các giải pháp đa dạng phù hợp với các yêu cầu cụ thể.

Quy trình đánh bóng: Việc cân bằng giữa tốc độ loại bỏ vật liệu và mức độ hư hại bề mặt là rất quan trọng. Phương pháp đánh bóng cơ học hóa học (CMP) được sử dụng để cải thiện độ đồng đều của bề mặt.

Giám sát thời gian thực: Các công nghệ kiểm tra trực tuyến được giới thiệu để giám sát độ nhám bề mặt trong thời gian thực.

Cắt bằng laser: Kỹ thuật này giảm thiểu hao phí vật liệu và rút ngắn chu kỳ gia công, tuy nhiên vùng ảnh hưởng nhiệt vẫn là một thách thức.

Công nghệ xử lý kết hợp: Kết hợp các phương pháp cơ học và hóa học giúp nâng cao hiệu quả xử lý.

Công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Ví dụ, Infineon đã mua lại SILTECTRA và hiện đang nắm giữ các bằng sáng chế cốt lõi hỗ trợ sản xuất hàng loạt tấm wafer 8 inch. Tại Trung Quốc, các công ty như Delong Laser đã đạt được hiệu suất sản xuất 30 tấm wafer trên mỗi thỏi đối với quy trình xử lý wafer 6 inch, cải thiện 40% so với các phương pháp truyền thống.

Khi ngành sản xuất thiết bị trong nước tăng tốc, công nghệ này dự kiến ​​sẽ trở thành giải pháp chủ đạo cho việc gia công chất nền SiC. Với đường kính vật liệu bán dẫn ngày càng tăng, các phương pháp cắt truyền thống đã trở nên lỗi thời. Trong số các lựa chọn hiện tại, công nghệ cưa dây kim cương chuyển động tịnh tiến cho thấy triển vọng ứng dụng hứa hẹn nhất. Cắt laser, như một kỹ thuật mới nổi, mang lại những lợi thế đáng kể và được dự đoán sẽ trở thành phương pháp cắt chính trong tương lai.

2.Nghiền tinh thể đơn SiC

Là một đại diện cho chất bán dẫn thế hệ thứ ba, silicon carbide (SiC) mang lại những ưu điểm đáng kể nhờ vào dải năng lượng rộng, điện trường đánh thủng cao, vận tốc trôi điện tử bão hòa cao và độ dẫn nhiệt tuyệt vời. Những đặc tính này làm cho SiC đặc biệt có lợi trong các ứng dụng điện áp cao (ví dụ: môi trường 1200V). Công nghệ xử lý chất nền SiC là một phần cơ bản trong quá trình chế tạo thiết bị. Chất lượng bề mặt và độ chính xác của chất nền ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của lớp màng mỏng và hiệu suất của thiết bị cuối cùng.

Mục đích chính của quá trình mài là loại bỏ các vết cưa trên bề mặt và các lớp hư hại gây ra trong quá trình cắt, cũng như khắc phục biến dạng do quá trình cắt gây ra. Do độ cứng cực cao của SiC, quá trình mài đòi hỏi phải sử dụng các chất mài mòn cứng như cacbua bo hoặc kim cương. Quá trình mài thông thường được chia thành mài thô và mài mịn.

2.1 Nghiền thô và nghiền mịn

Quá trình mài có thể được phân loại dựa trên kích thước hạt mài:

Mài thô: Sử dụng các hạt mài lớn hơn chủ yếu để loại bỏ các vết cưa và lớp hư hại hình thành trong quá trình cắt, giúp nâng cao hiệu quả gia công.

Mài mịn: Sử dụng chất mài mòn mịn hơn để loại bỏ lớp hư hại còn sót lại sau khi mài thô, giảm độ nhám bề mặt và nâng cao chất lượng bề mặt.

Nhiều nhà sản xuất chất nền SiC trong nước sử dụng quy trình sản xuất quy mô lớn. Một phương pháp phổ biến là mài hai mặt bằng tấm gang và dung dịch kim cương đơn tinh thể. Quá trình này loại bỏ hiệu quả lớp hư hỏng do cắt dây gây ra, điều chỉnh hình dạng tấm wafer và giảm TTV (Tổng độ dày biến thiên), độ cong vênh. Tốc độ loại bỏ vật liệu ổn định, thường đạt 0,8–1,2 μm/phút. Tuy nhiên, bề mặt wafer thu được có độ nhám tương đối cao—thường khoảng 50 nm—điều này đòi hỏi các bước đánh bóng tiếp theo phải khắt khe hơn.

2.2 Mài một mặt

Quá trình mài một mặt chỉ xử lý một mặt của tấm wafer tại một thời điểm. Trong quá trình này, tấm wafer được gắn bằng sáp lên một tấm thép. Dưới áp lực tác dụng, chất nền bị biến dạng nhẹ và bề mặt trên được làm phẳng. Sau khi mài, bề mặt dưới được làm phẳng. Khi áp lực được loại bỏ, bề mặt trên có xu hướng phục hồi về hình dạng ban đầu, điều này cũng ảnh hưởng đến bề mặt dưới đã được mài – khiến cả hai mặt bị cong vênh và giảm độ phẳng.

Hơn nữa, tấm mài có thể bị lõm trong thời gian ngắn, khiến tấm wafer bị lồi. Để duy trì độ phẳng của tấm mài, cần phải thường xuyên mài lại. Do hiệu suất thấp và độ phẳng wafer kém, mài một mặt không phù hợp cho sản xuất hàng loạt.

Thông thường, đá mài #8000 được sử dụng để mài mịn. Tại Nhật Bản, quy trình này khá hoàn thiện và thậm chí còn sử dụng đá đánh bóng #30000. Điều này cho phép độ nhám bề mặt của các tấm wafer được xử lý đạt dưới 2 nm, giúp các tấm wafer sẵn sàng cho quá trình CMP (Đánh bóng cơ học hóa học) cuối cùng mà không cần xử lý thêm.

2.3 Công nghệ làm mỏng một mặt

Công nghệ làm mỏng một mặt bằng kim cương là một phương pháp mài một mặt mới. Như minh họa trong Hình 5 (không hiển thị ở đây), quy trình này sử dụng một tấm mài liên kết kim cương. Tấm wafer được cố định bằng phương pháp hút chân không, trong khi cả tấm wafer và bánh mài kim cương cùng quay đồng thời. Bánh mài di chuyển dần xuống dưới để làm mỏng tấm wafer đến độ dày mục tiêu. Sau khi hoàn thành một mặt, tấm wafer được lật lại để xử lý mặt còn lại.

Sau khi làm mỏng, một tấm wafer 100 mm có thể đạt được:

Độ cong < 5 μm

TTV < 2 μm

Độ nhám bề mặt < 1 nm

Phương pháp xử lý một tấm wafer này mang lại độ ổn định cao, tính nhất quán tuyệt vời và tốc độ loại bỏ vật liệu cao. So với phương pháp mài hai mặt thông thường, kỹ thuật này cải thiện hiệu quả mài hơn 50%.

2.4 Mài hai mặt

Mài hai mặt sử dụng cả tấm mài trên và tấm mài dưới để mài đồng thời cả hai mặt của vật liệu, đảm bảo chất lượng bề mặt tuyệt vời ở cả hai mặt.

Trong quá trình gia công, các tấm mài trước tiên tác dụng áp lực lên các điểm cao nhất của phôi, gây ra biến dạng và loại bỏ vật liệu dần dần tại các điểm đó. Khi các điểm cao được làm phẳng, áp lực lên bề mặt dần trở nên đồng đều hơn, dẫn đến biến dạng nhất quán trên toàn bộ bề mặt. Điều này cho phép cả bề mặt trên và bề mặt dưới được mài đều. Sau khi quá trình mài hoàn tất và áp lực được giải phóng, mỗi phần của bề mặt sẽ phục hồi đồng đều do áp lực tác dụng đều nhau. Điều này dẫn đến độ cong vênh tối thiểu và độ phẳng tốt.

Độ nhám bề mặt của tấm bán dẫn sau khi mài phụ thuộc vào kích thước hạt mài – hạt càng nhỏ thì bề mặt càng mịn. Khi sử dụng hạt mài 5 μm để mài hai mặt, độ phẳng và độ dày của tấm bán dẫn có thể được kiểm soát trong phạm vi 5 μm. Các phép đo bằng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) cho thấy độ nhám bề mặt (Rq) khoảng 100 nm, với các hố mài sâu tới 380 nm và các vết tuyến tính có thể nhìn thấy do tác động của chất mài mòn.

Một phương pháp tiên tiến hơn liên quan đến việc mài hai mặt bằng cách sử dụng các miếng đệm xốp polyurethane kết hợp với dung dịch kim cương đa tinh thể. Quá trình này tạo ra các tấm wafer có độ nhám bề mặt rất thấp, đạt được Ra < 3 nm, điều này rất có lợi cho việc đánh bóng các chất nền SiC tiếp theo.

Tuy nhiên, hiện tượng trầy xước bề mặt vẫn là một vấn đề chưa được giải quyết. Thêm vào đó, kim cương đa tinh thể được sử dụng trong quy trình này được sản xuất thông qua phương pháp tổng hợp bằng chất nổ, một phương pháp đòi hỏi kỹ thuật cao, cho năng suất thấp và cực kỳ tốn kém.

Đánh bóng tinh thể đơn SiC

Để đạt được bề mặt được đánh bóng chất lượng cao trên các tấm wafer silicon carbide (SiC), quá trình đánh bóng phải loại bỏ hoàn toàn các vết mài và các gợn sóng bề mặt ở kích thước nanomet. Mục tiêu là tạo ra một bề mặt nhẵn, không khuyết tật, không bị nhiễm bẩn hoặc suy giảm chất lượng, không có hư hại dưới bề mặt và không có ứng suất dư trên bề mặt.

3.1 Đánh bóng cơ học và CMP các tấm wafer SiC

Sau khi phôi tinh thể đơn SiC được nuôi cấy, các khuyết tật bề mặt ngăn cản việc sử dụng trực tiếp nó cho quá trình tăng trưởng epitaxy. Do đó, cần phải xử lý thêm. Đầu tiên, phôi được tạo hình thành dạng hình trụ tiêu chuẩn bằng cách làm tròn, sau đó được cắt thành các lát mỏng bằng máy cắt dây, tiếp theo là xác minh định hướng tinh thể học. Đánh bóng là một bước quan trọng để cải thiện chất lượng lát mỏng, khắc phục các hư hại bề mặt tiềm ẩn do các khuyết tật trong quá trình tăng trưởng tinh thể và các bước xử lý trước đó gây ra.

Có bốn phương pháp chính để loại bỏ các lớp hư hỏng bề mặt trên SiC:

Đánh bóng bằng máy: Phương pháp đơn giản nhưng dễ gây xước; thích hợp cho bước đánh bóng ban đầu.

Đánh bóng cơ học hóa học (CMP): Loại bỏ vết xước bằng phương pháp ăn mòn hóa học; thích hợp cho việc đánh bóng chính xác.

Khắc bằng hydro: Cần thiết bị phức tạp, thường được sử dụng trong các quy trình HTCVD.

Đánh bóng bằng plasma: Phức tạp và hiếm khi được sử dụng.

Đánh bóng chỉ bằng cơ học thường gây ra vết xước, trong khi đánh bóng chỉ bằng hóa chất có thể dẫn đến ăn mòn không đều. CMP kết hợp cả hai ưu điểm và cung cấp một giải pháp hiệu quả, tiết kiệm chi phí.

Nguyên lý hoạt động của CMP

Công nghệ CMP hoạt động bằng cách xoay tấm bán dẫn dưới một áp suất nhất định so với một tấm đệm đánh bóng đang quay. Chuyển động tương đối này, kết hợp với sự mài mòn cơ học từ các hạt mài mòn kích thước nano trong dung dịch đánh bóng và tác động hóa học của các chất phản ứng, giúp làm phẳng bề mặt.

Các vật liệu chính được sử dụng:

Dung dịch đánh bóng: Chứa chất mài mòn và các chất hóa học.

Miếng đệm đánh bóng: Bị mòn trong quá trình sử dụng, làm giảm kích thước lỗ rỗng và hiệu quả phân phối dung dịch đánh bóng. Cần phải mài lại thường xuyên, thông thường bằng dụng cụ mài kim cương, để khôi phục độ nhám.

Quy trình CMP điển hình

Vật liệu mài mòn: Dung dịch kim cương 0,5 μm

Độ nhám bề mặt mục tiêu: ~0,7 nm

Đánh bóng cơ học bằng hóa chất:

Thiết bị đánh bóng: Máy đánh bóng một mặt AP-810

Áp suất: 200 g/cm²

Tốc độ quay đĩa: 50 vòng/phút

Tốc độ quay của giá đỡ gốm: 38 vòng/phút

Thành phần hỗn hợp bùn:

SiO₂ (30% khối lượng, pH = 10,15)

0–70% khối lượng H₂O₂ (30% khối lượng, loại tinh khiết)

Điều chỉnh độ pH đến 8,5 bằng cách sử dụng dung dịch KOH 5% (theo trọng lượng) và dung dịch HNO₃ 1% (theo trọng lượng).

Lưu lượng dòng bùn: 3 L/phút, tuần hoàn

Quá trình này giúp cải thiện hiệu quả chất lượng tấm wafer SiC và đáp ứng các yêu cầu cho các quy trình tiếp theo.

Những thách thức kỹ thuật trong đánh bóng cơ học

SiC, với vai trò là chất bán dẫn có dải năng lượng rộng, đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử. Sở hữu các đặc tính vật lý và hóa học tuyệt vời, tinh thể đơn SiC phù hợp với các môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như nhiệt độ cao, tần số cao, công suất cao và khả năng chống bức xạ. Tuy nhiên, tính chất cứng và giòn của nó gây ra những thách thức lớn trong quá trình mài và đánh bóng.

Khi các nhà sản xuất hàng đầu thế giới chuyển đổi từ tấm wafer 6 inch sang 8 inch, các vấn đề như nứt vỡ và hư hỏng wafer trong quá trình sản xuất ngày càng trở nên nghiêm trọng, ảnh hưởng đáng kể đến năng suất. Giải quyết những thách thức kỹ thuật của chất nền SiC 8 inch hiện là một tiêu chí quan trọng cho sự phát triển của ngành công nghiệp.

Trong kỷ nguyên 8 inch, quá trình xử lý tấm wafer SiC phải đối mặt với nhiều thách thức:

Việc thu nhỏ kích thước wafer là cần thiết để tăng sản lượng chip mỗi lô, giảm tổn thất ở rìa và giảm chi phí sản xuất—đặc biệt là trong bối cảnh nhu cầu ngày càng tăng trong các ứng dụng xe điện.

Mặc dù quá trình nuôi cấy tinh thể đơn SiC 8 inch đã đạt đến độ chín muồi, nhưng các công đoạn xử lý sau như mài và đánh bóng vẫn gặp phải những trở ngại, dẫn đến năng suất thấp (chỉ 40–50%).

Các tấm wafer lớn hơn có sự phân bố áp suất phức tạp hơn, làm tăng độ khó trong việc quản lý ứng suất khi đánh bóng và tính nhất quán về năng suất.

Mặc dù độ dày của các tấm wafer 8 inch đang tiến gần đến độ dày của các tấm wafer 6 inch, nhưng chúng dễ bị hư hỏng hơn trong quá trình xử lý do ứng suất và biến dạng.

Để giảm thiểu ứng suất, biến dạng và nứt vỡ do cắt, phương pháp cắt laser ngày càng được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên:

Tia laser bước sóng dài gây ra hư hỏng do nhiệt.

Các tia laser bước sóng ngắn tạo ra nhiều mảnh vụn và làm sâu thêm lớp hư hại, làm tăng độ phức tạp của quá trình đánh bóng.

Quy trình đánh bóng cơ học cho SiC

Quy trình tổng quát bao gồm:

Cắt theo hướng

Nghiền thô

Nghiền mịn

Đánh bóng cơ học

Đánh bóng cơ học hóa học (CMP) là bước cuối cùng.

Việc lựa chọn phương pháp CMP, thiết kế quy trình và tối ưu hóa các thông số là rất quan trọng. Trong sản xuất chất bán dẫn, CMP là bước quyết định để sản xuất các tấm wafer SiC có bề mặt siêu mịn, không khuyết tật và không hư hại, điều cần thiết cho sự phát triển lớp màng mỏng chất lượng cao.

(a) Lấy thỏi SiC ra khỏi nồi nấu chảy;

(b) Thực hiện tạo hình ban đầu bằng cách mài đường kính ngoài;

(c) Xác định hướng tinh thể bằng cách sử dụng các mặt phẳng hoặc rãnh định vị;

(d) Cắt thỏi kim loại thành các lát mỏng bằng máy cưa nhiều dây;

(e) Đạt được độ nhẵn bề mặt như gương thông qua các bước mài và đánh bóng.

Sau khi hoàn thành hàng loạt các bước xử lý, cạnh ngoài của tấm wafer SiC thường trở nên sắc nhọn, làm tăng nguy cơ bị vỡ vụn trong quá trình thao tác hoặc sử dụng. Để tránh tình trạng dễ vỡ này, cần phải mài cạnh.

Bên cạnh các quy trình cắt lát truyền thống, một phương pháp tiên tiến để chế tạo tấm wafer SiC liên quan đến công nghệ liên kết. Phương pháp này cho phép chế tạo wafer bằng cách liên kết một lớp tinh thể đơn SiC mỏng với một chất nền không đồng nhất (chất nền hỗ trợ).

Hình 3 minh họa quy trình hoạt động:

Đầu tiên, một lớp tách lớp được hình thành ở độ sâu xác định trên bề mặt tinh thể đơn SiC thông qua phương pháp cấy ion hydro hoặc các kỹ thuật tương tự. Sau đó, tinh thể đơn SiC đã qua xử lý được gắn vào một chất nền phẳng và chịu áp suất và nhiệt độ cao. Điều này cho phép chuyển và tách lớp tinh thể đơn SiC thành công lên chất nền.

Lớp SiC được tách ra sẽ trải qua quá trình xử lý bề mặt để đạt được độ phẳng cần thiết và có thể được tái sử dụng trong các quy trình liên kết tiếp theo. So với phương pháp cắt lát tinh thể SiC truyền thống, kỹ thuật này giúp giảm nhu cầu sử dụng các vật liệu đắt tiền. Mặc dù vẫn còn những thách thức kỹ thuật, nhưng công tác nghiên cứu và phát triển đang được tích cực tiến hành để cho phép sản xuất tấm wafer với chi phí thấp hơn.

Do độ cứng cao và tính ổn định hóa học của SiC—khiến nó có khả năng chống lại các phản ứng ở nhiệt độ phòng—việc đánh bóng cơ học là cần thiết để loại bỏ các vết mài nhỏ, giảm hư hại bề mặt, loại bỏ các vết xước, vết rỗ và các khuyết tật dạng vỏ cam, giảm độ nhám bề mặt, cải thiện độ phẳng và nâng cao chất lượng bề mặt.

Để đạt được bề mặt được đánh bóng chất lượng cao, cần phải:

Điều chỉnh loại vật liệu mài mòn.

Giảm kích thước hạt,

Tối ưu hóa các thông số quy trình,

Chọn vật liệu đánh bóng và miếng đệm có độ cứng phù hợp.

Hình 7 cho thấy rằng việc đánh bóng hai mặt bằng chất mài mòn 1 μm có thể kiểm soát độ phẳng và sự thay đổi độ dày trong phạm vi 10 μm, và giảm độ nhám bề mặt xuống khoảng 0,25 nm.

3.2 Đánh bóng cơ học hóa học (CMP)

Đánh bóng cơ học hóa học (CMP) kết hợp mài mòn bằng các hạt siêu mịn với khắc hóa học để tạo ra bề mặt phẳng, nhẵn trên vật liệu được gia công. Nguyên tắc cơ bản là:

Một phản ứng hóa học xảy ra giữa dung dịch đánh bóng và bề mặt tấm bán dẫn, tạo thành một lớp mềm.

Ma sát giữa các hạt mài mòn và lớp mềm sẽ loại bỏ vật liệu.

Ưu điểm của CMP:

Khắc phục được những nhược điểm của phương pháp đánh bóng thuần túy bằng cơ học hoặc hóa học.

Đạt được cả khả năng làm phẳng bề mặt toàn cục và cục bộ.

Tạo ra các bề mặt có độ phẳng cao và độ nhám thấp.

Không gây hư hại bề mặt hay dưới bề mặt.

Cụ thể hơn:

Tấm bán dẫn di chuyển tương đối so với miếng đệm đánh bóng dưới tác động của áp lực.

Các hạt mài mòn kích thước nanomet (ví dụ: SiO₂) trong hỗn hợp bùn tham gia vào quá trình cắt, làm suy yếu các liên kết cộng hóa trị Si–C và tăng cường khả năng loại bỏ vật liệu.

Các loại kỹ thuật CMP:

Đánh bóng bằng chất mài mòn tự do: Chất mài mòn (ví dụ: SiO₂) được phân tán trong dung dịch huyền phù. Quá trình loại bỏ vật liệu diễn ra thông qua mài mòn ba vật thể (miếng đệm – tấm mài – chất mài mòn). Kích thước chất mài mòn (thường là 60–200 nm), độ pH và nhiệt độ phải được kiểm soát chính xác để cải thiện độ đồng đều.

Đánh bóng bằng chất mài mòn cố định: Các hạt mài mòn được nhúng vào miếng đệm đánh bóng để ngăn ngừa sự vón cục — lý tưởng cho quá trình gia công đòi độ chính xác cao.

Vệ sinh sau khi đánh bóng:

Các tấm wafer đã được đánh bóng trải qua các bước sau:

Vệ sinh bằng hóa chất (bao gồm nước khử ion và loại bỏ cặn bùn),

Rửa bằng nước khử ion và

Sấy khô bằng nitơ nóng

nhằm giảm thiểu các chất gây ô nhiễm trên bề mặt.

Chất lượng và hiệu suất bề mặt

Độ nhám bề mặt có thể giảm xuống Ra < 0,3 nm, đáp ứng các yêu cầu về lớp màng mỏng bán dẫn.

Làm phẳng bề mặt toàn cầu: Sự kết hợp giữa làm mềm hóa học và loại bỏ vật liệu bằng cơ học giúp giảm thiểu trầy xước và ăn mòn không đều, vượt trội hơn so với các phương pháp chỉ sử dụng cơ học hoặc hóa học đơn thuần.

Hiệu suất cao: Thích hợp cho các vật liệu cứng và giòn như SiC, với tốc độ loại bỏ vật liệu trên 200 nm/h.

Các kỹ thuật đánh bóng mới nổi khác

Ngoài CMP, các phương pháp thay thế khác cũng đã được đề xuất, bao gồm:

Đánh bóng điện hóa, đánh bóng hoặc khắc bằng chất xúc tác, và

Đánh bóng bằng phương pháp ma sát hóa học.

Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển chậm do tính chất vật liệu đầy thách thức của SiC.

Tóm lại, quá trình gia công SiC là một quá trình từng bước nhằm giảm độ cong vênh và độ nhám để cải thiện chất lượng bề mặt, trong đó việc kiểm soát độ phẳng và độ nhám là rất quan trọng trong suốt mỗi giai đoạn.

Công nghệ xử lý

Trong giai đoạn mài tấm bán dẫn, dung dịch kim cương với các kích thước hạt khác nhau được sử dụng để mài tấm bán dẫn đến độ phẳng và độ nhám bề mặt yêu cầu. Sau đó là công đoạn đánh bóng, sử dụng cả kỹ thuật đánh bóng cơ học và đánh bóng hóa học (CMP) để tạo ra các tấm bán dẫn silicon carbide (SiC) được đánh bóng không bị hư hại.

Sau khi đánh bóng, các tấm wafer SiC trải qua quá trình kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt bằng các thiết bị như kính hiển vi quang học và máy nhiễu xạ tia X để đảm bảo tất cả các thông số kỹ thuật đáp ứng các tiêu chuẩn yêu cầu. Cuối cùng, các tấm wafer đã được đánh bóng được làm sạch bằng các chất tẩy rửa chuyên dụng và nước siêu tinh khiết để loại bỏ các chất gây ô nhiễm trên bề mặt. Sau đó, chúng được sấy khô bằng khí nitơ siêu tinh khiết và máy sấy ly tâm, hoàn tất toàn bộ quy trình sản xuất.

Sau nhiều năm nỗ lực, tiến bộ đáng kể đã đạt được trong lĩnh vực chế tạo tinh thể đơn SiC tại Trung Quốc. Trong nước, tinh thể đơn 4H-SiC bán cách điện pha tạp có kích thước 100 mm đã được phát triển thành công, và tinh thể đơn 4H-SiC loại n và 6H-SiC hiện nay có thể được sản xuất hàng loạt. Các công ty như TankeBlue và TYST đã phát triển được tinh thể đơn SiC có kích thước 150 mm.

Về công nghệ xử lý tấm wafer SiC, các cơ sở trong nước đã bước đầu nghiên cứu các điều kiện và lộ trình xử lý cắt lát, mài và đánh bóng tinh thể. Họ có khả năng sản xuất các mẫu về cơ bản đáp ứng yêu cầu chế tạo thiết bị. Tuy nhiên, so với tiêu chuẩn quốc tế, chất lượng xử lý bề mặt của các tấm wafer trong nước vẫn còn tụt hậu đáng kể. Có một số vấn đề:

Các lý thuyết và công nghệ xử lý SiC quốc tế được bảo mật rất chặt chẽ và không dễ tiếp cận.

Hiện nay còn thiếu các nghiên cứu lý thuyết và sự hỗ trợ cho việc cải tiến và tối ưu hóa quy trình.

Chi phí nhập khẩu thiết bị và linh kiện nước ngoài rất cao.

Nghiên cứu trong nước về thiết kế thiết bị, độ chính xác gia công và vật liệu vẫn còn những khoảng cách đáng kể so với trình độ quốc tế.

Hiện nay, hầu hết các thiết bị đo chính xác cao được sử dụng ở Trung Quốc đều được nhập khẩu. Thiết bị và phương pháp thử nghiệm cũng cần được cải tiến hơn nữa.

Với sự phát triển không ngừng của các chất bán dẫn thế hệ thứ ba, đường kính của các chất nền tinh thể đơn SiC đang tăng lên đều đặn, cùng với đó là yêu cầu cao hơn về chất lượng xử lý bề mặt. Công nghệ xử lý wafer đã trở thành một trong những bước thách thức kỹ thuật nhất sau quá trình nuôi cấy tinh thể đơn SiC.

Để giải quyết những thách thức hiện có trong quá trình gia công, việc nghiên cứu sâu hơn các cơ chế liên quan đến cắt, mài và đánh bóng, cũng như tìm kiếm các phương pháp và lộ trình quy trình phù hợp cho sản xuất tấm wafer SiC là điều cần thiết. Đồng thời, cần học hỏi các công nghệ gia công tiên tiến quốc tế và áp dụng các kỹ thuật và thiết bị gia công siêu chính xác hiện đại nhất để sản xuất các chất nền chất lượng cao.

Khi kích thước tấm wafer tăng lên, độ khó của quá trình nuôi cấy và xử lý tinh thể cũng tăng theo. Tuy nhiên, hiệu quả sản xuất của các thiết bị tiếp theo được cải thiện đáng kể, và chi phí đơn vị giảm xuống. Hiện nay, các nhà cung cấp wafer SiC chính trên toàn cầu cung cấp sản phẩm có đường kính từ 4 inch đến 6 inch. Các công ty hàng đầu như Cree và II-VI đã bắt đầu lên kế hoạch phát triển dây chuyền sản xuất wafer SiC 8 inch.