Tình hình hiện tại và xu hướng của công nghệ xử lý wafer SiC

Là vật liệu nền bán dẫn thế hệ thứ ba,silicon carbide (SiC)Tinh thể đơn có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các thiết bị điện tử tần số cao và công suất cao. Công nghệ xử lý SiC đóng vai trò quyết định trong việc sản xuất vật liệu nền chất lượng cao. Bài viết này giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện tại về công nghệ xử lý SiC ở cả Trung Quốc và nước ngoài, phân tích và so sánh các cơ chế 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 tại trong xử lý wafer SiC và thảo luận về các hướng phát triển trong tương lai.

Silic cacbua (SiC)Tấm wafer 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 và độ ổn định hóa học cực cao củaTinh thể đơn SiCCác phương pháp gia công bán dẫn truyền thống không hoàn toàn phù hợp với yêu cầu gia công của chúng. Mặc dù nhiều công ty quốc tế đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về quy trình gia công 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 đơn tinh thể SiC. Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ thiết bị SiC trong nước hiện đang bị hạn chế bởi những hạn chế về công nghệ xử lý và chất lượng wafer. Do đó, việc cải thiện năng lực xử lý SiC là điều cần thiết để nâng cao chất lượng của đế đơn tinh thể SiC, đưa chúng vào ứng dụng thực tế và 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 tinh (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 cực kỳ quan trọng. Độ cong, độ cong vênh và độ biến thiên tổng độ dày (TTV) của wafer do quá trình cắt quyết định chất lượng và hiệu quả của các công đoạn mài và đánh bóng tiếp theo.

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 băng và cưa dây. Ngược lại, cưa dây có thể được phân loại theo kiểu chuyển động thành hệ thống dây qua lại và hệ thống dây vòng (vô tận). Dựa trên cơ chế cắt của vật liệu mài mòn, kỹ thuật cắt 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 Phương pháp cắt truyền thống

Độ sâu cắt của lưỡi cưa đường kính ngoài (OD) bị giới hạn bởi đường kính lưỡi cưa. Trong quá trình cắt, lưỡi cưa dễ bị rung và lệch, dẫn đến độ ồn cao và độ cứng kém. Lưỡi cưa đường kính trong (ID) sử dụng vật liệu mài kim cương ở chu vi bên trong của lưỡi cưa làm lưỡi cắt. Lưỡi cưa này có thể mỏng tới 0,2 mm. Trong quá trình cắt, lưỡi cưa đường kính trong (ID) quay với tốc độ cao trong khi vật liệu cần cắt di chuyển theo hướng xuyên tâm so với tâm lưỡi cưa, tạo ra đường cắt xuyên qua chuyển động tương đối này.

Máy cưa lọng kim cương đòi hỏi phải dừng và đảo chiều thường xuyên, và tốc độ cắt rất thấp—thường không quá 2 m/s. Chúng cũng dễ 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. Các 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 thể cắt thẳng, tạo ra các rãnh rộng, có tỷ lệ chảy thấp, và do đó không phù hợp để cắt.Tinh thể SiC.

1.2 Máy cưa dây mài mòn miễn phí cắt nhiều dây

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

Lưỡi cưa dây mài mòn tự do có thể xử lý wafer có độ dày dưới 300 μm. Chúng có độ hao hụt rãnh cắt thấp, hiếm khi gây sứt mẻ và cho chất lượng bề mặt tương đối tốt. Tuy nhiên, do cơ chế loại bỏ vật liệu—dựa trên sự lăn và lõm của hạt mài—bề mặt wafer có xu hướng phát triển ứng suất dư đáng kể, các vết nứt nhỏ và các lớp hư hỏng sâu hơn. Điều này dẫn đến wafer bị cong vênh, gây khó khăn cho việc kiểm soát độ chính xác của bề mặt và làm tăng tải trọng cho các bước xử lý tiếp theo.

Hiệu suất cắt bị ảnh hưởng rất nhiều bởi bùn; cần phải duy trì độ sắc bén của vật liệu mài mòn và nồng độ của bùn. Việc xử lý và tái chế bùn rất tốn kém. Khi cắt các thỏi kim loại lớn, vật liệu mài mòn khó xuyên qua các rãnh cắt sâu và dài. Với cùng kích thước hạt mài mòn, độ hao hụt rãnh cắt lớn hơn so với cưa dây mài mòn cố định.

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

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

Hiện nay, cưa dây kim cương mạ điện qua lại 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 wafer SiC được cắt bằng kỹ thuật này. Khi quá trình cắt diễn ra, độ cong vênh của 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 tối đa của wafer, độ rung đạt đến đỉnh điểm, dẫn đến độ cong vênh tối đa.

Ở giai đoạn cắt sau, do dây 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 các mảnh vụn bằng chất làm mát, chất lượng bề mặt của wafer bị suy giảm. Sự đảo chiều và dao động tốc độ của dây, cũng như các hạt kim cương lớn trên dây, là nguyên nhân chính gây ra trầy xước bề mặt.

1.4 Công nghệ tách lạnh

Tách lạnh tinh thể đơn SiC là một quy trình tiên tiến trong lĩnh vực gia công 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 nổi bật trong việc cải thiện năng 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 xử lý và các ưu điểm cốt lõi.

Xác định hướng tinh thể và mài đường kính ngoài: Trước khi gia công, cần xác định hướng tinh thể của thỏi SiC. Thỏi sau đó được định hình thành cấu trúc hình trụ (thường gọi là puck SiC) thông qua quá trình mài đường kính ngoài. Bước này đặt nền tảng cho quá trình cắt và cắt lát định hướng tiếp theo.

Cắt 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 về mất rãnh cắt đáng kể và bề mặt không bằng phẳng.

Công nghệ cắt 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 giúp giảm thiểu tổn thất vật liệu và nâng cao hiệu quả xử lý, trở thành một hướng đi mới đầy hứa hẹn cho việc cắt wafer SiC.

Tối ưu hóa quy trình cắt

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

Gia công 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: Điều quan trọng là phải cân bằng tốc độ loại bỏ vật liệu và độ hư hỏng bề mặt. Đánh bóng cơ học hóa học (CMP) được sử dụng để cải thiện độ đồng đều của bề mặt.

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

Cắt laser: Kỹ thuật này giúp giảm thiểu hao hụt đường cắt và rút ngắn chu kỳ xử lý, mặc dù vùng ảnh hưởng nhiệt vẫn là một thách thức.

Công nghệ xử lý lai: Kết hợp các phương pháp cơ học và hóa học để tăng cường hiệu quả xử lý.

Công nghệ này đã được ứng dụng 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 wafer 8 inch. Tại Trung Quốc, các công ty như Delong Laser đã đạt được hiệu suất đầu ra là 30 wafer trên mỗi thỏi khi 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 gia công đế 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 qua lại cho thấy triển vọng ứng dụng đầy hứa hẹn nhất. Cắt laser, 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 đại diện của chất bán dẫn thế hệ thứ ba, silicon carbide (SiC) mang lại những lợi thế đáng kể nhờ khoảng cách dải rộng, điện trường đánh thủng cao, vận tốc trôi electron bão hòa cao và độ dẫn nhiệt tuyệt vời. Những đặc tính này khiến SiC đặc biệt có lợi thế trong các ứng dụng điện áp cao (ví dụ: môi trường 1200V). Công nghệ xử lý đế SiC là một phần cơ bản của quá trình chế tạo thiết bị. Chất lượng bề mặt và độ chính xác của đế ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của lớp epitaxy 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 hỏng gây ra trong quá trình cắt, đồng thời 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 vật liệu mài cứng như boron carbide hoặc kim cương. Mài thông thường 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 mòn:

Mài thô: Sử dụng chất mài mòn lớn hơn chủ yếu để loại bỏ vết cưa và lớp hư hỏng gây ra trong quá trình cắt lát, cải thiện hiệu quả xử lý.

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

Nhiều nhà sản xuất đế SiC trong nước sử dụng quy trình sản xuất quy mô lớn. Phương pháp phổ biến là mài hai mặt bằng tấm gang và bùn kim cương đơn tinh thể. Quy trình này loại bỏ hiệu quả lớp hư hỏng do cưa dây, hiệu chỉnh hình dạng wafer và giảm TTV (Độ biến thiên tổng độ dày), độ cong vênh và độ võng. Tốc độ loại bỏ vật liệu ổn định, thường đạt 0,8–1,2 μm/phút. Tuy nhiên, bề mặt wafer thu được bị mờ với độ nhám tương đối cao—thường khoảng 50 nm—đòi hỏi yêu cầu cao hơn cho các bước đánh bóng tiếp theo.

2.2 Mài một mặt

Mài một mặt chỉ xử lý một mặt của wafer tại một thời điểm. Trong quá trình này, wafer được gắn sáp lên một tấm thép. Dưới áp lực tác động, đế 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, đĩa nghiền có thể bị lõm trong thời gian ngắn, khiến wafer bị lồi. Để duy trì độ phẳng của tấm nghiền, cần phải mài thường xuyên. Do hiệu suất thấp và độ phẳng wafer kém, phương pháp mài một mặt không phù hợp cho sản xuất hàng loạt.

Thông thường, bánh mài #8000 được sử dụng để mài mịn. Tại Nhật Bản, quy trình này đã khá hoàn thiện và thậm chí còn sử dụng bánh mài #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 bổ sung.

2.3 Công nghệ làm mỏng một mặt

Công nghệ Phay Mỏng Một Mặt 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 hấp phụ chân không, trong khi cả tấm wafer và bánh mài kim cương quay đồng thời. Bánh mài từ từ di chuyển xuống dưới để làm mỏng tấm wafer đến độ dày mong muốn. 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:

Cung < 5 μm

TTV < 2 μm

Độ nhám bề mặt < 1 nm

Phương pháp xử lý wafer đơn này mang lại độ ổn định cao, độ đồng nhất tuyệt vời và tỷ lệ loại bỏ vật liệu cao. So với phương pháp mài hai mặt thông thường, kỹ thuật này cải thiện hiệu suất mài hơn 50%.

2.4 Mài hai mặt

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

Trong quá trình này, các tấm mài trước tiên sẽ tác dụng lực lên các điểm cao nhất của phôi, gây biến dạng và dần dần loại bỏ vật liệu tại các điểm đó. Khi các điểm cao được san phẳng, áp lực lên vật liệu nền dần trở nên đồng đều hơn, dẫn đến biến dạng đồng đều trên toàn bộ bề mặt. Điều này cho phép mài đều cả bề mặt trên và dưới. Khi quá trình mài hoàn tất và áp lực được giải phóng, mỗi phần của vật liệu nền sẽ phục hồi đồng đều nhờ áp lực tương đương mà nó chịu. Điều này dẫn đến độ cong vênh tối thiểu và độ phẳng tốt.

Độ nhám bề mặt của wafer sau khi mài phụ thuộc vào kích thước hạt mài mòn - hạt càng nhỏ thì bề mặt càng mịn. Khi sử dụng hạt mài mòn 5 μm để mài hai mặt, độ phẳng và độ dày wafer 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 vết lõm mài sâu tới 380 nm và các vết tuyến tính có thể nhìn thấy do tác động mài mòn.

Một phương pháp tiên tiến hơn bao gồm mài hai mặt bằng miếng đệm bọt polyurethane kết hợp với bùn kim cương đa tinh thể. Quá trình này tạo ra các tấm wafer có độ nhám bề mặt rất thấp, đạt Ra < 3 nm, rất có lợi cho quá trình đánh bóng tiếp theo của đế SiC.

Tuy nhiên, vấn đề trầy xước bề mặt vẫn còn là một vấn đề chưa được giải quyết. Hơn nữa, kim cương đa tinh thể được sử dụng trong quy trình này được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp nổ, một phương pháp khó về mặt kỹ thuật, sản lượng thấp và cực kỳ tốn kém.

Đánh bóng tinh thể đơn SiC

Để đạt được bề mặt đánh bóng chất lượng cao trên tấm wafer silicon carbide (SiC), quá trình đánh bóng phải loại bỏ hoàn toàn các vết lõm và gợn sóng bề mặt ở cấp độ nanomet. Mục tiêu là tạo ra bề mặt nhẵn mịn, không khuyết tật, không nhiễm bẩn hoặc xuống cấp, không hư hỏng bề mặt và không để lại ứng suất bề mặt.

3.1 Đánh bóng cơ học và CMP của wafer SiC

Sau khi phát triển một thỏi tinh thể đơn SiC, các khuyết tật bề mặt ngăn cản nó được sử dụng trực tiếp cho quá trình phát triển epitaxial. Do đó, cần phải xử lý thêm. Thỏi đầu tiên được định hình thành hình trụ tiêu chuẩn bằng cách bo tròn, sau đó được cắt thành các tấm wafer bằng phương pháp cắt dây, tiếp theo là xác minh định hướng tinh thể học. Đánh bóng là một bước quan trọng để cải thiện chất lượng wafer, khắc phục các hư hỏng bề mặt tiềm ẩn do khuyết tật phát triển tinh thể và các bước xử lý trước đó.

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

Đánh bóng cơ học: Đơn giản nhưng để lại vết xước; thích hợp để đánh bóng ban đầu.

Đánh bóng cơ học hóa học (CMP): Loại bỏ vết xước bằng phương pháp khắc hóa học; thích hợp để đánh bóng chính xác.

Khắc hydro: Yêu cầu thiết bị phức tạp, thường được sử dụng trong quy trình HTCVD.

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

Đánh bóng cơ học thường gây trầy xước, trong khi đánh bóng hóa học có thể dẫn đến hiện tượng ăn mòn không đều. CMP kết hợp cả hai ưu điểm và mang đến một giải pháp hiệu quả, tiết kiệm chi phí.

Nguyên lý hoạt động của CMP

CMP hoạt động bằng cách xoay wafer dưới áp suất đã thiết lập trên một tấm 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 và tác động hóa học của các tác nhân phản ứng, tạo ra bề mặt phẳng.

Vật liệu chính được sử dụng:

Bùn đánh bóng: Chứa chất mài mòn và thuốc thử hóa học.

Đĩa đánh bóng: Bị mòn trong quá trình sử dụng, làm giảm kích thước lỗ chân lông và hiệu quả phân phối vữa. Cần phải đánh bóng thường xuyên, thường sử dụng máy đánh bóng kim cương, để khôi phục độ nhám.

Quy trình CMP điển hình

Chất mài mòn: Bùn kim cương 0,5 μm

Độ nhám bề mặt mục tiêu: ~0,7 nm

Đánh bóng cơ học hóa học:

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

Áp suất: 200 g/cm²

Tốc độ đĩa: 50 vòng/phút

Tốc độ giá đỡ gốm: 38 vòng/phút

Thành phần bùn:

SiO₂ (30 wt%, pH = 10,15)

0–70 wt% H₂O₂ (30 wt%, cấp thuốc thử)

Điều chỉnh pH đến 8,5 bằng cách sử dụng 5 wt% KOH và 1 wt% HNO₃

Lưu lượng bùn: 3 L/phút, tuần hoàn

Quá trình này cải thiện hiệu quả chất lượng 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, một chất bán dẫn có khoảng cách dải rộng, đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử. Với các tính chất vật lý và hóa học tuyệt vời, tinh thể đơn SiC thích hợp cho các môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, tần số cao, công suất cao và khả năng chống bức xạ. Tuy nhiên, bản chất cứng và giòn của nó đặt ra những thách thức lớn cho việc mài và đánh bóng.

Khi các nhà sản xuất hàng đầu thế giới chuyển đổi từ wafer 6 inch sang wafer 8 inch, các vấn đề như nứt và hư hỏng wafer trong quá trình xử lý ngày càng trở nên nghiêm trọng, ảnh hưởng đáng kể đến năng suất. Việc giải quyết các thách thức kỹ thuật của đế SiC 8 inch hiện là một chuẩn mực quan trọng cho sự phát triển của ngành.

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

Việc thu nhỏ wafer là cần thiết để tăng sản lượng chip trên mỗi lô, giảm tổn thất cạnh và giảm chi phí sản xuất—đặc biệt là khi nhu cầu về các ứng dụng xe điện ngày càng tăng.

Trong khi sự phát triển của tinh thể đơn SiC 8 inch đã hoàn thiện, các quy trình hậu kỳ như mài và đánh bóng vẫn gặp phải tình trạng tắc nghẽn, dẫn đến năng suất thấp (chỉ 40–50%).

Các tấm wafer lớn hơn có sự phân bổ áp suất phức tạp hơn, làm tăng độ khó trong việc quản lý ứng suất đánh bóng và độ đồng nhất của năng suất.

Mặc dù độ dày của tấm wafer 8 inch gần bằng tấm wafer 6 inch, nhưng chúng dễ bị hư hỏng hơn trong quá trình xử lý do ứng suất và cong vênh.

Để giảm ứng suất, cong vênh và nứt liên quan đến cắt, phương pháp cắt laser ngày càng được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên:

Tia laser bước sóng dài gây ra tổn thương nhiệt.

Tia laser bước sóng ngắn tạo ra các mảnh vụn nặng và làm sâu thêm lớp hư hỏng, làm tăng độ phức tạp của quá trình đánh bóng.

Quy trình đánh bóng cơ học cho SiC

Quy trình chung bao gồm:

Cắt định 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 lộ trình quy trình và tối ưu hóa các thông số là rất quan trọng. Trong sản xuất bán dẫn, CMP là bước quyết định để tạo ra các wafer SiC có bề mặt siêu mịn, không khuyết tật và không hư hại, điều này rất cần thiết cho sự phát triển epitaxy chất lượng cao.

(a) Lấy thỏi SiC ra khỏi nồi nấu;

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

(c) Xác định hướng tinh thể bằng cách sử dụng các mặt phẳng hoặc khía căn chỉnh;

(d) Cắt thỏi thành những tấm mỏng bằng cách sử dụng cưa nhiều dây;

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

Sau khi hoàn tất chuỗi các bước xử lý, cạnh ngoài của wafer SiC thường trở nên sắc, làm tăng nguy cơ sứt mẻ trong quá trình xử lý hoặc sử dụng. Để tránh hiện tượng này, cần phải mài cạnh.

Ngoài các quy trình cắt lát truyền thống, một phương pháp cải tiến để chế tạo 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 đế không đồng nhất (đế đỡ).

Hình 3 minh họa luồng quy trình:

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. Tinh thể đơn SiC đã qua xử lý sau đó được liên kết với một đế đỡ phẳng và chịu áp suất và nhiệt. Điều này cho phép chuyển và tách lớp tinh thể đơn SiC thành công lên đế đỡ.

Lớp SiC tách ra được 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 tinh thể SiC truyền thống, kỹ thuật này giúp giảm nhu cầu về vật liệu đắt tiền. Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức kỹ thuật, nghiên cứu và phát triển đang được tích cực triển khai để cho phép sản xuất wafer với chi phí thấp hơn.

Do SiC có độ cứng và độ ổn định hóa học cao - giúp nó chống lại các phản ứng ở nhiệt độ phòng - nên cần phải đánh bóng cơ học để loại bỏ các vết rỗ mịn, giảm hư hỏng bề mặt, loại bỏ vết xước, rỗ và các khuyết tật vỏ cam, giảm độ nhám bề mặt, cải thiện độ phẳng và nâng cao chất lượng bề mặt.

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

Điều chỉnh các loại 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 đánh bóng hai mặt bằng vật liệu mài mòn 1 μm có thể kiểm soát độ phẳng và độ dày thay đổi 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 hạt siêu mịn với khắc hóa học để tạo ra bề mặt phẳng mịn trên vật liệu đang được xử lý. Nguyên lý cơ bản là:

Phản ứng hóa học xảy ra giữa hỗn hợp đánh bóng và bề mặt wafer, 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 hoàn toàn bằng cơ học hoặc hóa học,

Đạt được cả sự phẳng hóa toàn cầu và cục bộ,

Tạo ra bề mặt có độ phẳng cao và độ nhám thấp,

Không để lại hư hại trên bề mặt hoặc dưới bề mặt.

Chi tiết:

Tấm wafer di chuyển so với miếng đánh bóng dưới áp lực.

Chất mài mòn ở quy mô nanomet (ví dụ: SiO₂) trong bùn có tác dụng cắt, làm suy yếu liên kết cộng hóa trị Si–C và tăng cường khả năng loại bỏ vật liệu.

Các loại kỹ thuật CMP:

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

Đánh bóng mài mòn cố định: Chất mài mòn được nhúng vào miếng đánh bóng để ngăn ngừa hiện tượng kết tụ—lý tưởng cho quá trình xử lý có độ chính xác cao.

Vệ sinh sau khi đánh bóng:

Các tấm wafer được đánh bóng trải qua:

Vệ sinh hóa chất (bao gồm cả việc loại bỏ nước DI và cặn bùn),

Rửa sạch bằng nước DI và

Sấy nitơ nóng

để giảm thiểu chất gây ô nhiễm bề mặt.

Chất lượng bề mặt và hiệu suất

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

Làm phẳng toàn cục: Sự kết hợp giữa làm mềm bằng hóa chất và loại bỏ bằng cơ học giúp giảm trầy xước và hiện tượng khắc không đều, vượt trội hơn các phương pháp cơ học hoặc hóa học thuần túy.

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 đã được đề xuất, bao gồm:

Đánh bóng điện hóa, đánh bóng hoặc khắc có hỗ trợ chất xúc tác, và

Đánh bóng bằng phương pháp tribochemical.

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.

Cuối cùng, quá trình xử lý SiC là quá trình giảm dần 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 từng giai đoạn.

Công nghệ chế biến

Trong giai đoạn mài wafer, bùn kim cương với các kích thước hạt khác nhau được sử dụng để mài wafer đến độ phẳng và độ nhám bề mặt cần thiết. Tiếp theo là quá trình đánh bóng, sử dụng cả kỹ thuật đánh bóng cơ học và hóa học (CMP) để tạo ra các wafer silicon carbide (SiC) được đánh bóng không 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 đo nhiễu xạ tia X để đảm bảo tất cả các thông số kỹ thuật đều đáp ứng các tiêu chuẩn yêu cầu. Cuối cùng, các tấm wafer đã đánh bóng được làm sạch bằng các chất tẩy rửa chuyên dụng và nước siêu tinh khiết để loại bỏ các tạp chất 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, quá trình chế tạo tinh thể đơn SiC tại Trung Quốc đã đạt được những tiến bộ đáng kể. Trong nước, tinh thể đơn 4H-SiC pha tạp bán cách điện 100 mm đã được phát triển thành công, và tinh thể đơn 4H-SiC và 6H-SiC loại n hiện có thể được sản xuất hàng loạt. Các công ty như TankeBlue và TYST đã phát triển tinh thể đơn SiC 150 mm.

Về công nghệ chế tạo wafer SiC, các cơ sở trong nước đã bước đầu nghiên cứu điều kiện và quy trình chế tạo tinh thể cắt, mài và đánh bóng, có khả năng sản xuất các mẫu cơ bản đáp ứng yêu cầu chế tạo thiết bị. Tuy nhiên, so với tiêu chuẩn quốc tế, chất lượng gia công bề mặt wafer trong nước vẫn còn kém xa. Có một số vấn đề sau:

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

Thiếu nghiên cứu lý thuyết và 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 nhiều khoảng cách đáng kể so với trình độ quốc tế.

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

Với sự phát triển liên tục của chất bán dẫn thế hệ thứ ba, đường kính của đế tinh thể đơn SiC đang tăng đều đặn, cùng với yêu cầu ngày càng cao về chất lượng xử lý bề mặt. Công nghệ xử lý wafer đã trở thành một trong những bước tiến kỹ thuật đầy thách thức nhất sau sự phát triển của tinh thể đơn SiC.

Để giải quyết những thách thức hiện tại trong quá trình gia công, việc nghiên cứu sâu hơn các cơ chế liên quan đến cắt, mài và đánh bóng, đồng thời khám phá các phương pháp và lộ trình gia công phù hợp cho sản xuất wafer SiC là điều cần thiết. Đồng thời, cần học hỏi từ các công nghệ gia công tiên tiến trên thế giới và áp dụng các kỹ thuật và thiết bị gia công siêu chính xác hiện đại để sản xuất các vật liệu nền chất lượng cao.

Khi kích thước wafer tăng lên, độ khó của quá trình hình thành và xử lý tinh thể cũng tăng theo. Tuy nhiên, hiệu quả sản xuất của các thiết bị hạ nguồn được cải thiện đáng kể và chi phí đơn vị giảm. Hiện tại, các nhà cung cấp wafer SiC chính trên toàn cầu cung cấp các 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.