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

Là vật liệu nền bán dẫn thế hệ thứ ba,silic cacbua (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 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 quá trình xử lý wafer SiC và thảo luận về các hướng phát triển trong tương lai.

Silic cacbua (SiC)wafer là vật liệu nền tảng quan trọng cho các thiết bị bán dẫn thế hệ thứ ba và có tầm quan trọng đáng kể và tiềm năng thị trường 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 SiC, các phương pháp xử lý bán dẫn truyền thống không hoàn toàn phù hợp với quá trình gia công của chúng. Mặc dù nhiều công ty quốc tế đã tiến hành nghiên cứu sâu rộng về quá 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 trong việc phát triển vật liệu và thiết bị đơn tinh thể SiC. Tuy nhiên, sự tiến bộ 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, Trung Quốc cần phải cải thiện khả năng xử lý SiC để nâng cao chất lượng của các chất nền đơn tinh thể SiC và đạt được 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 SiC, cắt là bước đầu tiên và cực kỳ quan trọng. Độ cong, độ cong vênh và độ dày tổng thể (TTV) của wafer phát sinh từ quá trình cắt quyết định chất lượng và hiệu quả của các hoạt động 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 loại chuyển động của chúng thành hệ thống dây qua lại và vòng (vô tận). Dựa trên cơ chế cắt của vật liệu mài mòn, kỹ thuật cắt dây cưa 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 cưa đường kính ngoài (OD) bị giới hạn bởi đường kính của lưỡi cưa. Trong quá trình cắt, lưỡi cưa dễ bị rung và lệch, dẫn đến mức độ tiếng ồn cao và độ cứng kém. Cưa đường kính trong (ID) sử dụng chất mài mòn kim cương trên chu vi bên trong của lưỡi cưa làm lưỡi cắt. Những lưỡi cưa này có thể mỏng tới 0,2 mm. Trong quá trình cắt, lưỡi cưa ID quay với tốc độ cao trong khi vật liệu cần cắt di chuyển theo hướng xuyên tâm so với tâm của lưỡi cưa, đạt được độ cắt qua chuyển động tương đối này.

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

1.2 Máy cắt 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. Kỹ thuật này chủ yếu sử dụng cấu trúc qua lại và hiện là phương pháp đã 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 ít được nghiên cứu rộng rãi hơn.

Cưa dây mài mòn miễn phí có thể xử lý các tấm wafer có độ dày nhỏ hơn 300 μm. Chúng có độ hao hụt rãnh cắt thấp, hiếm khi gây sứt mẻ và tạo ra chất lượng bề mặt tương đối tốt. Tuy nhiên, do cơ chế loại bỏ vật liệu—dựa trên quá trình lăn và tạo vết lõm của vật liệu mài mòn—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, khiến việc kiểm soát độ chính xác của bề mặt trở nên khó khăn 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 nét của vật liệu mài mòn và nồng độ của bùn. Xử lý và tái chế bùn rất tốn kém. Khi cắt các thỏi có kích thước lớn, vật liệu mài mòn khó có thể xuyên qua các rãnh sâu và dài. Với cùng kích thước hạt mài mòn, độ mất rãnh 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 vào nền dây thép thông qua phương pháp mạ điện, thiêu kết hoặc liên kết nhựa. Lưỡi cưa dây kim cương mạ điện có những ưu điểm như rãnh cắt hẹp hơn, chất lượng lát cắt tốt hơn, hiệu quả cao hơn, ít ô nhiễm hơn và khả năng cắt các vật liệu có độ cứng cao.

Cưa dây kim cương mạ điện qua lại 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 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.

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

1.4 Công nghệ tách lạnh

Tách lạnh tinh thể đơn SiC là một quy trình cải tiến trong lĩnh vực xử lý vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba. Trong những năm gần đây, nó đã thu hút được sự chú ý đáng kể do những ưu điểm đáng chú ý 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 những ưu điểm cốt lõi.

Xác định hướng tinh thể và mài đường kính ngoài: Trước khi xử lý, phải 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 theo hướng tiếp theo.

Cắt nhiều dây: Phương pháp này sử dụng các hạt mài mòn kết hợp với dây cắt để cắt thỏi hình trụ. Tuy nhiên, phương pháp này gặp phải vấn đề mất rãnh đáng kể và bề mặt không bằng phẳng.

Công nghệ cắt laser: Laser được sử dụng để tạo thành một lớp biến đổi bên trong tinh thể, từ đó có thể tách ra các lát mỏng. Phương pháp này giúp giảm tổn thất vật liệu và tăng hiệu quả xử lý, khiến nó 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 bằng tia lửa 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: Cần phải cân bằng tốc độ loại bỏ vật liệu và hư hỏng bề mặt. Đánh bóng cơ học hóa học (CMP) được sử dụng để cải thiện tính đồng nhất 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 rãnh cắt và rút ngắn chu kỳ xử lý, mặc dù vùng chịu ảnh hưởng nhiệt vẫn là một thách thức.

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

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

Khi sản xuất thiết bị trong nước tăng tốc, công nghệ này dự kiến ​​sẽ trở thành giải pháp chính thống cho quá trình gia công nền SiC. Với đường kính ngày càng tăng của vật liệu bán dẫn, 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 hứa hẹn nhất. Cắt laser, là một kỹ thuật mới nổi, mang lại những lợi thế đáng kể và dự kiến ​​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 do có khoảng cách dải rộng, trường điện đánh thủng cao, vận tốc trôi electron 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 cho chất nền SiC là một phần cơ bản của 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 epitaxial 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 do quá trình cắt gây ra, và để sửa chữa biến dạng do quá trình cắt gây ra. Do độ cứng cực cao của SiC, quá trình mài đòi hỏi phải sử dụng chất mài mòn 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 các 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 do mài thô để lại, giảm độ nhám bề mặt và nâng cao chất lượng bề mặt.

Nhiều nhà sản xuất chất nền SiC trong nước sử dụng các quy trình sản xuất quy mô lớn. Một phương pháp phổ biến bao gồm 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 để lại, hiệu chỉnh hình dạng wafer và giảm TTV (Tổng độ dày biến thiên), Độ cong vênh và 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 là mờ với độ nhám tương đối cao—thường là khoảng 50 nm—điều này đặt ra yêu cầu cao hơn đối với các bước đánh bóng tiếp theo.

2.2 Mài một mặt

Quá trình mài một mặt chỉ xử lý một mặt của wafer tại một thời điểm. Trong quá trình này, wafer được gắn sáp vào 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 san 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 cong vênh và giảm độ phẳng.

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

Thông thường, bánh mài #8000 được sử dụng để mài mịn. Ở Nhật Bản, quy trình này tương đối hoàn thiện và thậm chí sử dụng bánh 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 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 kim cương là một phương pháp mới để mài một mặt. 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 thông qua hấp phụ chân không, trong khi cả tấm wafer và bánh mài kim cương quay đồng thời. Bánh mài dần dần di chuyển 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:

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 quả 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 tạo áp lực lên các điểm cao nhất của phôi, gây ra biến dạng và loại bỏ dần vật liệu tại các điểm đó. Khi các điểm cao được san phẳng, áp lực lên chất nền dần trở nên đồng đều hơn, dẫn đến biến dạng đồng đều trên toàn bộ bề mặt. Điều này cho phép cả bề mặt trên và dưới được mài đều. Sau khi quá trình mài hoàn tất và áp lực được giải phóng, mỗi phần của chất nền sẽ phục hồi đồng đều do áp lực bằng nhau mà nó đã trải qua. Điều này dẫn đến 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—các hạt nhỏ hơn tạo ra bề mặt mịn hơn. Khi sử dụng chất mài mòn 5 μm để mài hai mặt, độ phẳng và độ dày của 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 hố 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 cách sử dụng 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 các chất nền SiC.

Tuy nhiên, trầy xước bề mặt vẫn là một vấn đề chưa được giải quyết. Ngoài ra, kim cương đa tinh thể được sử dụng trong quá trình này được sản xuất thông qua tổng hợp nổ, một thách thức về mặt kỹ thuật, sản xuất số lượng ít và cực kỳ tốn kém.

Đánh bóng tinh thể đơn SiC

Để đạt được bề mặt đánh bóng chất lượng cao trên các tấm silicon carbide (SiC), quá trình đánh bóng phải loại bỏ hoàn toàn các hố mài và các gợn sóng bề mặt ở quy mô nanomet. Mục tiêu là tạo ra bề mặt nhẵn, không có khuyết tật, không bị nhiễm bẩn hoặc xuống cấp, không có hư hỏng bên dưới bề mặt và không có ứng suất bề mặt còn sót lại.

3.1 Đánh bóng cơ học và CMP của wafer SiC

Sau khi phôi tinh thể đơn SiC phát triển, các khuyết tật bề mặt ngăn không cho phôi được sử dụng trực tiếp cho quá trình phát triển epitaxial. Do đó, cần phải xử lý thêm. Đầu tiên, phôi được định hình thành dạng hình trụ tiêu chuẩn thông qua quá trình bo tròn, sau đó cắt thành các tấm wafer bằng cách cắt dây, tiếp theo là xác minh định hướng tinh thể học. Đánh bóng là bước quan trọng để cải thiện chất lượng wafer, giải quyết các hư hỏng bề mặt tiềm ẩn do các khuyết tật phát triển tinh thể và các bước xử lý trước đó gây ra.

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; phù 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 cho việc 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 chỉ bằng phương pháp cơ học có xu hướng gây trầy xước, trong khi đánh bóng chỉ bằng phương pháp hóa học có thể dẫn đến hiện tượng khắc không đều. CMP kết hợp cả hai ưu điểm và cung cấp 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 miếng đánh bóng đang quay. Chuyển động tương đối này, kết hợp với sự mài mòn cơ học từ các chất mài mòn kích thước nano trong bùn và tác động hóa học của các tác nhân phản ứng, đạt được sự san phẳng bề mặt.

Vật liệu chính được sử dụng:

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

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

Quy trình CMP điển hình

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

Tốc độ dòng 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, là 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, các 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, bản chất cứng và giòn của nó đặt ra những thách thức lớn cho việc mài và đánh bóng.

Khi các nhà sản xuất toàn cầu hàng đầu chuyển đổi từ wafer 6 inch sang wafer 8 inch, các vấn đề như nứt và hư hỏng wafer trong quá trình xử lý đã trở nên nổi bật hơn, ảnh hưởng đáng kể đến năng suất. Giải quyết các thách thức kỹ thuật của chất nền SiC 8 inch hiện là chuẩn mực quan trọng cho sự tiến bộ 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 xử lý 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 kiểm soát ứng suất đánh bóng và độ đồng đều 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 nhiều. 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 chất bán dẫn, CMP là bước quyết định để sản xuất các tấm wafer SiC có bề mặt siêu mịn, không có khuyết tật và không bị hư hại, điều này rất cần thiết cho sự phát triển epitaxial 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 căn chỉnh hoặc các khía;

(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 một loạt các bước xử lý, cạnh ngoài của wafer SiC thường trở nên sắc, làm tăng nguy cơ bị sứt mẻ trong quá trình xử lý hoặc sử dụng. Để tránh tình trạng dễ vỡ như vậy, cần phải mài cạnh.

Ngoài các quy trình cắt lát truyền thống, một phương pháp cải tiến để chuẩn bị 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 luồng quy trình:

Đầu tiên, một lớp tách lớp được hình thành ở độ sâu xác định trên bề mặt của tinh thể đơn SiC thông qua cấy ion hydro hoặc các kỹ thuật tương tự. Tinh thể đơn SiC đã qua xử lý sau đó được liên kết với một chất nền hỗ trợ phẳng và chịu áp suất và nhiệt. Điều này cho phép chuyển và tách lớp tinh thể đơn SiC thành công lên chất nền hỗ trợ.

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 làm giảm nhu cầu về vật liệu đắt tiền. Mặc dù vẫn còn những thách thức về mặt kỹ thuật, nhưng nghiên cứu và phát triển đang tích cực tiến triển để có thể 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 đánh bóng 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 thành 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 tấm 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 cục 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 loại bỏ vật liệu.

Các loại kỹ thuật CMP:

Đánh bóng mài mòn tự do: Chất mài mòn (ví dụ, SiO₂) được treo trong bùn. Việc loại bỏ vật liệu diễn ra thông qua quá trình mài mòn ba vật thể (wafer–pad–abrasive). Kích thước mài mòn (thường là 60–200 nm), độ pH và nhiệt độ phải được kiểm soát chính xác để cải thiện tính đồng nhất.

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:

Những tấm wafer được đánh bóng trải qua:

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

Rửa sạch nước DI và

Sấy khô bằng nitơ nóng

để giảm thiểu chất gây ô nhiễm bề mặt.

Chất lượng bề mặt & 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 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 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 những đặc tính khó khăn của vật liệu SiC.

Cuối cùng, quá trình xử lý SiC là một quá trình dần dần giảm độ cong vênh và độ nhám để cải thiện chất lượng bề mặt, trong đó việc kiểm soát độ phẳng và độ nhám rất quan trọng trong suốt từng giai đoạn.

Công nghệ xử lý

Trong giai đoạn nghiền wafer, bùn kim cương với các kích thước hạt khác nhau được sử dụng để nghiền wafer đến độ phẳng và độ nhám bề mặt cần thiết. Sau đó 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) 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 chất gây ô nhiễm bề mặt. Sau đó, chúng được sấy khô bằng khí nitơ siêu tinh khiết và máy sấy quay, hoàn thành toàn bộ quy trình sản xuất.

Sau nhiều năm nỗ lực, đã có những tiến bộ đáng kể trong quá trình chế biến tinh thể đơn SiC tại Trung Quốc. Trong nước, các tinh thể đơn 4H-SiC bán cách điện 100 mm đã được phát triển thành công và các tinh thể đơn 4H-SiC và 6H-SiC loại n hiện có thể được sản xuất theo lô. Các công ty như TankeBlue và TYST đã phát triển các tinh thể đơn SiC 150 mm.

Về công nghệ chế tạo wafer SiC, các đơn vị trong nước đã sơ bộ thăm dò điều kiện và lộ trình chế tạo tinh thể cắt, mài, đánh bóng, có khả năng sản xuất mẫu cơ bản đáp ứng yêu cầu chế tạo thiết bị. Tuy nhiên, so với tiêu chuẩn quốc tế, chất lượng chế tạo bề mặt wafer trong nước vẫn còn kém xa. Có một số vấn đề:

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 khoảng cách đáng kể so với trình độ quốc tế.

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

Với sự phát triển liên tục của chất bán dẫn thế hệ thứ ba, đường kính của chất nền tinh thể đơn SiC đang tăng đều đặn, cùng với các 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 nhất về mặt kỹ thuật sau sự phát triển của tinh thể đơn SiC.

Để giải quyết những thách thức hiện tại trong quá trình gia công, điều cần thiết là phải 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 để sản xuất wafer SiC. Đồng thời, cần phải học hỏi từ các công nghệ gia công tiên tiến của quốc tế và áp dụng các kỹ thuật và thiết bị gia công siêu chính xác hiện đại để sản xuất các chất nền chất lượng cao.

Khi kích thước wafer tăng lên, độ khó của quá trình phát triển và xử lý tinh thể cũng tăng lên. Tuy nhiên, hiệu quả sản xuất của các thiết bị hạ nguồn được cải thiện đáng kể và chi phí đơn vị được giảm xuống. 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 lập kế hoạch phát triển các dây chuyền sản xuất wafer SiC 8 inch.