Dabartinė SiC plokštelių apdorojimo technologijos būklė ir tendencijos

Kaip trečios kartos puslaidininkinė substratas,silicio karbidas (SiC)Monokristalas turi plačias taikymo perspektyvas gaminant aukšto dažnio ir didelės galios elektroninius prietaisus. SiC apdorojimo technologija vaidina lemiamą vaidmenį gaminant aukštos kokybės substrato medžiagas. Šiame straipsnyje pristatoma dabartinė SiC apdorojimo technologijų tyrimų padėtis tiek Kinijoje, tiek užsienyje, analizuojant ir lyginant pjovimo, šlifavimo ir poliravimo procesų mechanizmus, taip pat plokštelių lygumo ir paviršiaus šiurkštumo tendencijas. Taip pat nurodomi esami SiC plokštelių apdorojimo iššūkiai ir aptariamos būsimos plėtros kryptys.

Silicio karbidas (SiC)Plokštelės yra labai svarbios trečios kartos puslaidininkinių įtaisų pagrindinės medžiagos ir turi didelę reikšmę bei rinkos potencialą tokiose srityse kaip mikroelektronika, galios elektronika ir puslaidininkinis apšvietimas. Dėl itin didelio kietumo ir cheminio stabilumoSiC monokristalaiNors daugelis tarptautinių kompanijų atliko išsamius techniškai sudėtingo SiC monokristalų apdorojimo tyrimus, tradiciniai puslaidininkių apdorojimo metodai nėra visiškai tinkami jų apdirbimui, atitinkamos technologijos yra griežtai konfidencialios.

Pastaraisiais metais Kinija deda daugiau pastangų kurdama SiC monokristalų medžiagas ir įtaisus. Tačiau SiC įtaisų technologijos pažangą šalyje šiuo metu riboja apdorojimo technologijų ir plokštelių kokybės apribojimai. Todėl Kinijai būtina tobulinti SiC apdorojimo pajėgumus, kad būtų pagerinta SiC monokristalų substratų kokybė ir pasiektas jų praktinis pritaikymas bei masinė gamyba.

Pagrindiniai apdorojimo etapai: pjovimas → šiurkštus šlifavimas → smulkus šlifavimas → šiurkštus poliravimas (mechaninis poliravimas) → smulkus poliravimas (cheminis mechaninis poliravimas, CMP) → patikrinimas.

SiC monokristalų pjovimas

ApdorojantSiC monokristalaiPjaustymas yra pirmasis ir labai svarbus žingsnis. Plokštelės išlinkimas, deformacija ir bendro storio kitimas (TTV), atsirandantis dėl pjovimo proceso, lemia vėlesnių šlifavimo ir poliravimo operacijų kokybę ir efektyvumą.

Pjovimo įrankius pagal formą galima suskirstyti į deimantinius vidinio skersmens (ID) pjūklus, išorinio skersmens (OD) pjūklus, juostinius pjūklus ir vielinius pjūklus. Savo ruožtu vielinius pjūklus pagal jų judėjimo tipą galima klasifikuoti į slankiojančias ir kilpines (begalines) vielos sistemas. Remiantis abrazyvo pjovimo mechanizmu, vielinio pjūklo pjaustymo technika gali būti suskirstyta į du tipus: laisvą abrazyvinį vielinį pjovimą ir fiksuotą abrazyvinį deimantinį vielinį pjovimą.

1.1 Tradiciniai pjovimo metodai

Išorinio skersmens (OD) pjūklų pjovimo gylį riboja disko skersmuo. Pjovimo metu diskas yra linkęs vibruoti ir krypsta, todėl kyla didelis triukšmo lygis ir mažas standumas. Vidinio skersmens (ID) pjūkluose vidiniame disko perimetre naudojami deimantiniai abrazyvai kaip pjovimo briauna. Šie diskai gali būti vos 0,2 mm storio. Pjaustymo metu ID diskas sukasi dideliu greičiu, o pjaunama medžiaga juda radialiai disko centro atžvilgiu, todėl pjaunama šiuo santykiniu judėjimu.

Deimantiniai juostiniai pjūklai reikalauja dažnų stabdymų ir apvertimų, o pjovimo greitis yra labai mažas – paprastai neviršija 2 m/s. Jie taip pat pasižymi dideliu mechaniniu nusidėvėjimu ir didelėmis priežiūros sąnaudomis. Dėl pjūklo disko pločio pjovimo spindulys negali būti per mažas, o pjovimas keliais pjūviais neįmanomas. Šiuos tradicinius pjovimo įrankius riboja pagrindo standumas ir jie negali atlikti lenktų pjūvių arba turėti ribotą posūkio spindulį. Jie gali pjauti tik tiesiai, išgauna plačias įpjovas, pasižymi mažu našumu ir todėl netinka pjovimui.SiC kristalai.

1.2 Nemokamas abrazyvinis vielinis pjūklas, skirtas pjauti kelias vielas

Laisvojo abrazyvinio vielinio pjūklo pjaustymo technika naudoja greitą vielos judėjimą, kad suspensija būtų pernešama į pjūvį ir būtų galima pašalinti medžiagą. Joje daugiausia naudojama slankiojanti konstrukcija ir šiuo metu tai yra brandus ir plačiai naudojamas metodas efektyviam monokristalinio silicio pjovimui daugiasluoksnėmis plokštelėmis. Tačiau jo taikymas SiC pjovimui buvo mažiau ištirtas.

Laisvai abrazyviniai vieliniai pjūklai gali apdirbti plokšteles, kurių storis mažesnis nei 300 μm. Jie pasižymi mažais pjūvio nuostoliais, retai sukelia skilinėjimą ir užtikrina gana gerą paviršiaus kokybę. Tačiau dėl medžiagos šalinimo mechanizmo, pagrįsto abrazyvų riedėjimu ir įspaudimu, plokštelės paviršiuje linkę susidaryti dideli liekamieji įtempiai, mikroįtrūkimai ir gilesni pažeidimo sluoksniai. Dėl to plokštelė deformuojasi, sunku kontroliuoti paviršiaus profilio tikslumą ir padidėja apkrova vėlesniems apdorojimo etapams.

Pjovimo našumui didelę įtaką daro suspensija; būtina išlaikyti abrazyvų aštrumą ir suspensijos koncentraciją. Suspensijos apdorojimas ir perdirbimas yra brangūs. Pjaunant didelius luitus, abrazyvai sunkiai įsiskverbia į gilias ir ilgas įpjovas. Esant tokiam pačiam abrazyvinių grūdelių dydžiui, įpjovos nuostoliai yra didesni nei naudojant fiksuotus abrazyvinius vielinius pjūklus.

1.3 Fiksuotas abrazyvinis deimantinis vielinis pjūklas su daugialypiu pjovimu

Fiksuoti abrazyviniai deimantiniai vieliniai pjūklai paprastai gaminami įterpiant deimanto daleles į plieninės vielos pagrindą galvanizavimo, sukepinimo arba dervinio sujungimo metodais. Galvanizuoti deimantiniai vieliniai pjūklai pasižymi tokiais privalumais kaip siauresnės įpjovos, geresnė pjaustymo kokybė, didesnis efektyvumas, mažesnis užterštumas ir galimybė pjauti didelio kietumo medžiagas.

Šiuo metu plačiausiai naudojamas SiC pjovimo metodas yra galvanizuotos deimantinės vielos pjūklas su slankiojančiu judesiu. 1 paveiksle (čia neparodytas) pavaizduotas šiuo metodu pjaustytų SiC plokštelių paviršiaus lygumas. Pjaustant, plokštelės iškraipymas didėja. Taip yra todėl, kad vielai judant žemyn, didėja vielos ir medžiagos sąlyčio plotas, todėl didėja pasipriešinimas ir vielos vibracija. Kai viela pasiekia didžiausią plokštelės skersmenį, vibracija pasiekia piką, todėl iškraipymas yra didžiausias.

Vėlesniuose pjovimo etapuose, dėl vielos greitėjimo, judėjimo stabiliu greičiu, lėtėjimo, stabdymo ir atbulinės eigos, taip pat dėl ​​sunkumų pašalinant šiukšles aušinimo skysčiu, plokštelės paviršiaus kokybė prastėja. Vielos atbulinė eiga ir greičio svyravimai, taip pat didelės deimanto dalelės ant vielos yra pagrindinės paviršiaus įbrėžimų priežastys.

1.4 Šaltojo atskyrimo technologija

Šaltas SiC monokristalų atskyrimas yra novatoriškas trečios kartos puslaidininkinių medžiagų apdorojimo procesas. Pastaraisiais metais jis sulaukė didelio dėmesio dėl savo pastebimų pranašumų gerinant išeigą ir mažinant medžiagų nuostolius. Technologiją galima analizuoti trimis aspektais: veikimo principu, proceso eiga ir pagrindiniais privalumais.

Kristalų orientacijos nustatymas ir išorinio skersmens šlifavimas: Prieš apdorojimą reikia nustatyti SiC luito kristalų orientaciją. Tada luitas išorinio skersmens šlifavimo būdu suformuojamas į cilindrinę struktūrą (paprastai vadinamą SiC rituliu). Šis žingsnis sudaro pagrindą vėlesniam kryptingam pjovimui ir pjaustymui.

Daugiavielinis pjovimas: šiuo metodu cilindriniam luitui pjauti naudojamos abrazyvinės dalelės kartu su pjovimo vielomis. Tačiau jis pasižymi dideliais pjūvio nuostoliais ir paviršiaus nelygumais.

Lazerinio pjovimo technologija: lazeriu kristale suformuojamas modifikuotas sluoksnis, nuo kurio galima atskirti plonus griežinėlius. Šis metodas sumažina medžiagų nuostolius ir padidina apdorojimo efektyvumą, todėl tai yra perspektyvi nauja SiC plokštelių pjovimo kryptis.

Pjovimo proceso optimizavimas

Fiksuotas abrazyvinis daugiavielinis pjovimas: šiuo metu tai yra pagrindinė technologija, puikiai tinkanti didelio SiC kietumo savybėms.

Elektroerozinio apdirbimo (EDM) ir šaltojo atskyrimo technologija: šie metodai suteikia įvairius sprendimus, pritaikytus konkretiems reikalavimams.

Poliravimo procesas: labai svarbu subalansuoti medžiagos šalinimo greitį ir paviršiaus pažeidimus. Cheminis mechaninis poliravimas (CMP) naudojamas paviršiaus vienodumui pagerinti.

Stebėjimas realiuoju laiku: diegiamos internetinės patikros technologijos, skirtos paviršiaus šiurkštumui stebėti realiuoju laiku.

Lazerinis pjaustymas: ši technika sumažina pjovimo nuostolius ir sutrumpina apdorojimo ciklus, nors terminio poveikio zona išlieka iššūkiu.

Hibridinės apdorojimo technologijos: mechaninių ir cheminių metodų derinimas padidina apdorojimo efektyvumą.

Ši technologija jau pasiekė pramoninį pritaikymą. Pavyzdžiui, „Infineon“ įsigijo „SILTECTRA“ ir dabar turi pagrindinius patentus, patvirtinančius masinę 8 colių plokštelių gamybą. Kinijoje tokios įmonės kaip „Delong Laser“ pasiekė 30 plokštelių vienam luitui gamybos efektyvumą apdorojant 6 colių plokšteles, o tai yra 40 % geriau, palyginti su tradiciniais metodais.

Spartėjant buitinės įrangos gamybai, tikimasi, kad ši technologija taps pagrindiniu SiC substrato apdirbimo sprendimu. Didėjant puslaidininkinių medžiagų skersmeniui, tradiciniai pjovimo metodai tapo pasenę. Iš dabartinių variantų perspektyviausias taikymo galimybes rodo slankiojančio deimantinio vielinio pjūklo technologija. Lazerinis pjovimas, kaip nauja technika, turi didelių privalumų ir tikimasi, kad ateityje taps pagrindiniu pjovimo metodu.

2.SiC monokristalų šlifavimas

Kaip trečios kartos puslaidininkių atstovas, silicio karbidas (SiC) pasižymi reikšmingais pranašumais dėl plataus draudžiamojo tarpo, didelio pramušimo elektrinio lauko, didelio prisotinimo elektronų dreifo greičio ir puikaus šilumos laidumo. Šios savybės daro SiC ypač naudingą aukštos įtampos taikymuose (pvz., 1200 V aplinkoje). SiC padėklų apdorojimo technologija yra esminė įrenginių gamybos dalis. Padėklo paviršiaus kokybė ir tikslumas tiesiogiai veikia epitaksinio sluoksnio kokybę ir galutinio įrenginio veikimą.

Pagrindinis šlifavimo proceso tikslas – pašalinti paviršiaus pjūklo žymes ir pjaustymo metu atsiradusius pažeidimus, taip pat ištaisyti pjovimo proceso sukeltą deformaciją. Atsižvelgiant į itin didelį SiC kietumą, šlifavimui reikia naudoti kietus abrazyvus, tokius kaip boro karbidas arba deimantas. Įprastas šlifavimas paprastai skirstomas į grubų ir smulkų šlifavimą.

2.1 Grubus ir smulkus malimas

Šlifavimas gali būti suskirstytas pagal abrazyvinių dalelių dydį:

Grubus šlifavimas: Naudojami didesni abrazyvai, daugiausia skirti pjūklo žymėms ir pjaustymo metu atsiradusiems pažeidimams pašalinti, taip pagerinant apdorojimo efektyvumą.

Smulkusis šlifavimas: Naudojami smulkesni abrazyvai, siekiant pašalinti grubaus šlifavimo metu likusį pažeidimo sluoksnį, sumažinti paviršiaus šiurkštumą ir pagerinti paviršiaus kokybę.

Daugelis vietinių SiC substratų gamintojų naudoja didelio masto gamybos procesus. Įprastas metodas apima dvipusį šlifavimą naudojant ketaus plokštę ir monokristalinį deimantų mišinį. Šis procesas efektyviai pašalina vielinio pjovimo paliktą pažeistą sluoksnį, pakoreguoja plokštelės formą ir sumažina TTV (bendro storio variaciją), išlinkimą ir deformaciją. Medžiagos šalinimo greitis yra stabilus, paprastai siekia 0,8–1,2 μm/min. Tačiau gautas plokštelės paviršius yra matinis, gana šiurkštus – paprastai apie 50 nm – todėl vėlesniems poliravimo etapams keliami didesni reikalavimai.

2.2 Vienpusis šlifavimas

Vienpusio šlifavimo metu vienu metu apdorojama tik viena plokštelės pusė. Šio proceso metu plokštelė vašku tvirtinama ant plieninės plokštės. Veikiant slėgiui, pagrindas šiek tiek deformuojasi, o viršutinis paviršius suplokštėja. Po šlifavimo apatinis paviršius išlyginamas. Pašalinus slėgį, viršutinis paviršius linkęs atsigauti iki pradinės formos, o tai taip pat veikia jau nušlifuotą apatinį paviršių – dėl to abi pusės deformuojasi ir praranda savo lygumą.

Be to, šlifavimo plokštė per trumpą laiką gali įgaubti, todėl plokštelė išgaubiama. Norint išlaikyti plokštės lygumą, ją reikia dažnai šlifuoti. Dėl mažo efektyvumo ir prasto plokštelės lygumo vienpusis šlifavimas netinka masinei gamybai.

Paprastai smulkiam šlifavimui naudojami #8000 šlifavimo diskai. Japonijoje šis procesas yra gana išbrendęs ir netgi naudojami #30000 poliravimo diskai. Tai leidžia apdorotų plokštelių paviršiaus šiurkštumą sumažinti iki mažesnio nei 2 nm, todėl plokštelės yra paruoštos galutiniam cheminiam mechaniniam poliravimui (CMP) be papildomo apdorojimo.

2.3 Vienpusio retinimo technologija

Deimantinio vienpusio retinimo technologija yra naujas vienpusio šlifavimo metodas. Kaip parodyta 5 paveiksle (čia neparodyta), procese naudojama deimantais surišta šlifavimo plokštė. Plokštelė fiksuojama vakuuminės adsorbcijos būdu, o plokštelė ir deimantinis šlifavimo diskas sukasi vienu metu. Šlifavimo diskas palaipsniui juda žemyn, kad plokštelė būtų ploninama iki norimo storio. Užbaigus vieną pusę, plokštelė apverčiama, kad būtų galima apdoroti kitą pusę.

Po retinimo 100 mm plokštelė gali pasiekti:

Išlinkis < 5 μm

TTV < 2 μm

Paviršiaus šiurkštumas < 1 nm

Šis vienos plokštelės apdorojimo metodas pasižymi dideliu stabilumu, puikiu konsistencija ir dideliu medžiagos pašalinimo greičiu. Palyginti su įprastu dvipusiu šlifavimu, ši technika padidina šlifavimo efektyvumą daugiau nei 50 %.

2.4 Dvipusis šlifavimas

Dvipusio šlifavimo metu naudojama ir viršutinė, ir apatinė šlifavimo plokštės, kad vienu metu būtų šlifuojamos abi pagrindo pusės, užtikrinant puikią abiejų pusių paviršiaus kokybę.

Proceso metu šlifavimo plokštės pirmiausia spaudžia aukščiausius ruošinio taškus, sukeldamos deformaciją ir laipsnišką medžiagos pašalinimą iš šių taškų. Išlyginus aukščiausias vietas, slėgis ant pagrindo palaipsniui tampa tolygesnis, todėl visame paviršiuje deformacija vyksta tolygiai. Tai leidžia tolygiai šlifuoti tiek viršutinį, tiek apatinį paviršius. Baigus šlifuoti ir sumažinus slėgį, kiekviena pagrindo dalis tolygiai atsigauna dėl vienodo slėgio. Tai lemia minimalų deformaciją ir gerą lygumą.

Plokštelės paviršiaus šiurkštumas po šlifavimo priklauso nuo abrazyvinių dalelių dydžio – mažesnės dalelės suteikia lygesnį paviršių. Naudojant 5 μm abrazyvus dvipusiam šlifavimui, plokštelės lygumo ir storio kitimą galima kontroliuoti 5 μm tikslumu. Atominės jėgos mikroskopijos (AFM) matavimai rodo maždaug 100 nm paviršiaus šiurkštumą (Rq), iki 380 nm gylio šlifavimo duobutes ir matomus linijinius abrazyvinius žymes.

Pažangesnis metodas apima dvipusį šlifavimą naudojant poliuretano putplasčio pagalvėles kartu su polikristaliniu deimantų mišiniu. Šiuo procesu gaunamos plokštelės su labai mažu paviršiaus šiurkštumu, pasiekiant Ra < 3 nm, o tai labai naudinga vėlesniam SiC substratų poliravimui.

Tačiau paviršiaus įbrėžimai lieka neišspręsta problema. Be to, šiame procese naudojamas polikristalinis deimantas gaminamas sprogstamosios sintezės būdu, kuri yra techniškai sudėtinga, duoda mažus kiekius ir yra labai brangi.

SiC monokristalų poliravimas

Norint pasiekti aukštos kokybės poliruotą silicio karbido (SiC) plokštelių paviršių, poliruojant reikia visiškai pašalinti šlifavimo duobutes ir nanometrų dydžio paviršiaus nelygumus. Tikslas – sukurti lygų, be defektų paviršių, be užteršimo ar degradacijos, be požeminių pažeidimų ir be liekamųjų paviršiaus įtempių.

3.1 SiC plokštelių mechaninis poliravimas ir CMP

Išauginus SiC monokristalinį luitą, paviršiaus defektai neleidžia jo tiesiogiai panaudoti epitaksiniam auginimui. Todėl reikalingas tolesnis apdorojimas. Pirmiausia luitas suapvalinamas į standartinę cilindro formą, tada vieliniu pjovimu supjaustomas į plokšteles, o po to atliekamas kristalografinės orientacijos patikrinimas. Poliravimas yra labai svarbus žingsnis gerinant plokštelių kokybę, pašalinant galimus paviršiaus pažeidimus, kuriuos sukelia kristalų augimo defektai ir ankstesni apdorojimo etapai.

Yra keturi pagrindiniai SiC paviršiaus pažeidimų sluoksnių pašalinimo būdai:

Mechaninis poliravimas: paprastas, bet palieka įbrėžimų; tinka pradiniam poliravimui.

Cheminis mechaninis poliravimas (CMP): pašalina įbrėžimus cheminiu ėsdinimu; tinka tiksliam poliravimui.

Vandenilio ėsdinimas: Reikalinga sudėtinga įranga, dažniausiai naudojama didelio efektyvumo anglies dioksido (HTCVD) procesuose.

Plazminis poliravimas: sudėtingas ir retai naudojamas.

Mechaninis poliravimas dažniausiai sukelia įbrėžimus, o cheminis poliravimas gali sukelti netolygų ėsdinimą. CMP apjungia abu privalumus ir siūlo efektyvų bei ekonomišką sprendimą.

CMP veikimo principas

CMP veikia sukdamas plokštelę, esant nustatytam slėgiui, besisukančio poliravimo disko atžvilgiu. Šis santykinis judėjimas kartu su mechaniniu nano dydžio abrazyvų poveikiu suspensijoje ir cheminiu reaktyviųjų medžiagų poveikiu pasiekia paviršiaus planarizaciją.

Pagrindinės naudotos medžiagos:

Poliravimo suspensija: Sudėtyje yra abrazyvų ir cheminių reagentų.

Poliravimo padas: naudojimo metu susidėvi, todėl sumažėja porų dydis ir mišinio tiekimo efektyvumas. Norint atkurti šiurkštumą, reikia reguliariai jį poliruoti, dažniausiai naudojant deimantinį obliavimo diską.

Tipinis CMP procesas

Abrazyvas: 0,5 μm deimantinis šlifavimas

Tikslinio paviršiaus šiurkštumas: ~0,7 nm

Cheminis mechaninis poliravimas:

Poliravimo įranga: vienpusis poliruoklis AP-810

Slėgis: 200 g/cm²

Plokštelės greitis: 50 aps./min.

Keraminio laikiklio greitis: 38 aps./min.

Srutų sudėtis:

SiO₂ (30 % masės, pH = 10,15)

0–70 % masės H₂O₂ (30 % masės, reagentinės kokybės)

Sureguliuokite pH iki 8,5, naudodami 5 % (masės) KOH ir 1 % (masės) HNO₃.

Srutų srautas: 3 l/min, recirkuliuojamas

Šis procesas efektyviai pagerina SiC plokštelių kokybę ir atitinka tolesnių procesų reikalavimus.

Techniniai mechaninio poliravimo iššūkiai

SiC, kaip plačios draudžiamosios juostos puslaidininkis, vaidina gyvybiškai svarbų vaidmenį elektronikos pramonėje. Dėl puikių fizikinių ir cheminių savybių SiC monokristalai tinka ekstremalioms aplinkoms, tokioms kaip aukšta temperatūra, aukštas dažnis, didelė galia ir atsparumas spinduliuotei. Tačiau dėl kietos ir trapios prigimties kyla didelių iššūkių šlifuojant ir poliruojant.

Pirmaujantiems pasauliniams gamintojams pereinant nuo 6 colių prie 8 colių plokštelių, tokios problemos kaip įtrūkimai ir plokštelių pažeidimai apdorojimo metu tapo vis ryškesnės, o tai daro didelę įtaką išeigai. 8 colių SiC substratų techninių iššūkių sprendimas dabar yra pagrindinis pramonės pažangos kriterijus.

8 colių eroje SiC plokštelių apdorojimas susiduria su daugybe iššūkių:

Plokštelių mastelio keitimas yra būtinas norint padidinti lustų išeigą vienoje partijoje, sumažinti briaunų nuostolius ir gamybos sąnaudas, ypač atsižvelgiant į didėjančią elektromobilių paklausą.

Nors 8 colių SiC monokristalų augimas subrendo, tokie procesai kaip šlifavimas ir poliravimas vis dar susiduria su kliūtimis, todėl išeiga maža (tik 40–50 %).

Didesnėms plokštelėms būdingas sudėtingesnis slėgio pasiskirstymas, todėl sunkiau valdyti poliravimo įtempį ir išgauti vienodą derlių.

Nors 8 colių plokštelių storis artėja prie 6 colių plokštelių storio, jos yra labiau linkusios pažeisti dėl įtempio ir deformacijos tvarkymo metu.

Siekiant sumažinti pjovimo metu susidariusį įtempį, deformaciją ir įtrūkimus, vis dažniau naudojamas lazerinis pjovimas. Tačiau:

Ilgabangiai lazeriai sukelia terminę žalą.

Trumpabangiai lazeriai sukuria dideles šiukšles ir pagilina pažeistą sluoksnį, taip padidindami poliravimo sudėtingumą.

SiC mechaninio poliravimo darbo eiga

Bendras proceso srautas apima:

Orientacinis pjovimas

Grubus šlifavimas

Smulkus šlifavimas

Mechaninis poliravimas

Cheminis mechaninis poliravimas (CMP) kaip paskutinis etapas

CMP metodo pasirinkimas, proceso maršruto projektavimas ir parametrų optimizavimas yra labai svarbūs. Puslaidininkių gamyboje CMP yra lemiamas žingsnis gaminant SiC plokšteles su itin lygiais, be defektų ir pažeidimų paviršiais, kurie yra būtini aukštos kokybės epitaksiniam augimui.

a) Išimkite SiC luitą iš tiglio;

(b) Atlikite pradinį formavimą šlifuodami išorinį skersmenį;

(c) Nustatykite kristalo orientaciją naudodami lygiavimo plokštumas arba įpjovas;

(d) daugiavieliniu pjūklu supjaustykite luitą plonomis plokštelėmis;

(e) Šlifavimo ir poliravimo etapais pasiekite veidrodinį paviršiaus lygumą.

Užbaigus apdorojimo etapų seriją, SiC plokštelės išorinis kraštas dažnai tampa aštrus, todėl padidėja nuskilimo rizika tvarkymo ar naudojimo metu. Siekiant išvengti tokio trapumo, kraštus reikia šlifuoti.

Be tradicinių pjaustymo procesų, novatoriškas SiC plokštelių gamybos metodas apima sujungimo technologiją. Šis metodas leidžia gaminti plokšteles sujungiant ploną SiC monokristalo sluoksnį su heterogeniniu substratu (atraminiu substratu).

3 paveiksle pavaizduota proceso eiga:

Pirma, SiC monokristalo paviršiuje, naudojant vandenilio jonų implantaciją arba panašius metodus, tam tikrame gylyje suformuojamas delaminacijos sluoksnis. Apdorotas SiC monokristalas tada sujungiamas su plokščiu atraminiu pagrindu ir veikiamas slėgio bei šilumos. Tai leidžia sėkmingai perkelti ir atskirti SiC monokristalo sluoksnį nuo atraminio pagrindo.

Atskirtas SiC sluoksnis yra paviršutiniškai apdorojamas, kad būtų pasiektas reikiamas lygumas, ir gali būti pakartotinai panaudotas vėlesniuose klijavimo procesuose. Palyginti su tradiciniu SiC kristalų pjaustymu, ši technika sumažina brangių medžiagų poreikį. Nors techninių iššūkių išlieka, aktyviai vykdomi moksliniai tyrimai ir plėtra, siekiant sudaryti sąlygas pigesnei plokštelių gamybai.

Atsižvelgiant į didelį SiC kietumą ir cheminį stabilumą, dėl kurio jis atsparus reakcijoms kambario temperatūroje, mechaninis poliravimas reikalingas smulkioms šlifavimo duobutėms pašalinti, paviršiaus pažeidimams sumažinti, įbrėžimams, įdubimams ir „apelsino žievelės“ defektams pašalinti, paviršiaus šiurkštumui sumažinti, lygumui pagerinti ir paviršiaus kokybei pagerinti.

Norint gauti aukštos kokybės poliruotą paviršių, reikia:

Reguliuokite abrazyvinių medžiagų tipus,

Sumažinti dalelių dydį,

Optimizuoti proceso parametrus,

Pasirinkite tinkamo kietumo poliravimo medžiagas ir pagalvėles.

7 paveiksle parodyta, kad dvipusis poliravimas 1 μm abrazyvais gali kontroliuoti lygumą ir storio kitimą 10 μm tikslumu ir sumažinti paviršiaus šiurkštumą iki maždaug 0,25 nm.

3.2 Cheminis mechaninis poliravimas (CMP)

Cheminis mechaninis poliravimas (CHP) sujungia itin smulkių dalelių šlifavimą su cheminiu ėsdinimu, kad apdorojama medžiaga būtų lygaus, plokščio paviršiaus. Pagrindinis principas yra toks:

Tarp poliravimo mišinio ir plokštelės paviršiaus vyksta cheminė reakcija, dėl kurios susidaro minkštas sluoksnis.

Trintis tarp abrazyvinių dalelių ir minkšto sluoksnio pašalina medžiagą.

CMP privalumai:

Įveikia grynai mechaninio ar cheminio poliravimo trūkumus,

Pasiekia tiek globalų, tiek lokalų planarizavimą,

Sukuria paviršius, pasižyminčius dideliu lygumu ir mažu šiurkštumu,

Nepalieka jokių paviršiaus ar požeminių pažeidimų.

Išsamiau:

Plokštelė juda poliravimo pagalvėlės atžvilgiu veikiant slėgiui.

Nanometrinio mastelio abrazyvai (pvz., SiO₂) suspensijoje dalyvauja kirpimo procese, silpnina Si-C kovalentinius ryšius ir pagerina medžiagos pašalinimą.

CMP metodų tipai:

Laisvasis abrazyvinis poliravimas: abrazyvai (pvz., SiO₂) yra suspenduojami suspensijoje. Medžiaga pašalinama trijų kūnų abrazyvu (plokštelė-padangalas-abrazyvas). Siekiant pagerinti vienodumą, reikia tiksliai kontroliuoti abrazyvo dydį (paprastai 60–200 nm), pH ir temperatūrą.

Fiksuotas abrazyvinis poliravimas: abrazyvai yra įterpti į poliravimo pagalvėlę, kad nesikauptų – idealiai tinka didelio tikslumo apdorojimui.

Valymas po poliravimo:

Poliruoti vafliai apdorojami:

Cheminis valymas (įskaitant dejonizuoto vandens ir srutų likučių šalinimą),

Dejonizuoto vandens skalavimas ir

Karšto azoto džiovinimas

siekiant sumažinti paviršiaus teršalų kiekį.

Paviršiaus kokybė ir našumas

Paviršiaus šiurkštumą galima sumažinti iki Ra < 0,3 nm, taip atitinkant puslaidininkių epitaksijos reikalavimus.

Visuotinis planarizavimas: cheminio minkštinimo ir mechaninio šalinimo derinys sumažina įbrėžimus ir netolygų ėsdinimą, pranokdamas grynus mechaninius ar cheminius metodus.

Didelis efektyvumas: tinka kietoms ir trapioms medžiagoms, tokioms kaip SiC, kai medžiagos šalinimo greitis viršija 200 nm/h.

Kitos atsirandančios poliravimo technikos

Be CMP, buvo pasiūlyti alternatyvūs metodai, įskaitant:

Elektrocheminis poliravimas, katalizinis poliravimas arba ėsdinimas ir

Tribocheminis poliravimas.

Tačiau šie metodai vis dar yra tyrimų stadijoje ir vystėsi lėtai dėl sudėtingų SiC medžiagų savybių.

Galiausiai, SiC apdorojimas yra laipsniškas procesas, kurio metu mažinamas deformavimas ir šiurkštumas, siekiant pagerinti paviršiaus kokybę, o kiekviename etape labai svarbu užtikrinti lygumą ir šiurkštumą.

Apdorojimo technologija

Plokštelių šlifavimo etape naudojama skirtingo dydžio deimantinė suspensija, kuria plokštelė šlifuojama iki reikiamo lygumo ir paviršiaus šiurkštumo. Po to ji poliruojama, naudojant tiek mechaninio, tiek cheminio mechaninio poliravimo (CMP) metodus, siekiant pagaminti nepažeistas, poliruotas silicio karbido (SiC) plokšteles.

Po poliravimo SiC plokštelės griežtai tikrinamos kokybės priemonėmis, tokiomis kaip optiniai mikroskopai ir rentgeno spindulių difraktometrai, siekiant užtikrinti, kad visi techniniai parametrai atitiktų reikiamus standartus. Galiausiai poliruotos plokštelės valomos specialiomis valymo priemonėmis ir itin grynu vandeniu, kad būtų pašalinti paviršiaus teršalai. Tada jos džiovinamos itin gryno azoto dujomis ir centrifuginiais džiovintuvais, taip užbaigiant visą gamybos procesą.

Po daugelio metų pastangų Kinijoje padaryta didelė pažanga apdorojant SiC monokristalus. Šalyje sėkmingai sukurti 100 mm legiruoti pusiau izoliuojantys 4H-SiC monokristalai, o n tipo 4H-SiC ir 6H-SiC monokristalai dabar gali būti gaminami partijomis. Tokios įmonės kaip „TankeBlue“ ir TYST jau sukūrė 150 mm SiC monokristalus.

Kalbant apie SiC plokštelių apdorojimo technologiją, šalies institucijos preliminariai ištyrė kristalų pjaustymo, šlifavimo ir poliravimo proceso sąlygas ir būdus. Jos gali pagaminti pavyzdžius, kurie iš esmės atitinka įrenginių gamybos reikalavimus. Tačiau, palyginti su tarptautiniais standartais, šalies plokštelių paviršiaus apdorojimo kokybė vis dar gerokai atsilieka. Yra keletas problemų:

Tarptautinės SiC teorijos ir apdorojimo technologijos yra griežtai saugomos ir nėra lengvai prieinamos.

Trūksta teorinių tyrimų ir palaikymo procesų tobulinimui ir optimizavimui.

Užsienio įrangos ir komponentų importo kaina yra didelė.

Vietiniai įrangos projektavimo, apdorojimo tikslumo ir medžiagų tyrimai vis dar rodo didelius atotrūkius, palyginti su tarptautiniu lygiu.

Šiuo metu dauguma Kinijoje naudojamų didelio tikslumo prietaisų yra importuojami. Bandymo įranga ir metodikos taip pat reikalauja tolesnio tobulinimo.

Toliau tobulėjant trečios kartos puslaidininkiams, SiC monokristalų substratų skersmuo nuolat didėja, kartu kylant ir aukštesniems paviršiaus apdorojimo kokybės reikalavimams. Plokštelių apdorojimo technologija tapo vienu techniškai sudėtingiausių etapų po SiC monokristalų auginimo.

Siekiant išspręsti esamus apdorojimo iššūkius, būtina toliau tirti pjovimo, šlifavimo ir poliravimo mechanizmus, taip pat išnagrinėti tinkamus SiC plokštelių gamybos proceso metodus ir būdus. Tuo pačiu metu būtina mokytis iš pažangių tarptautinių apdorojimo technologijų ir diegti pažangiausius itin tikslaus apdirbimo metodus bei įrangą, kad būtų pagaminti aukštos kokybės substratai.

Didėjant plokštelių dydžiui, kristalų auginimo ir apdorojimo sudėtingumas taip pat didėja. Tačiau gerokai pagerėja tolesnių įrenginių gamybos efektyvumas, o vieneto kaina sumažėja. Šiuo metu pagrindiniai SiC plokštelių tiekėjai visame pasaulyje siūlo gaminius, kurių skersmuo yra nuo 4 iki 6 colių. Pirmaujančios įmonės, tokios kaip „Cree“ ir II-VI, jau pradėjo planuoti 8 colių SiC plokštelių gamybos linijų plėtrą.