Nuvarande status och trender för SiC-waferbearbetningsteknik

Som ett tredje generationens halvledarsubstratmaterial,kiselkarbid (SiC)Enkristall har breda tillämpningsmöjligheter inom tillverkning av högfrekventa och högeffektselektroniska apparater. SiC-bearbetningstekniken spelar en avgörande roll i produktionen av högkvalitativa substratmaterial. Denna artikel presenterar det aktuella forskningsläget inom SiC-bearbetningstekniker både i Kina och utomlands, analyserar och jämför mekanismerna för skär-, slipnings- och poleringsprocesser, samt trenderna för waferplanhet och ytjämnhet. Den pekar också på de befintliga utmaningarna inom SiC-waferbearbetning och diskuterar framtida utvecklingsinriktningar.

Kiselkarbid (SiC)Wafers är viktiga grundmaterial för tredje generationens halvledarkomponenter och har betydande betydelse och marknadspotential inom områden som mikroelektronik, kraftelektronik och halvledarbelysning. På grund av den extremt höga hårdheten och kemiska stabiliteten hosSiC-enkristallerTraditionella halvledarbearbetningsmetoder är inte helt lämpliga för deras bearbetning. Även om många internationella företag har bedrivit omfattande forskning om den tekniskt krävande bearbetningen av SiC-enkristaller, hålls relevant teknik strikt konfidentiell.

Under senare år har Kina ökat sina ansträngningar för utveckling av SiC-enkristallmaterial och -komponenter. Utvecklingen av SiC-komponentteknik i landet begränsas dock för närvarande av begränsningar i bearbetningsteknik och waferkvalitet. Därför är det viktigt för Kina att förbättra SiC-bearbetningskapaciteten för att förbättra kvaliteten på SiC-enkristallsubstrat och uppnå deras praktiska tillämpning och massproduktion.

De huvudsakliga bearbetningsstegen inkluderar: skärning → grovslipning → finslipning → grovpolering (mekanisk polering) → finpolering (kemisk-mekanisk polering, CMP) → inspektion.

Skärning av SiC-enkristaller

Vid bearbetningen avSiC-enkristaller, skärning är det första och ett mycket kritiskt steg. Waferns böjning, varpning och totala tjockleksvariation (TTV) som härrör från skärprocessen avgör kvaliteten och effektiviteten hos efterföljande slipnings- och poleringsoperationer.

Skärverktyg kan kategoriseras efter form i diamantsågar med innerdiameter (ID), ytterdiametersågar (OD), bandsågar och vajersågar. Vajersågar kan i sin tur klassificeras efter sin rörelsetyp i fram- och återgående vajersystem och öglesågar (ändlösa). Baserat på slipmedlets skärmekanism kan vajersågsskärningstekniker delas in i två typer: fri slipande vajersågning och fast slipande diamantvajersågning.

1.1 Traditionella skärmetoder

Skärdjupet för sågar med ytterdiameter (OD) begränsas av bladets diameter. Under skärprocessen är bladet benäget för vibrationer och avvikelser, vilket resulterar i höga ljudnivåer och dålig styvhet. Sågar med innerdiameter (ID) använder diamantslipmedel på bladets inre omkrets som skäregg. Dessa blad kan vara så tunna som 0,2 mm. Under skivning roterar ID-bladet med hög hastighet medan materialet som ska skäras rör sig radiellt i förhållande till bladets centrum, vilket uppnår skivning genom denna relativa rörelse.

Diamantbandsågar kräver frekventa stopp och reverseringar, och skärhastigheten är mycket låg – vanligtvis inte över 2 m/s. De lider också av betydande mekaniskt slitage och höga underhållskostnader. På grund av sågbladets bredd kan skärradien inte vara för liten, och flerskivssågning är inte möjlig. Dessa traditionella sågverktyg är begränsade av basens styvhet och kan inte göra böjda snitt eller har begränsade vändradier. De kan bara göra raka snitt, producerar breda spår, har låg avkastningsgrad och är därför olämpliga för sågning.SiC-kristaller.

1.2 Fri sliptrådssåg för flertrådsskärning

Den fria slipande trådsågstekniken använder trådens snabba rörelse för att transportera slam in i skärsnittet, vilket möjliggör materialavlägsnande. Den använder främst en fram- och återgående struktur och är för närvarande en mogen och allmänt använd metod för effektiv flerskivsskärning av enkristallkisel. Emellertid har dess tillämpning inom SiC-skärning studerats mindre omfattande.

Fria abrasiva trådsågar kan bearbeta wafers med tjocklekar mindre än 300 μm. De erbjuder låg skärförlust, orsakar sällan flisning och resulterar i relativt god ytkvalitet. På grund av materialborttagningsmekanismen – baserad på valsning och indentation av slipmedel – tenderar dock waferns yta att utveckla betydande kvarvarande spänningar, mikrosprickor och djupare skadelager. Detta leder till waferförvrängning, gör det svårt att kontrollera ytprofilens noggrannhet och ökar belastningen på efterföljande bearbetningssteg.

Skärprestandan påverkas starkt av slammet; det är nödvändigt att bibehålla slipmedlets skärpa och slammets koncentration. Slambehandling och återvinning är kostsamma. Vid sågning av stora tackor har slipmedel svårt att penetrera djupa och långa spår. Med samma slipkornstorlek är spårförlusten större än för trådsågar med fast slipmedel.

1.3 Fast slipande diamantvajersåg med flera trådar

Fasta, slipande diamantvajersågar tillverkas vanligtvis genom att diamantpartiklar bäddas in i ett ståltrådssubstrat genom elektroplätering, sintring eller hartsbindning. Elektropläterade diamantvajersågar erbjuder fördelar som smalare skärsnitt, bättre skivkvalitet, högre effektivitet, lägre kontaminering och möjligheten att skära material med hög hårdhet.

Den fram- och återgående elektropläterade diamantvajersågen är för närvarande den mest använda metoden för att skära SiC. Figur 1 (visas inte här) illustrerar ytplanheten hos SiC-wafer som skärs med denna teknik. Allt eftersom skärningen fortskrider ökar waferns skevhet. Detta beror på att kontaktytan mellan tråden och materialet ökar när tråden rör sig nedåt, vilket ökar motståndet och trådvibrationerna. När tråden når waferns maximala diameter är vibrationen som högst, vilket resulterar i maximal skevhet.

I de senare skedena av skärningen, på grund av att tråden accelereras, rör sig med stabil hastighet, retarderas, stoppas och reverseras, tillsammans med svårigheter att avlägsna skräp med kylvätskan, försämras waferns ytkvalitet. Trådreversering och hastighetsfluktuationer, liksom stora diamantpartiklar på tråden, är de främsta orsakerna till ytrepor.

1.4 Kallseparationsteknik

Kallseparation av SiC-enkristaller är en innovativ process inom tredje generationens bearbetning av halvledarmaterial. Under senare år har den fått stor uppmärksamhet på grund av dess anmärkningsvärda fördelar när det gäller att förbättra utbytet och minska materialförlusten. Tekniken kan analyseras utifrån tre aspekter: arbetsprincip, processflöde och kärnfördelar.

Bestämning av kristallorientering och slipning av ytterdiameter: Före bearbetning måste kristallorienteringen för SiC-götet bestämmas. Götet formas sedan till en cylindrisk struktur (vanligtvis kallad SiC-puck) via slipning av ytterdiametern. Detta steg lägger grunden för efterföljande riktad skärning och skivning.

Flertrådsskärning: Denna metod använder slipande partiklar i kombination med skärtrådar för att skära den cylindriska tackan. Den lider dock av betydande spårförlust och problem med ojämnheter i ytan.

Laserskärningsteknik: En laser används för att forma ett modifierat lager inuti kristallen, från vilket tunna skivor kan lossas. Denna metod minskar materialförlust och förbättrar bearbetningseffektiviteten, vilket gör det till en lovande ny riktning för skärning av SiC-skivor.

Optimering av skärprocessen

Fast slipande flertrådsskärning: Detta är för närvarande den vanligaste tekniken och väl lämpad för SiC:s höga hårdhetsegenskaper.

Elektrisk urladdningsbearbetning (EDM) och kallseparationsteknik: Dessa metoder erbjuder diversifierade lösningar skräddarsydda för specifika krav.

Poleringsprocess: Det är viktigt att balansera materialavverkningshastigheten och ytskador. Kemisk-mekanisk polering (CMP) används för att förbättra ytjämnheten.

Realtidsövervakning: Onlineinspektionstekniker introduceras för att övervaka ytjämnhet i realtid.

Laserskärning: Denna teknik minskar skärförlust och förkortar bearbetningscyklerna, även om den termiskt påverkade zonen fortfarande är en utmaning.

Hybridbearbetningstekniker: Kombinationen av mekaniska och kemiska metoder förbättrar bearbetningseffektiviteten.

Denna teknik har redan nått industriell tillämpning. Infineon, till exempel, förvärvade SILTECTRA och innehar nu kärnpatent som stöder massproduktion av 8-tums wafers. I Kina har företag som Delong Laser uppnått en produktionseffektivitet på 30 wafers per göt för 6-tums waferbearbetning, vilket motsvarar en förbättring på 40 % jämfört med traditionella metoder.

I takt med att tillverkningen av hushållsutrustning accelererar förväntas denna teknik bli den vanligaste lösningen för bearbetning av SiC-substrat. Med den ökande diametern hos halvledarmaterial har traditionella skärmetoder blivit föråldrade. Bland nuvarande alternativ visar tekniken för fram- och återgående diamantvajersåg de mest lovande tillämpningsmöjligheterna. Laserskärning, som en framväxande teknik, erbjuder betydande fördelar och förväntas bli den primära skärmetoden i framtiden.

2.SiC-enkristallslipning

Som en representant för tredje generationens halvledare erbjuder kiselkarbid (SiC) betydande fördelar tack vare sitt breda bandgap, höga genombrottselektriska fält, höga mättnadselektrondrifthastighet och utmärkta värmeledningsförmåga. Dessa egenskaper gör SiC särskilt fördelaktigt i högspänningstillämpningar (t.ex. 1200V-miljöer). Bearbetningstekniken för SiC-substrat är en grundläggande del av tillverkningen av komponenter. Substratets ytkvalitet och precision påverkar direkt kvaliteten på det epitaxiella lagret och den slutliga komponentens prestanda.

Det primära syftet med slipningsprocessen är att ta bort ytliga sågmärken och skador som orsakats under skivning, och att korrigera deformation orsakad av skärprocessen. Med tanke på SiC:s extremt höga hårdhet kräver slipning användning av hårda slipmedel som borkarbid eller diamant. Konventionell slipning delas vanligtvis in i grovslipning och finslipning.

2.1 Grov- och finmalning

Slipning kan kategoriseras baserat på slipmedelspartikelstorlek:

Grovslipning: Använder större slipmedel främst för att ta bort sågmärken och skador som orsakats under skivning, vilket förbättrar bearbetningseffektiviteten.

Finslipning: Använder finare slipmedel för att ta bort det skadade lagret som lämnats av grovslipning, minska ytjämnheter och förbättra ytkvaliteten.

Många inhemska tillverkare av SiC-substrat använder storskaliga produktionsprocesser. En vanlig metod innefattar dubbelsidig slipning med en gjutjärnsplatta och monokristallin diamantslam. Denna process tar effektivt bort det skadade lagret som lämnats av trådsågning, korrigerar waferformen och minskar TTV (Total Thickness Variation), Bow och Warp. Materialavverkningshastigheten är stabil och når vanligtvis 0,8–1,2 μm/min. Den resulterande waferytan är dock matt med relativt hög ojämnhet – vanligtvis runt 50 nm – vilket ställer högre krav på efterföljande poleringssteg.

2.2 Enkelsidig slipning

Enkelsidig slipning bearbetar endast en sida av wafern åt gången. Under denna process vaxas wafern på en stålplatta. Under applicerat tryck genomgår substratet en lätt deformation, och den övre ytan plattas ut. Efter slipningen jämnas den nedre ytan ut. När trycket avlägsnas tenderar den övre ytan att återgå till sin ursprungliga form, vilket också påverkar den redan slipade nedre ytan – vilket gör att båda sidorna vrids och försämras i planhet.

Dessutom kan slipplattan bli konkav på kort tid, vilket gör att wafern blir konvex. För att bibehålla plattans planhet krävs frekvent slipning. På grund av låg effektivitet och dålig waferplanhet är enkelsidig slipning inte lämplig för massproduktion.

Vanligtvis används slipskivor av typ #8000 för finslipning. I Japan är denna process relativt mogen och använder till och med polerskivor av typ #30000. Detta gör att ytjämnheten hos de bearbetade skivorna kan nå under 2 nm, vilket gör skivorna redo för slutlig CMP (kemisk mekanisk polering) utan ytterligare bearbetning.

2.3 Enkelsidig gallringsteknik

Diamantslipningsteknik för enkelsidig uttunning är en ny metod för enkelsidig slipning. Som illustreras i figur 5 (visas inte här) använder processen en diamantbunden slipplatta. Skivan fixeras via vakuumadsorption, medan både skivan och diamantsliphjulet roterar samtidigt. Sliphjulet rör sig gradvis nedåt för att tunna ut skivan till en önskad tjocklek. När ena sidan är klar vänds skivan för att bearbeta den andra sidan.

Efter gallring kan en 100 mm wafer uppnå:

Böjning < 5 μm

TTV < 2 μm

Ytjämnhet < 1 nm

Denna bearbetningsmetod med en enda skiva erbjuder hög stabilitet, utmärkt konsistens och hög materialavverkningshastighet. Jämfört med konventionell dubbelsidig slipning förbättrar denna teknik slipningseffektiviteten med över 50 %.

2.4 Dubbelsidig slipning

Dubbelsidig slipning använder både en övre och en nedre slipplatta för att samtidigt slipa båda sidor av underlaget, vilket säkerställer utmärkt ytkvalitet på båda sidor.

Under processen applicerar slipplattorna först tryck på arbetsstyckets högsta punkter, vilket orsakar deformation och gradvis materialborttagning vid dessa punkter. Allt eftersom de höga punkterna jämnas ut blir trycket på substratet gradvis mer jämnt, vilket resulterar i en jämn deformation över hela ytan. Detta gör att både den övre och nedre ytan kan slipas jämnt. När slipningen är klar och trycket släpps återhämtar sig varje del av substratet jämnt tack vare det lika trycket den upplevde. Detta leder till minimal skevhet och god planhet.

Waferns ytjämnhet efter slipning beror på slipmedlets partikelstorlek – mindre partiklar ger jämnare ytor. När man använder 5 μm slipmedel för dubbelsidig slipning kan waferns planhet och tjockleksvariation kontrolleras inom 5 μm. Mätningar med atomkraftsmikroskopi (AFM) visar en ytjämnhet (Rq) på cirka 100 nm, med slipgropar upp till 380 nm djupa och synliga linjära märken orsakade av slipverkan.

En mer avancerad metod innebär dubbelsidig slipning med polyuretanskumdynor i kombination med polykristallin diamantslam. Denna process producerar wafers med mycket låg ytjämnhet, vilket uppnår Ra < 3 nm, vilket är mycket fördelaktigt för efterföljande polering av SiC-substrat.

Ytskrapning är dock fortfarande en olöst fråga. Dessutom produceras den polykristallina diamant som används i denna process via explosiv syntes, vilket är tekniskt utmanande, ger små mängder och är extremt dyrt.

Polering av SiC-enkelkristaller

För att uppnå en högkvalitativ polerad yta på kiselkarbidskivor (SiC) måste poleringen helt avlägsna slipgropar och nanometerstora ytvågor. Målet är att producera en slät, defektfri yta utan kontaminering eller nedbrytning, utan skador på underlaget och utan kvarvarande ytspänning.

3.1 Mekanisk polering och CMP av SiC-skivor

Efter tillväxten av en SiC-enkristalltacka förhindrar ytdefekter att den används direkt för epitaxiell tillväxt. Därför krävs ytterligare bearbetning. Tackan formas först till en standardcylindrisk form genom avrundning, skärs sedan till wafers med hjälp av trådskärning, följt av kristallografisk orienteringsverifiering. Polering är ett kritiskt steg för att förbättra waferkvaliteten, åtgärda potentiella ytskador orsakade av kristalltillväxtdefekter och föregående bearbetningssteg.

Det finns fyra huvudmetoder för att ta bort ytliga skador på SiC:

Mekanisk polering: Enkel men lämnar repor; lämplig för initial polering.

Kemisk-mekanisk polering (CMP): Tar bort repor via kemisk etsning; lämplig för precisionspolering.

Väteetsning: Kräver komplex utrustning, vanligen använd i HTCVD-processer.

Plasmaassisterad polering: Komplex och sällan använd.

Enbart mekanisk polering tenderar att orsaka repor, medan enbart kemisk polering kan leda till ojämn etsning. CMP kombinerar båda fördelarna och erbjuder en effektiv och kostnadseffektiv lösning.

CMP:s arbetsprincip

CMP fungerar genom att rotera wafern under ett inställt tryck mot en roterande polerplatta. Denna relativa rörelse, i kombination med mekanisk nötning från nanostora slipmedel i slammet och den kemiska verkan av reaktiva ämnen, uppnår ytplanarisering.

Viktiga material som använts:

Poleringsslam: Innehåller slipmedel och kemiska reagenser.

Poleringsplatta: Slits ner under användning, vilket minskar porstorleken och effektiviteten i slamleveransen. Regelbunden polering, vanligtvis med en diamantpoleringsmaskin, krävs för att återställa ytjämnheten.

Typisk CMP-process

Slipmedel: 0,5 μm diamantslam

Målytans grovhet: ~0,7 nm

Kemisk mekanisk polering:

Poleringsutrustning: AP-810 enkelsidig polermaskin

Tryck: 200 g/cm²

Platthastighet: 50 rpm

Keramisk hållare hastighet: 38 rpm

Slamkomposition:

SiO₂ (30 viktprocent, pH = 10,15)

0–70 viktprocent H₂O₂ (30 viktprocent, reagenskvalitet)

Justera pH till 8,5 med 5 viktprocent KOH och 1 viktprocent HNO₃

Slamflödeshastighet: 3 l/min, recirkulerad

Denna process förbättrar effektivt SiC-waferkvaliteten och uppfyller kraven för nedströmsprocesser.

Tekniska utmaningar vid mekanisk polering

SiC, som en halvledare med brett bandgap, spelar en viktig roll inom elektronikindustrin. Med utmärkta fysikaliska och kemiska egenskaper är SiC-enkristaller lämpliga för extrema miljöer, såsom hög temperatur, hög frekvens, hög effekt och strålningsbeständighet. Dess hårda och spröda natur innebär dock stora utmaningar för slipning och polering.

I takt med att ledande globala tillverkare övergår från 6-tums till 8-tums wafers har problem som sprickbildning och waferskador under bearbetning blivit mer framträdande, vilket påverkar utbytet avsevärt. Att ta itu med de tekniska utmaningarna med 8-tums SiC-substrat är nu en viktig riktmärke för branschens framsteg.

I 8-tums-eran står SiC-waferbearbetning inför många utmaningar:

Waferskalning är nödvändig för att öka chipproduktionen per batch, minska kantförluster och sänka produktionskostnaderna – särskilt med tanke på den ökande efterfrågan inom elfordonsapplikationer.

Medan tillväxten av 8-tums SiC-enkristaller har mognat, möter back-end-processer som slipning och polering fortfarande flaskhalsar, vilket resulterar i låga utbyten (endast 40–50 %).

Större wafers upplever mer komplexa tryckfördelningar, vilket ökar svårigheten att hantera poleringsspänningar och öka utbyteskonsistensen.

Även om tjockleken på 8-tumswafers närmar sig den för 6-tumswafers, är de mer benägna att skadas under hantering på grund av stress och vridning.

För att minska skärrelaterad stress, skevhet och sprickbildning används laserskärning i allt större utsträckning. Emellertid:

Långvågiga lasrar orsakar termisk skada.

Kortvågiga lasrar genererar tungt skräp och fördjupar skadelagret, vilket ökar poleringskomplexiteten.

Mekanisk poleringsarbetsflöde för SiC

Det allmänna processflödet inkluderar:

Orienteringsskärning

Grovmalning

Finmalning

Mekanisk polering

Kemisk-mekanisk polering (CMP) som sista steg

Valet av CMP-metod, processvägsdesign och optimering av parametrar är avgörande. Inom halvledartillverkning är CMP det avgörande steget för att producera SiC-wafers med ultrasläta, defektfria och skadefria ytor, vilket är avgörande för högkvalitativ epitaxiell tillväxt.

(a) Ta ut SiC-tackan från degeln;

(b) Utför initial formning med hjälp av ytterdiameterslipning;

(c) Bestäm kristallens orientering med hjälp av justeringsflak eller skåror;

(d) Skär götet i tunna skivor med hjälp av flertrådssågning;

(e) Uppnå en spegelblank yta genom slipning och polering.

Efter att ha avslutat bearbetningssteg blir SiC-skivans ytterkant ofta vass, vilket ökar risken för flisning under hantering eller användning. För att undvika sådan ömtålighet krävs kantslipning.

Förutom traditionella skivningsprocesser finns det en innovativ metod för att framställa SiC-wafers med hjälp av bindningsteknik. Denna metod möjliggör tillverkning av wafers genom att binda ett tunt SiC-enkristalllager till ett heterogent substrat (stödsubstrat).

Figur 3 illustrerar processflödet:

Först bildas ett delamineringsskikt på ett specificerat djup på ytan av SiC-enkristallen via vätejonimplantation eller liknande tekniker. Den bearbetade SiC-enkristallen binds sedan till ett plant stödsubstrat och utsätts för tryck och värme. Detta möjliggör framgångsrik överföring och separation av SiC-enkristallskiktet till det stödjande substratet.

Det separerade SiC-lagret genomgår ytbehandling för att uppnå den erforderliga planheten och kan återanvändas i efterföljande bindningsprocesser. Jämfört med traditionell skivning av SiC-kristaller minskar denna teknik behovet av dyra material. Även om tekniska utmaningar kvarstår, går forskning och utveckling aktivt framåt för att möjliggöra billigare waferproduktion.

Med tanke på SiC:s höga hårdhet och kemiska stabilitet – vilket gör den resistent mot reaktioner vid rumstemperatur – krävs mekanisk polering för att ta bort fina slipgropar, minska ytskador, eliminera repor, gropfrätning och apelsinskalsdefekter, minska ytjämnheten, förbättra planheten och förbättra ytkvaliteten.

För att uppnå en högkvalitativ polerad yta är det nödvändigt att:

Justera slipmedelstyper,

Minska partikelstorleken,

Optimera processparametrar,

Välj polermaterial och rondeller med tillräcklig hårdhet.

Figur 7 visar att dubbelsidig polering med 1 μm slipmedel kan kontrollera planhet och tjockleksvariationer inom 10 μm, och minska ytjämnheten till cirka 0,25 nm.

3.2 Kemisk-mekanisk polering (CMP)

Kemisk-mekanisk polering (CMP) kombinerar ultrafina partikelslitning med kemisk etsning för att skapa en jämn, plan yta på materialet som bearbetas. Grundprincipen är:

En kemisk reaktion sker mellan poleringsslammet och waferns yta, vilket bildar ett mjukt lager.

Friktion mellan slippartiklarna och det mjuka lagret avlägsnar materialet.

CMP-fördelar:

Övervinner nackdelarna med rent mekanisk eller kemisk polering,

Uppnår både global och lokal planering,

Producerar ytor med hög planhet och låg ojämnhet,

Lämnar inga skador på ytan eller underlaget.

I detalj:

Wafern rör sig i förhållande till polerplattan under tryck.

Nanometerstora slipmedel (t.ex. SiO₂) i slammet bidrar till skjuvning, vilket försvagar Si-C-kovalenta bindningar och förbättrar materialavverkningen.

Typer av CMP-tekniker:

Fri slippolering: Slipmedel (t.ex. SiO₂) suspenderas i en uppslamning. Materialborttagning sker genom trekroppsslipning (wafer-pad-slipmedel). Slipmedelsstorlek (vanligtvis 60–200 nm), pH och temperatur måste kontrolleras exakt för att förbättra jämnheten.

Fast slippolering: Slipmedel är inbäddade i polerplattan för att förhindra agglomerering – perfekt för högprecisionsbearbetning.

Rengöring efter polering:

Polerade skivor genomgår:

Kemisk rengöring (inklusive avjoniserat vatten och borttagning av slamrester),

avjoniserat vattensköljning, och

Varm kvävgastorkning

för att minimera ytföroreningar.

Ytkvalitet och prestanda

Ytjämnheten kan reduceras till Ra < 0,3 nm, vilket uppfyller kraven för halvledarepitaxi.

Global planarisering: Kombinationen av kemisk mjukgöring och mekanisk borttagning minskar repor och ojämn etsning, vilket överträffar rena mekaniska eller kemiska metoder.

Hög effektivitet: Lämplig för hårda och spröda material som SiC, med materialavverkningshastigheter över 200 nm/h.

Andra framväxande poleringstekniker

Förutom CMP har alternativa metoder föreslagits, inklusive:

Elektrokemisk polering, katalysatorassisterad polering eller etsning, och

Tribokemisk polering.

Dessa metoder är dock fortfarande i forskningsstadiet och har utvecklats långsamt på grund av SiC:s utmanande materialegenskaper.

I slutändan är SiC-bearbetning en gradvis process för att minska skevhet och ojämnheter för att förbättra ytkvaliteten, där planhet och kontroll av ojämnheter är avgörande i varje steg.

Bearbetningsteknik

Under waferslipningssteget används diamantslam med olika partikelstorlekar för att slipa wafern till önskad planhet och ytjämnhet. Detta följs av polering, med både mekaniska och kemisk-mekaniska poleringstekniker (CMP) för att producera skadefria polerade kiselkarbidwafer (SiC).

Efter polering genomgår SiC-skivorna rigorösa kvalitetskontroller med instrument som optiska mikroskop och röntgendiffraktometrar för att säkerställa att alla tekniska parametrar uppfyller de erforderliga standarderna. Slutligen rengörs de polerade skivorna med specialiserade rengöringsmedel och ultrarent vatten för att avlägsna ytföroreningar. De torkas sedan med kvävgas med ultrahög renhet och centrifugering, vilket fullbordar hela produktionsprocessen.

Efter åratal av ansträngningar har betydande framsteg gjorts inom bearbetning av SiC-enkristaller i Kina. Inhemskt har 100 mm dopade halvisolerande 4H-SiC-enkristaller framgångsrikt utvecklats, och n-typ 4H-SiC- och 6H-SiC-enkristaller kan nu produceras i batcher. Företag som TankeBlue och TYST har redan utvecklat 150 mm SiC-enkristaller.

När det gäller bearbetningsteknik för SiC-skivor har inhemska institutioner preliminärt undersökt processförhållanden och vägar för kristallskärning, slipning och polering. De kan producera prover som i princip uppfyller kraven för tillverkning av enheter. Jämfört med internationella standarder släpar dock ytbearbetningskvaliteten hos inhemska skivor fortfarande avsevärt efter. Det finns flera problem:

Internationella SiC-teorier och bearbetningstekniker är noggrant skyddade och inte lättillgängliga.

Det saknas teoretisk forskning och stöd för processförbättring och optimering.

Kostnaden för att importera utländsk utrustning och komponenter är hög.

Inhemsk forskning om utrustningsdesign, bearbetningsprecision och material visar fortfarande betydande skillnader jämfört med internationella nivåer.

För närvarande importeras de flesta högprecisionsinstrument som används i Kina. Testutrustning och metoder behöver också förbättras ytterligare.

Med den fortsatta utvecklingen av tredje generationens halvledare ökar diametern hos SiC-enkristallsubstrat stadigt, tillsammans med högre krav på ytbearbetningskvalitet. Waferbearbetningstekniken har blivit ett av de tekniskt mest utmanande stegen efter SiC-enkristalltillväxt.

För att hantera befintliga utmaningar inom bearbetning är det viktigt att ytterligare studera mekanismerna som är involverade i skärning, slipning och polering, och att utforska lämpliga processmetoder och vägar för tillverkning av SiC-skivor. Samtidigt är det nödvändigt att lära sig av avancerad internationell bearbetningsteknik och anamma toppmoderna precisionsbearbetningstekniker och utrustning för att producera högkvalitativa substrat.

I takt med att waferstorleken ökar, ökar även svårigheten med kristalltillväxt och bearbetning. Tillverkningseffektiviteten för nedströmskomponenter förbättras dock avsevärt, och enhetskostnaden minskar. För närvarande erbjuder de största leverantörerna av SiC-wafer globalt produkter med en diameter från 4 tum till 6 tum. Ledande företag som Cree och II-VI har redan börjat planera för utveckling av 8-tums produktionslinjer för SiC-wafer.