به عنوان یک ماده زیرلایه نیمه‌هادی نسل سوم،کاربید سیلیکون (SiC)تک کریستال‌ها چشم‌انداز کاربرد گسترده‌ای در ساخت دستگاه‌های الکترونیکی با فرکانس بالا و توان بالا دارند. فناوری پردازش SiC نقش تعیین‌کننده‌ای در تولید مواد زیرلایه با کیفیت بالا ایفا می‌کند. این مقاله وضعیت فعلی تحقیقات در مورد فناوری‌های پردازش SiC را در چین و خارج از کشور معرفی می‌کند و مکانیسم‌های فرآیندهای برش، سنگ‌زنی و صیقل‌کاری و همچنین روندهای مربوط به صافی و زبری سطح ویفر را تجزیه و تحلیل و مقایسه می‌کند. همچنین به چالش‌های موجود در پردازش ویفر SiC اشاره می‌کند و مسیرهای توسعه آینده را مورد بحث قرار می‌دهد.
کاربید سیلیکون (SiC)ویفرها مواد بنیادی حیاتی برای دستگاه‌های نیمه‌هادی نسل سوم هستند و اهمیت و پتانسیل بازار قابل توجهی در زمینه‌هایی مانند میکروالکترونیک، الکترونیک قدرت و روشنایی نیمه‌هادی دارند. به دلیل سختی بسیار بالا و پایداری شیمیاییتک بلورهای SiCروش‌های سنتی پردازش نیمه‌هادی‌ها کاملاً برای ماشینکاری آنها مناسب نیستند. اگرچه بسیاری از شرکت‌های بین‌المللی تحقیقات گسترده‌ای در مورد پردازش فنی دشوار تک بلورهای SiC انجام داده‌اند، اما فناوری‌های مربوطه کاملاً محرمانه نگه داشته می‌شوند.
در سال‌های اخیر، چین تلاش‌های خود را در توسعه مواد و دستگاه‌های تک کریستال SiC افزایش داده است. با این حال، پیشرفت فناوری دستگاه‌های SiC در این کشور در حال حاضر به دلیل محدودیت‌هایی در فناوری‌های پردازش و کیفیت ویفر محدود شده است. بنابراین، برای چین ضروری است که قابلیت‌های پردازش SiC را بهبود بخشد تا کیفیت زیرلایه‌های تک کریستال SiC را افزایش داده و به کاربرد عملی و تولید انبوه آنها دست یابد.
مراحل اصلی پردازش شامل موارد زیر است: برش → سنگ زنی درشت → سنگ زنی ریز → پرداخت خشن (پرداخت مکانیکی) → پرداخت ریز (پرداخت مکانیکی شیمیایی، CMP) → بازرسی.
| قدم | پردازش ویفر SiC | پردازش مواد تک بلوری نیمه‌هادی سنتی |
| برش | از فناوری اره‌کاری چند سیمه برای برش شمش‌های SiC به ویفرهای نازک استفاده می‌کند. | معمولاً از تکنیک‌های برش تیغه با قطر داخلی یا قطر خارجی استفاده می‌کند |
| سنگ زنی | به دو نوع سنگ‌زنی درشت و ریز تقسیم می‌شود تا رد اره و لایه‌های آسیب‌دیده ناشی از برش را از بین ببرد. | روش‌های سنگ‌زنی ممکن است متفاوت باشند، اما هدف یکسان است |
| پولیش کاری | شامل پرداخت خشن و فوق دقیق با استفاده از پرداخت مکانیکی و شیمیایی مکانیکی (CMP) | معمولاً شامل پولیش مکانیکی شیمیایی (CMP) می‌شود، اگرچه مراحل خاص ممکن است متفاوت باشد |
برش تک بلورهای SiC
در پردازشِتک بلورهای SiCبرش اولین و یک مرحله بسیار حیاتی است. میزان انحنا، تاب و تغییر ضخامت کل (TTV) ویفر که در نتیجه فرآیند برش ایجاد می‌شود، کیفیت و اثربخشی عملیات سنگ‌زنی و صیقل‌دهی بعدی را تعیین می‌کند.
ابزارهای برش را می‌توان بر اساس شکل به اره‌های الماسه با قطر داخلی (ID)، اره‌های قطر خارجی (OD)، اره‌های نواری و اره‌های سیمی طبقه‌بندی کرد. اره‌های سیمی نیز به نوبه خود، می‌توانند بر اساس نوع حرکت خود به سیستم‌های رفت و برگشتی و حلقه‌ای (بی‌انتها) طبقه‌بندی شوند. بر اساس مکانیسم برش ساینده، تکنیک‌های برش اره سیمی را می‌توان به دو نوع تقسیم کرد: اره سیمی با ساینده آزاد و اره سیمی الماسه با ساینده ثابت.
۱.۱ روش‌های برش سنتی
عمق برش اره‌های قطر خارجی (OD) توسط قطر تیغه محدود می‌شود. در طول فرآیند برش، تیغه مستعد لرزش و انحراف است که منجر به سطح صدای بالا و استحکام ضعیف می‌شود. اره‌های قطر داخلی (ID) از ساینده‌های الماسی در محیط داخلی تیغه به عنوان لبه برش استفاده می‌کنند. این تیغه‌ها می‌توانند به نازکی 0.2 میلی‌متر باشند. در طول برش، تیغه قطر داخلی با سرعت بالا می‌چرخد در حالی که ماده مورد برش به صورت شعاعی نسبت به مرکز تیغه حرکت می‌کند و از طریق این حرکت نسبی، برش انجام می‌شود.
اره‌های نواری الماسه نیاز به توقف و حرکت معکوس مکرر دارند و سرعت برش آنها بسیار پایین است - معمولاً از 2 متر بر ثانیه تجاوز نمی‌کند. آنها همچنین از سایش مکانیکی قابل توجه و هزینه‌های نگهداری بالا رنج می‌برند. به دلیل عرض تیغه اره، شعاع برش نمی‌تواند خیلی کوچک باشد و برش چند برشی امکان‌پذیر نیست. این ابزارهای اره‌کاری سنتی به دلیل سفتی پایه محدود شده‌اند و نمی‌توانند برش‌های منحنی ایجاد کنند یا شعاع چرخش محدودی دارند. آنها فقط قادر به برش‌های مستقیم هستند، شیارهای پهن ایجاد می‌کنند، نرخ بازده پایینی دارند و بنابراین برای برش مناسب نیستند.بلورهای SiC.
۱.۲ اره سیمی ساینده رایگان، برش چند سیمه
تکنیک برش با اره سیمی بدون ساینده از حرکت سریع سیم برای حمل دوغاب به داخل شیار استفاده می‌کند و امکان حذف مواد را فراهم می‌کند. این روش در درجه اول از یک ساختار رفت و برگشتی استفاده می‌کند و در حال حاضر یک روش بالغ و پرکاربرد برای برش کارآمد چند ویفر سیلیکون تک کریستالی است. با این حال، کاربرد آن در برش SiC کمتر مورد مطالعه قرار گرفته است.
اره‌های سیمی بدون ساینده می‌توانند ویفرهایی با ضخامت کمتر از 300 میکرومتر را پردازش کنند. آنها میزان بریدگی کمی دارند، به ندرت باعث لب‌پریدگی می‌شوند و کیفیت سطح نسبتاً خوبی را ایجاد می‌کنند. با این حال، به دلیل مکانیسم حذف مواد - بر اساس غلتیدن و فرورفتگی مواد ساینده - سطح ویفر تمایل به ایجاد تنش پسماند قابل توجه، ترک‌های ریز و لایه‌های آسیب عمیق‌تر دارد. این امر منجر به تاب برداشتن ویفر می‌شود، کنترل دقت پروفیل سطح را دشوار می‌کند و بار مراحل بعدی پردازش را افزایش می‌دهد.
عملکرد برش به شدت تحت تأثیر دوغاب قرار دارد؛ لازم است تیزی مواد ساینده و غلظت دوغاب حفظ شود. تصفیه و بازیافت دوغاب پرهزینه است. هنگام برش شمش‌های بزرگ، مواد ساینده در نفوذ به شیارهای عمیق و بلند مشکل دارند. در اندازه دانه‌های ساینده یکسان، میزان افت شیار بیشتر از اره‌های سیمی با ساینده ثابت است.
۱.۳ اره سیم الماسه ساینده ثابت برش چند سیمه
اره‌های سیم الماس ساینده ثابت معمولاً با جاسازی ذرات الماس بر روی یک زیرلایه سیم فولادی از طریق روش‌های آبکاری الکتریکی، تف‌جوشی یا اتصال رزین ساخته می‌شوند. اره‌های سیم الماس آبکاری شده مزایایی مانند شیارهای باریک‌تر، کیفیت برش بهتر، راندمان بالاتر، آلودگی کمتر و توانایی برش مواد با سختی بالا را ارائه می‌دهند.
اره سیم الماس آبکاری شده رفت و برگشتی در حال حاضر پرکاربردترین روش برای برش SiC است. شکل 1 (در اینجا نشان داده نشده است) صافی سطح ویفرهای SiC برش داده شده با این تکنیک را نشان می‌دهد. با پیشرفت برش، تابیدگی ویفر افزایش می‌یابد. دلیل این امر این است که با حرکت سیم به سمت پایین، سطح تماس بین سیم و ماده افزایش می‌یابد و مقاومت و ارتعاش سیم افزایش می‌یابد. هنگامی که سیم به حداکثر قطر ویفر می‌رسد، ارتعاش در اوج خود قرار دارد و در نتیجه حداکثر تابیدگی ایجاد می‌شود.
در مراحل بعدی برش، به دلیل اینکه سیم تحت شتاب‌گیری، حرکت با سرعت ثابت، کاهش سرعت، توقف و معکوس شدن قرار می‌گیرد، همراه با مشکلاتی در حذف ذرات با خنک‌کننده، کیفیت سطح ویفر کاهش می‌یابد. معکوس شدن سیم و نوسانات سرعت، و همچنین ذرات بزرگ الماس روی سیم، از علل اصلی خراش‌های سطحی هستند.
۱.۴ فناوری جداسازی سرد
جداسازی سرد تک بلورهای SiC یک فرآیند نوآورانه در زمینه پردازش مواد نیمه‌هادی نسل سوم است. در سال‌های اخیر، به دلیل مزایای قابل توجه آن در بهبود بازده و کاهش اتلاف مواد، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. این فناوری را می‌توان از سه جنبه مورد تجزیه و تحلیل قرار داد: اصل کار، جریان فرآیند و مزایای اصلی.
تعیین جهت کریستال و سنگ زنی قطر خارجی: قبل از پردازش، جهت کریستال شمش SiC باید تعیین شود. سپس شمش از طریق سنگ زنی قطر خارجی به یک ساختار استوانه ای (که معمولاً به آن SiC puck گفته می شود) شکل می گیرد. این مرحله پایه و اساس برش و قطعه قطعه کردن جهت دار بعدی را بنا می کند.
برش چند سیمی: این روش از ذرات ساینده همراه با سیم‌های برش برای برش شمش استوانه‌ای استفاده می‌کند. با این حال، از مشکلات قابل توجه از بین رفتن شیار و ناهمواری سطح رنج می‌برد.
فناوری برش لیزری: از لیزر برای تشکیل یک لایه اصلاح‌شده درون کریستال استفاده می‌شود که از آن می‌توان برش‌های نازک را جدا کرد. این رویکرد باعث کاهش اتلاف مواد و افزایش راندمان پردازش می‌شود و آن را به یک مسیر جدید و امیدوارکننده برای برش ویفر SiC تبدیل می‌کند.
بهینه‌سازی فرآیند برش
برش چند سیمی با سایش ثابت: این فناوری در حال حاضر رایج‌ترین فناوری است و برای ویژگی‌های سختی بالای SiC بسیار مناسب است.
ماشینکاری تخلیه الکتریکی (EDM) و فناوری جداسازی سرد: این روش‌ها راه‌حل‌های متنوعی متناسب با نیازهای خاص ارائه می‌دهند.
فرآیند پرداخت: ایجاد تعادل بین نرخ برداشت مواد و آسیب سطحی ضروری است. پرداخت مکانیکی شیمیایی (CMP) برای بهبود یکنواختی سطح به کار می‌رود.
نظارت بر زمان واقعی: فناوری‌های بازرسی آنلاین برای نظارت بر زبری سطح در زمان واقعی معرفی شده‌اند.
برش لیزری: این تکنیک، میزان از بین رفتن شیارها را کاهش داده و چرخه‌های پردازش را کوتاه می‌کند، اگرچه ناحیه تحت تأثیر حرارت همچنان یک چالش است.
فناوری‌های پردازش ترکیبی: ترکیب روش‌های مکانیکی و شیمیایی، کارایی پردازش را افزایش می‌دهد.
این فناوری قبلاً به کاربرد صنعتی رسیده است. به عنوان مثال، شرکت Infineon، شرکت SILTECTRA را خریداری کرد و اکنون دارای حق ثبت اختراعات اصلی است که از تولید انبوه ویفرهای ۸ اینچی پشتیبانی می‌کند. در چین، شرکت‌هایی مانند Delong Laser به راندمان خروجی ۳۰ ویفر در هر شمش برای پردازش ویفر ۶ اینچی دست یافته‌اند که نشان‌دهنده ۴۰٪ بهبود نسبت به روش‌های سنتی است.
با افزایش سرعت تولید تجهیزات داخلی، انتظار می‌رود این فناوری به راهکار اصلی برای پردازش زیرلایه SiC تبدیل شود. با افزایش قطر مواد نیمه‌هادی، روش‌های برش سنتی منسوخ شده‌اند. در میان گزینه‌های فعلی، فناوری اره سیمی الماسه رفت و برگشتی، نویدبخش‌ترین چشم‌انداز کاربردی را نشان می‌دهد. برش لیزری، به عنوان یک تکنیک نوظهور، مزایای قابل توجهی ارائه می‌دهد و پیش‌بینی می‌شود که در آینده به روش برش اصلی تبدیل شود.
۲،سنگ زنی تک کریستال SiC
کاربید سیلیکون (SiC) به عنوان نماینده‌ای از نیمه‌رساناهای نسل سوم، به دلیل شکاف باند وسیع، میدان الکتریکی شکست بالا، سرعت رانش الکترون اشباع بالا و رسانایی حرارتی عالی، مزایای قابل توجهی را ارائه می‌دهد. این خواص، SiC را به ویژه در کاربردهای ولتاژ بالا (مثلاً محیط‌های 1200 ولت) سودمند می‌کند. فناوری پردازش برای زیرلایه‌های SiC بخش اساسی ساخت دستگاه است. کیفیت سطح و دقت زیرلایه مستقیماً بر کیفیت لایه اپیتاکسیال و عملکرد دستگاه نهایی تأثیر می‌گذارد.
هدف اصلی فرآیند سنگ‌زنی، حذف رد اره سطحی و لایه‌های آسیب‌دیده ناشی از برش و اصلاح تغییر شکل ناشی از فرآیند برش است. با توجه به سختی بسیار بالای SiC، سنگ‌زنی نیاز به استفاده از ساینده‌های سخت مانند کاربید بور یا الماس دارد. سنگ‌زنی مرسوم معمولاً به سنگ‌زنی درشت و سنگ‌زنی ریز تقسیم می‌شود.
۲.۱ سنگ‌زنی درشت و ریز
سنگ زنی را می توان بر اساس اندازه ذرات ساینده طبقه بندی کرد:
سنگ‌زنی درشت: از ساینده‌های بزرگتر در درجه اول برای از بین بردن رد اره و لایه‌های آسیب دیده ناشی از برش استفاده می‌کند و راندمان پردازش را بهبود می‌بخشد.
سنگ‌زنی ظریف: از ساینده‌های ظریف‌تر برای از بین بردن لایه آسیب‌دیده ناشی از سنگ‌زنی درشت، کاهش زبری سطح و افزایش کیفیت سطح استفاده می‌کند.
بسیاری از تولیدکنندگان داخلی زیرلایه SiC از فرآیندهای تولید در مقیاس بزرگ استفاده می‌کنند. یک روش رایج شامل سنگ‌زنی دو طرفه با استفاده از یک صفحه چدنی و دوغاب الماس تک‌بلوری است. این فرآیند به طور مؤثر لایه آسیب‌دیده باقیمانده از اره سیمی را حذف می‌کند، شکل ویفر را اصلاح می‌کند و TTV (تغییرات ضخامت کل)، کمانش و تاب‌خوردگی را کاهش می‌دهد. سرعت حذف مواد پایدار است و معمولاً به 0.8 تا 1.2 میکرومتر در دقیقه می‌رسد. با این حال، سطح ویفر حاصل مات با زبری نسبتاً بالا - معمولاً حدود 50 نانومتر - است که نیازهای بیشتری را برای مراحل بعدی پرداخت ایجاد می‌کند.
۲.۲ سنگ‌زنی یک‌طرفه
سنگ‌زنی یک‌طرفه، در هر زمان فقط یک طرف ویفر را پردازش می‌کند. در طول این فرآیند، ویفر با موم روی یک صفحه فولادی نصب می‌شود. تحت فشار اعمال شده، زیرلایه تغییر شکل جزئی پیدا می‌کند و سطح بالایی صاف می‌شود. پس از سنگ‌زنی، سطح پایینی تراز می‌شود. هنگامی که فشار برداشته می‌شود، سطح بالایی تمایل به بازیابی شکل اولیه خود دارد که این امر بر سطح پایینی که از قبل سنگ‌زنی شده نیز تأثیر می‌گذارد - و باعث می‌شود هر دو طرف تاب بردارند و از صافی خارج شوند.
علاوه بر این، صفحه سنگ‌زنی می‌تواند در مدت زمان کوتاهی مقعر شود و باعث محدب شدن ویفر شود. برای حفظ صافی صفحه، پرداخت مکرر لازم است. به دلیل راندمان پایین و صافی ضعیف ویفر، سنگ‌زنی یک طرفه برای تولید انبوه مناسب نیست.
معمولاً از چرخ‌های سنگ‌زنی شماره ۸۰۰۰ برای سنگ‌زنی ظریف استفاده می‌شود. در ژاپن، این فرآیند نسبتاً پیشرفته است و حتی از چرخ‌های پرداخت شماره ۳۰۰۰۰ نیز استفاده می‌شود. این امر باعث می‌شود زبری سطح ویفرهای پردازش‌شده به زیر ۲ نانومتر برسد و ویفرها را بدون پردازش اضافی برای CMP نهایی (پرداخت مکانیکی شیمیایی) آماده کند.
۲.۳ فناوری نازک‌سازی یک‌طرفه
فناوری نازک‌سازی تک‌طرفه الماس، روشی نوین برای سنگ‌زنی تک‌طرفه است. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است (در اینجا نشان داده نشده است)، این فرآیند از یک صفحه سنگ‌زنی متصل به الماس استفاده می‌کند. ویفر از طریق جذب خلاء ثابت می‌شود، در حالی که هم ویفر و هم چرخ سنگ‌زنی الماس به طور همزمان می‌چرخند. چرخ سنگ‌زنی به تدریج به سمت پایین حرکت می‌کند تا ویفر را تا ضخامت هدف نازک کند. پس از تکمیل یک طرف، ویفر برای پردازش طرف دیگر برگردانده می‌شود.
پس از نازک شدن، یک ویفر ۱۰۰ میلی‌متری می‌تواند به موارد زیر دست یابد:
کمان < 5 میکرومتر
TTV < 2 میکرومتر
زبری سطح < 1 نانومتر
این روش پردازش تک ویفر، پایداری بالا، ثبات عالی و نرخ بالای حذف مواد را ارائه می‌دهد. در مقایسه با سنگ‌زنی دوطرفه مرسوم، این تکنیک راندمان سنگ‌زنی را بیش از 50٪ بهبود می‌بخشد.
۲.۴ سنگ‌زنی دوطرفه
سنگ‌زنی دوطرفه از هر دو صفحه سنگ‌زنی بالایی و پایینی برای سنگ‌زنی همزمان هر دو طرف زیرلایه استفاده می‌کند و کیفیت سطح عالی را در هر دو طرف تضمین می‌کند.
در طول فرآیند، صفحات سنگ‌زنی ابتدا به بالاترین نقاط قطعه کار فشار وارد می‌کنند و باعث تغییر شکل و حذف تدریجی مواد در آن نقاط می‌شوند. با تراز شدن نقاط مرتفع، فشار روی زیرلایه به تدریج یکنواخت‌تر می‌شود و در نتیجه تغییر شکل مداوم در کل سطح ایجاد می‌شود. این امر باعث می‌شود که سطوح بالایی و پایینی به طور یکنواخت سنگ‌زنی شوند. پس از اتمام سنگ‌زنی و آزاد شدن فشار، هر قسمت از زیرلایه به دلیل فشار یکسانی که تجربه کرده است، به طور یکنواخت بهبود می‌یابد. این امر منجر به حداقل تاب برداشتن و صافی خوب می‌شود.
زبری سطح ویفر پس از سنگ‌زنی به اندازه ذرات ساینده بستگی دارد - ذرات کوچکتر سطوح صاف‌تری ایجاد می‌کنند. هنگام استفاده از ساینده‌های ۵ میکرومتری برای سنگ‌زنی دو طرفه، می‌توان صافی ویفر و تغییر ضخامت را در محدوده ۵ میکرومتر کنترل کرد. اندازه‌گیری‌های میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) زبری سطح (Rq) حدود ۱۰۰ نانومتر را نشان می‌دهد، با حفره‌های سنگ‌زنی تا عمق ۳۸۰ نانومتر و خطوط خطی قابل مشاهده ناشی از عمل سایش.
یک روش پیشرفته‌تر شامل سنگ‌زنی دو طرفه با استفاده از پدهای فوم پلی‌اورتان همراه با دوغاب الماس پلی‌کریستالی است. این فرآیند ویفرهایی با زبری سطح بسیار کم تولید می‌کند و به Ra < 3 nm می‌رسد که برای صیقل‌کاری بعدی زیرلایه‌های SiC بسیار مفید است.
با این حال، خراش سطحی همچنان یک مسئله حل نشده است. علاوه بر این، الماس پلی کریستالی مورد استفاده در این فرآیند از طریق سنتز انفجاری تولید می‌شود که از نظر فنی چالش برانگیز است، مقادیر کمی تولید می‌کند و بسیار گران است.
صیقل‌کاری تک بلورهای SiC
برای دستیابی به یک سطح صیقلی با کیفیت بالا روی ویفرهای کاربید سیلیکون (SiC)، صیقل دادن باید حفره‌های سنگ‌زنی و ناهمواری‌های سطحی در مقیاس نانومتر را به طور کامل از بین ببرد. هدف، تولید یک سطح صاف و بدون نقص، بدون آلودگی یا تخریب، بدون آسیب زیرسطحی و بدون تنش سطحی باقیمانده است.
۳.۱ پرداخت مکانیکی و CMP ویفرهای SiC
پس از رشد شمش تک بلور SiC، نقص‌های سطحی مانع از استفاده مستقیم آن برای رشد اپیتاکسیال می‌شوند. بنابراین، پردازش بیشتری مورد نیاز است. شمش ابتدا از طریق گرد کردن به شکل استوانه‌ای استاندارد شکل داده می‌شود، سپس با استفاده از برش سیمی به ویفرها برش داده می‌شود و پس از آن تأیید جهت‌گیری کریستالوگرافی انجام می‌شود. صیقل‌کاری یک گام حیاتی در بهبود کیفیت ویفر است و آسیب‌های سطحی بالقوه ناشی از نقص‌های رشد بلور و مراحل پردازش قبلی را برطرف می‌کند.
چهار روش اصلی برای از بین بردن لایه‌های آسیب سطحی روی SiC وجود دارد:
پولیش مکانیکی: ساده است اما خراش‌هایی به جا می‌گذارد؛ برای پولیش اولیه مناسب است.
پولیش مکانیکی شیمیایی (CMP): خراش‌ها را از طریق حکاکی شیمیایی از بین می‌برد؛ مناسب برای پولیش دقیق.
اچینگ هیدروژنی: به تجهیزات پیچیده‌ای نیاز دارد که معمولاً در فرآیندهای HTCVD استفاده می‌شود.
پرداخت به کمک پلاسما: پیچیده و به ندرت استفاده می‌شود.
پولیش مکانیکی معمولاً باعث ایجاد خراش می‌شود، در حالی که پولیش شیمیایی می‌تواند منجر به حکاکی ناهموار شود. CMP هر دو مزیت را با هم ترکیب می‌کند و یک راه حل کارآمد و مقرون به صرفه ارائه می‌دهد.
اصول کار CMP
CMP با چرخاندن ویفر تحت فشار تنظیم‌شده در برابر یک پد صیقل‌دهنده چرخان کار می‌کند. این حرکت نسبی، همراه با سایش مکانیکی ناشی از مواد ساینده نانومقیاس در دوغاب و واکنش شیمیایی عوامل واکنش‌دهنده، باعث مسطح شدن سطح می‌شود.
مواد کلیدی مورد استفاده:
دوغاب پولیش: حاوی مواد ساینده و معرف‌های شیمیایی است.
پد پولیش: در طول استفاده ساییده می‌شود و اندازه منافذ و راندمان انتقال دوغاب را کاهش می‌دهد. برای بازیابی زبری، پرداخت منظم، معمولاً با استفاده از یک پرداخت‌کننده الماس، مورد نیاز است.
فرآیند معمول CMP
ساینده: دوغاب الماس ۰.۵ میکرومتری
زبری سطح هدف: حدود ۰.۷ نانومتر
پرداخت مکانیکی شیمیایی:
تجهیزات پرداخت: دستگاه پرداخت یک طرفه AP-810
فشار: ۲۰۰ گرم بر سانتی‌متر مربع
سرعت صفحه: ۵۰ دور در دقیقه
سرعت نگهدارنده سرامیکی: 38 دور در دقیقه
ترکیب دوغاب:
SiO₂ (30 درصد وزنی، pH = 10.15)
۰-۷۰ درصد وزنی H₂O₂ (۳۰ درصد وزنی، درجه معرف)
با استفاده از 5 درصد وزنی KOH و 1 درصد وزنی HNO₃، pH را روی 8.5 تنظیم کنید.
سرعت جریان دوغاب: ۳ لیتر در دقیقه، گردش مجدد
این فرآیند به طور موثری کیفیت ویفر SiC را بهبود می‌بخشد و الزامات فرآیندهای پایین‌دستی را برآورده می‌کند.
چالش‌های فنی در پرداخت مکانیکی
SiC، به عنوان یک نیمه‌هادی با شکاف باند وسیع، نقش حیاتی در صنعت الکترونیک ایفا می‌کند. تک بلورهای SiC با خواص فیزیکی و شیمیایی عالی، برای محیط‌های سخت مانند دمای بالا، فرکانس بالا، توان بالا و مقاومت در برابر تابش مناسب هستند. با این حال، ماهیت سخت و شکننده آن چالش‌های عمده‌ای را برای سنگ‌زنی و صیقل‌کاری ایجاد می‌کند.
با گذار تولیدکنندگان پیشرو جهانی از ویفرهای 6 اینچی به 8 اینچی، مسائلی مانند ترک خوردن و آسیب ویفر در حین پردازش برجسته‌تر شده و به طور قابل توجهی بر بازده تأثیر می‌گذارد. پرداختن به چالش‌های فنی زیرلایه‌های SiC 8 اینچی اکنون یک معیار کلیدی برای پیشرفت صنعت است.
در عصر 8 اینچی، پردازش ویفر SiC با چالش‌های متعددی روبرو است:
مقیاس‌بندی ویفر برای افزایش خروجی تراشه در هر دسته، کاهش تلفات لبه و کاهش هزینه‌های تولید ضروری است - به خصوص با توجه به افزایش تقاضا در کاربردهای خودروهای الکتریکی.
در حالی که رشد تک بلورهای SiC با قطر ۸ اینچ به بلوغ رسیده است، فرآیندهای جانبی مانند سنگ‌زنی و صیقل‌کاری هنوز با مشکلاتی مواجه هستند که منجر به بازده پایین (فقط ۴۰ تا ۵۰ درصد) می‌شود.
ویفرهای بزرگتر توزیع فشار پیچیده‌تری را تجربه می‌کنند و مدیریت تنش پرداخت و ثبات بازده را دشوارتر می‌کنند.
اگرچه ضخامت ویفرهای ۸ اینچی به ویفرهای ۶ اینچی نزدیک می‌شود، اما به دلیل فشار و تاب برداشتن، در حین جابجایی بیشتر مستعد آسیب هستند.
برای کاهش تنش‌های مرتبط با برش، تاب برداشتن و ترک خوردن، برش لیزری به طور فزاینده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال:
لیزرهای با طول موج بلند باعث آسیب حرارتی می‌شوند.
لیزرهای با طول موج کوتاه، ضایعات سنگینی ایجاد می‌کنند و لایه آسیب‌دیده را عمیق‌تر می‌کنند و پیچیدگی پولیش را افزایش می‌دهند.
گردش کار پرداخت مکانیکی برای SiC
جریان کلی فرآیند شامل موارد زیر است:
برش جهت گیری
سنگ زنی درشت
سنگ زنی ریز
پولیش مکانیکی
پرداخت مکانیکی شیمیایی (CMP) به عنوان مرحله نهایی
انتخاب روش CMP، طراحی مسیر فرآیند و بهینه‌سازی پارامترها بسیار مهم هستند. در تولید نیمه‌هادی‌ها، CMP گام تعیین‌کننده‌ای برای تولید ویفرهای SiC با سطوح فوق‌العاده صاف، بدون نقص و بدون آسیب است که برای رشد اپیتاکسیال با کیفیت بالا ضروری هستند.
(الف) شمش SiC را از بوته خارج کنید.
(ب) شکل‌دهی اولیه را با استفاده از سنگ‌زنی قطر خارجی انجام دهید؛
(ج) جهت‌گیری کریستال را با استفاده از ترازبندی‌های مسطح یا شیاردار تعیین کنید؛
(د) شمش را با استفاده از اره چند سیمه به ویفرهای نازک برش دهید.
(ه) از طریق مراحل سنگ‌زنی و صیقل‌کاری، به صافی سطح آینه‌ای برسید.
پس از تکمیل سری مراحل پردازش، لبه بیرونی ویفر SiC اغلب تیز می‌شود که خطر لب‌پریدگی در حین جابجایی یا استفاده را افزایش می‌دهد. برای جلوگیری از چنین شکنندگی، سنگ‌زنی لبه لازم است.
علاوه بر فرآیندهای برش سنتی، یک روش نوآورانه برای تهیه ویفرهای SiC شامل فناوری پیوند است. این رویکرد با پیوند دادن یک لایه تک بلوری نازک SiC به یک زیرلایه ناهمگن (زیرلایه پشتیبان) امکان ساخت ویفر را فراهم می‌کند.
شکل ۳ جریان فرآیند را نشان می‌دهد:
ابتدا، یک لایه لایه‌لایه در عمق مشخصی روی سطح تک بلور SiC از طریق کاشت یون هیدروژن یا تکنیک‌های مشابه تشکیل می‌شود. سپس تک بلور SiC پردازش‌شده به یک زیرلایه صاف متصل شده و تحت فشار و گرما قرار می‌گیرد. این امر امکان انتقال و جداسازی موفقیت‌آمیز لایه تک بلور SiC را بر روی زیرلایه فراهم می‌کند.
لایه SiC جدا شده تحت عملیات سطحی قرار می‌گیرد تا به صافی مورد نیاز برسد و می‌تواند در فرآیندهای اتصال بعدی مورد استفاده مجدد قرار گیرد. در مقایسه با برش سنتی بلورهای SiC، این تکنیک تقاضا برای مواد گران‌قیمت را کاهش می‌دهد. اگرچه چالش‌های فنی همچنان پابرجاست، اما تحقیق و توسعه به طور فعال در حال پیشرفت است تا تولید ویفر با هزینه کمتر امکان‌پذیر شود.
با توجه به سختی بالا و پایداری شیمیایی SiC - که آن را در برابر واکنش‌ها در دمای اتاق مقاوم می‌کند - برای حذف حفره‌های ریز ناشی از سنگ‌زنی، کاهش آسیب سطحی، از بین بردن خراش‌ها، حفره‌ها و عیوب پوست پرتقالی، کاهش زبری سطح، بهبود صافی و افزایش کیفیت سطح، به پرداخت مکانیکی نیاز است.
برای دستیابی به یک سطح صیقلی با کیفیت بالا، لازم است:
تنظیم انواع ساینده،
کاهش اندازه ذرات،
بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند،
مواد و پدهای صیقل‌دهنده با سختی کافی انتخاب کنید.
شکل 7 نشان می‌دهد که پرداخت دو طرفه با مواد ساینده 1 میکرومتری می‌تواند صافی و تغییر ضخامت را در محدوده 10 میکرومتر کنترل کند و زبری سطح را تا حدود 0.25 نانومتر کاهش دهد.
۳.۲ پرداخت مکانیکی شیمیایی (CMP)
پرداخت مکانیکی شیمیایی (CMP) سایش ذرات بسیار ریز را با حکاکی شیمیایی ترکیب می‌کند تا یک سطح صاف و مسطح روی ماده در حال پردازش تشکیل دهد. اصل اساسی این است:
یک واکنش شیمیایی بین دوغاب پولیش و سطح ویفر رخ می‌دهد و یک لایه نرم تشکیل می‌دهد.
اصطکاک بین ذرات ساینده و لایه نرم، ماده را از بین می‌برد.
مزایای CMP:
بر معایب پولیش صرفاً مکانیکی یا شیمیایی غلبه می‌کند،
به هر دو حالت مسطح‌سازی سراسری و محلی دست می‌یابد،
سطوحی با صافی بالا و زبری کم تولید می‌کند،
هیچ گونه آسیب سطحی یا زیرسطحی باقی نمی گذارد.
با جزئیات:
ویفر تحت فشار نسبت به پد پولیش حرکت می‌کند.
مواد ساینده در مقیاس نانومتر (مثلاً SiO₂) موجود در دوغاب، در برش، تضعیف پیوندهای کووالانسی Si-C و افزایش حذف مواد نقش دارند.
انواع تکنیک‌های CMP:
پرداخت بدون ساینده: ساینده‌ها (مثلاً SiO₂) در دوغاب معلق هستند. حذف مواد از طریق سایش سه‌گانه (ویفر-پد-ساینده) انجام می‌شود. اندازه ساینده (معمولاً 60 تا 200 نانومتر)، pH و دما باید دقیقاً کنترل شوند تا یکنواختی بهبود یابد.
پولیش سایشی ثابت: مواد ساینده در پد پولیش جاسازی شده‌اند تا از تجمع ذرات جلوگیری کنند - ایده‌آل برای پردازش با دقت بالا.
تمیز کردن پس از پولیش:
ویفرهای صیقل داده شده تحت شرایط زیر قرار می‌گیرند:
تمیزکاری شیمیایی (شامل حذف آب دیونیزه و دوغاب باقیمانده)
آبکشی با آب دیونیزه، و
خشک کردن با نیتروژن داغ
برای به حداقل رساندن آلودگی‌های سطحی
کیفیت و عملکرد سطح
زبری سطح را می‌توان به Ra < 0.3 نانومتر کاهش داد و الزامات اپیتاکسی نیمه‌هادی را برآورده کرد.
مسطح‌سازی سراسری: ترکیب نرم‌سازی شیمیایی و حذف مکانیکی، خراش‌ها و حکاکی‌های ناهموار را کاهش می‌دهد و از روش‌های مکانیکی یا شیمیایی محض بهتر عمل می‌کند.
راندمان بالا: مناسب برای مواد سخت و شکننده مانند SiC، با نرخ حذف مواد بالای 200 نانومتر در ساعت.
سایر تکنیک‌های نوظهور پولیش
علاوه بر CMP، روش‌های جایگزینی نیز پیشنهاد شده‌اند، از جمله:
پولیش الکتروشیمیایی، پولیش یا اچینگ با کمک کاتالیزور، و
پولیش تریبوشیمیایی.
با این حال، این روش‌ها هنوز در مرحله تحقیق هستند و به دلیل خواص چالش‌برانگیز SiC، به آرامی توسعه یافته‌اند.
در نهایت، پردازش SiC یک فرآیند تدریجی برای کاهش تاب برداشتن و زبری به منظور بهبود کیفیت سطح است، که در آن کنترل صافی و زبری در هر مرحله بسیار مهم است.
فناوری پردازش
در مرحله سنگ‌زنی ویفر، از دوغاب الماس با اندازه ذرات مختلف برای سنگ‌زنی ویفر تا رسیدن به صافی و زبری سطح مورد نیاز استفاده می‌شود. پس از آن، با استفاده از تکنیک‌های پرداخت مکانیکی و شیمیایی مکانیکی (CMP) برای تولید ویفرهای کاربید سیلیکون (SiC) صیقل داده شده بدون آسیب، صیقل داده می‌شود.
پس از پولیش، ویفرهای SiC تحت بازرسی کیفی دقیقی با استفاده از ابزارهایی مانند میکروسکوپ نوری و پراش‌سنج اشعه ایکس قرار می‌گیرند تا اطمینان حاصل شود که تمام پارامترهای فنی مطابق با استانداردهای مورد نیاز هستند. در نهایت، ویفرهای پولیش شده با استفاده از مواد تمیزکننده تخصصی و آب فوق خالص برای از بین بردن آلودگی‌های سطحی تمیز می‌شوند. سپس با استفاده از گاز نیتروژن با خلوص فوق العاده بالا و خشک‌کن‌های چرخشی خشک می‌شوند و کل فرآیند تولید تکمیل می‌شود.
پس از سال‌ها تلاش، پیشرفت قابل توجهی در پردازش تک بلور SiC در داخل چین حاصل شده است. در داخل کشور، تک بلورهای 4H-SiC نیمه عایق آلاییده شده با قطر 100 میلی‌متر با موفقیت توسعه یافته‌اند و اکنون می‌توان تک بلورهای 4H-SiC نوع n و 6H-SiC را به صورت دسته‌ای تولید کرد. شرکت‌هایی مانند TankeBlue و TYST قبلاً تک بلورهای SiC با قطر 150 میلی‌متر را توسعه داده‌اند.
از نظر فناوری پردازش ویفر SiC، مؤسسات داخلی به طور مقدماتی شرایط و مسیرهای فرآیند برش، سنگ‌زنی و صیقل‌دهی کریستال را بررسی کرده‌اند. آنها قادر به تولید نمونه‌هایی هستند که اساساً الزامات ساخت دستگاه را برآورده می‌کنند. با این حال، در مقایسه با استانداردهای بین‌المللی، کیفیت پردازش سطح ویفرهای داخلی هنوز به طور قابل توجهی عقب مانده است. چندین مسئله وجود دارد:
نظریه‌ها و فناوری‌های پردازش SiC بین‌المللی به شدت محافظت می‌شوند و به راحتی قابل دسترسی نیستند.
کمبود تحقیقات نظری و پشتیبانی برای بهبود و بهینه‌سازی فرآیند وجود دارد.
هزینه واردات تجهیزات و قطعات خارجی بالاست.
تحقیقات داخلی در زمینه طراحی تجهیزات، دقت پردازش و مواد هنوز شکاف‌های قابل توجهی را در مقایسه با سطوح بین‌المللی نشان می‌دهد.
در حال حاضر، بیشتر ابزارهای دقیق مورد استفاده در چین وارداتی هستند. تجهیزات و روش‌های آزمایش نیز نیاز به بهبود بیشتری دارند.
با توسعه مداوم نیمه‌هادی‌های نسل سوم، قطر زیرلایه‌های تک کریستالی SiC به طور پیوسته در حال افزایش است، همراه با الزامات بالاتر برای کیفیت پردازش سطح. فناوری پردازش ویفر پس از رشد تک کریستالی SiC به یکی از چالش برانگیزترین مراحل فنی تبدیل شده است.
برای پرداختن به چالش‌های موجود در پردازش، مطالعه بیشتر مکانیسم‌های مربوط به برش، سنگ‌زنی و صیقل‌کاری و بررسی روش‌ها و مسیرهای مناسب فرآیند برای تولید ویفر SiC ضروری است. در عین حال، یادگیری از فناوری‌های پیشرفته پردازش بین‌المللی و اتخاذ تکنیک‌ها و تجهیزات ماشینکاری فوق دقیق پیشرفته برای تولید زیرلایه‌های با کیفیت بالا ضروری است.
با افزایش اندازه ویفر، دشواری رشد و پردازش کریستال نیز افزایش می‌یابد. با این حال، راندمان تولید دستگاه‌های پایین‌دستی به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد و هزینه واحد کاهش می‌یابد. در حال حاضر، تأمین‌کنندگان اصلی ویفر SiC در سطح جهان محصولاتی با قطر 4 تا 6 اینچ ارائه می‌دهند. شرکت‌های پیشرو مانند Cree و II-VI از قبل برنامه‌ریزی برای توسعه خطوط تولید ویفر SiC 8 اینچی را آغاز کرده‌اند.
زمان ارسال: ۲۳ مه ۲۰۲۵