P: Quines són les principals tecnologies utilitzades en el tall i processament de làmines de SiC?
A:carbur de silici El SiC té una duresa només superada pel diamant i es considera un material molt dur i fràgil. El procés de tall, que consisteix a tallar els cristalls crescuts en làmines primes, requereix molt de temps i és propens a esquerdar-se. Com a primer pas enSiCEn el processament de monocristalls, la qualitat del tall influeix significativament en la mòlta, el poliment i l'aprimament posteriors. El tall sovint introdueix esquerdes superficials i subsuperficials, cosa que augmenta les taxes de trencament de les oblies i els costos de producció. Per tant, controlar els danys per esquerdes superficials durant el tall és crucial per avançar en la fabricació de dispositius de SiC.
Els mètodes de tall de SiC actualment reportats inclouen el tall amb abrasiu fix, el tall amb abrasiu lliure, el tall per làser, la transferència de capes (separació en fred) i el tall per descàrrega elèctrica. Entre aquests, el tall alternatiu de diversos fils amb abrasius de diamant fixos és el mètode més utilitzat per processar monocristalls de SiC. Tanmateix, a mesura que les mides dels lingots arriben a les 8 polzades i més, el serrat amb fil tradicional esdevé menys pràctic a causa de les elevades demandes d'equips, els costos i la baixa eficiència. Hi ha una necessitat urgent de tecnologies de tall de baix cost, baixes pèrdues i alta eficiència.
P: Quins són els avantatges del tall làser respecte al tall tradicional de diversos fils?
A: La serra de filferro tradicional talla ellingot de SiCal llarg d'una direcció específica en llesques de diversos centenars de micres de gruix. Les llesques es molen amb suspensions de diamant per eliminar marques de serra i danys subsuperficials, seguit d'un polit químic-mecànic (CMP) per aconseguir una planarització global i, finalment, es netegen per obtenir oblies de SiC.
Tanmateix, a causa de l'alta duresa i fragilitat del SiC, aquests passos poden causar fàcilment deformacions, esquerdes, un augment de les taxes de trencament, costos de producció més elevats i provocar una rugositat superficial i contaminació elevada (pols, aigües residuals, etc.). A més, el serrat amb filferro és lent i té un rendiment baix. Les estimacions mostren que el tall tradicional de diversos filferros només aconsegueix un aprofitament del material del 50%, i es perd fins a un 75% del material després del poliment i la mòlta. Les primeres dades de producció estrangera indicaven que es podrien necessitar aproximadament 273 dies de producció contínua de 24 hores per produir 10.000 oblies, cosa que requereix molt de temps.
A nivell nacional, moltes empreses de creixement de cristalls de SiC se centren en augmentar la capacitat del forn. Tanmateix, en comptes de simplement ampliar la producció, és més important considerar com reduir les pèrdues, especialment quan els rendiments de creixement de cristalls encara no són òptims.
Els equips de tall làser poden reduir significativament la pèrdua de material i millorar el rendiment. Per exemple, utilitzant un sol tall de 20 mmlingot de SiCEl serrat amb filferro pot produir unes 30 oblies de 350 μm de gruix. El tall amb làser pot produir més de 50 oblies. Si el gruix de l'oblia es redueix a 200 μm, es poden produir més de 80 oblies del mateix lingot. Mentre que el serrat amb filferro s'utilitza àmpliament per a oblies de 6 polzades o més petites, el tall d'un lingot de SiC de 8 polzades pot trigar entre 10 i 15 dies amb els mètodes tradicionals, cosa que requereix equips d'alta gamma i comporta costos elevats amb baixa eficiència. En aquestes condicions, els avantatges del tall amb làser es fan evidents, convertint-lo en la tecnologia futura principal per a oblies de 8 polzades.
Amb el tall per làser, el temps de tall per oblia de 8 polzades pot ser inferior a 20 minuts, amb una pèrdua de material per oblia inferior a 60 μm.
En resum, en comparació amb el tall amb diversos fils, el tall amb làser ofereix una velocitat més alta, un millor rendiment, una menor pèrdua de material i un processament més net.
P: Quins són els principals reptes tècnics del tall làser de SiC?
A: El procés de tall per làser implica dos passos principals: la modificació amb làser i la separació de les oblies.
El nucli de la modificació làser és la conformació del feix i l'optimització dels paràmetres. Paràmetres com la potència del làser, el diàmetre del punt i la velocitat d'escaneig afecten la qualitat de l'ablació del material i l'èxit de la posterior separació de les oblies. La geometria de la zona modificada determina la rugositat de la superfície i la dificultat de la separació. Una rugositat superficial elevada complica la mòlta posterior i augmenta la pèrdua de material.
Després de la modificació, la separació de les oblies s'aconsegueix normalment mitjançant forces de cisallament, com ara fractures en fred o tensions mecàniques. Alguns sistemes domèstics utilitzen transductors ultrasònics per induir vibracions per a la separació, però això pot causar estelladura i defectes a les vores, cosa que redueix el rendiment final.
Tot i que aquests dos passos no són inherentment difícils, les inconsistències en la qualitat del cristall —a causa dels diferents processos de creixement, nivells de dopatge i distribucions d'estrès intern— afecten significativament la dificultat del tall, el rendiment i la pèrdua de material. La simple identificació de les zones problemàtiques i l'ajust de les zones d'escaneig làser poden no millorar substancialment els resultats.
La clau per a una adopció generalitzada rau en el desenvolupament de mètodes i equips innovadors que puguin adaptar-se a una àmplia gamma de qualitats cristal·lines de diversos fabricants, optimitzant els paràmetres del procés i construint sistemes de tall làser amb aplicabilitat universal.
P: Es pot aplicar la tecnologia de tall làser a altres materials semiconductors a més del SiC?
A: La tecnologia de tall per làser s'ha aplicat històricament a una àmplia gamma de materials. En els semiconductors, inicialment es va utilitzar per al tall de làmines i des de llavors s'ha expandit al tall de monocristalls grans.
A més del SiC, el tall làser també es pot utilitzar per a altres materials durs o fràgils com el diamant, el nitrur de gal·li (GaN) i l'òxid de gal·li (Ga₂O₃). Estudis preliminars sobre aquests materials han demostrat la viabilitat i els avantatges del tall làser per a aplicacions de semiconductors.
P: Hi ha actualment productes nacionals madurs d'equips de tall làser? En quina fase es troba la vostra recerca?
A: Els equips de tall làser de SiC de gran diàmetre es consideren àmpliament com a equips bàsics per al futur de la producció de làmines de SiC de 8 polzades. Actualment, només el Japó pot proporcionar aquests sistemes, i són cars i estan subjectes a restriccions d'exportació.
Es calcula que la demanda nacional de sistemes de tall/aprimament amb làser és d'unes 1.000 unitats, basant-se en els plans de producció de SiC i la capacitat existent de serres de filferro. Les principals empreses nacionals han invertit molt en el desenvolupament, però encara no s'ha implementat industrialment cap equip nacional madur i disponible comercialment.
Els grups de recerca han estat desenvolupant tecnologia patentada d'aixecament làser des del 2001 i ara l'han ampliat al tall i aprimament làser de SiC de gran diàmetre. Han desenvolupat un sistema prototip i processos de tall capaços de: Tallar i aprimar oblies de SiC semiaïllants de 4 a 6 polzades Tallar lingots de SiC conductors de 6 a 8 polzades Punts de referència de rendiment: SiC semiaïllant de 6 a 8 polzades: temps de tall de 10 a 15 minuts/oblia; pèrdua de material <30 μm SiC conductor de 6 a 8 polzades: temps de tall de 14 a 20 minuts/oblia; pèrdua de material <60 μm
El rendiment estimat de les oblies va augmentar més d'un 50%
Després del tall, les oblies compleixen els estàndards nacionals de geometria després de la mòlta i el poliment. Els estudis també mostren que els efectes tèrmics induïts pel làser no afecten significativament l'estrès ni la geometria de les oblies.
El mateix equipament també s'ha utilitzat per verificar la viabilitat del tall de monocristalls de diamant, GaN i Ga₂O₃.
Data de publicació: 23 de maig de 2025