Com a material de substrat semiconductor de tercera generació,carbur de silici (SiC)El monocristall té àmplies perspectives d'aplicació en la fabricació de dispositius electrònics d'alta freqüència i alta potència. La tecnologia de processament de SiC juga un paper decisiu en la producció de materials de substrat d'alta qualitat. Aquest article presenta l'estat actual de la recerca sobre les tecnologies de processament de SiC tant a la Xina com a l'estranger, analitzant i comparant els mecanismes dels processos de tall, mòlta i polit, així com les tendències en la planitud i la rugositat superficial de les oblies. També assenyala els reptes existents en el processament d'oblies de SiC i discuteix les futures direccions de desenvolupament.
Carbur de silici (SiC)Les oblies són materials fonamentals crítics per als dispositius semiconductors de tercera generació i tenen una importància i un potencial de mercat significatius en camps com la microelectrònica, l'electrònica de potència i la il·luminació de semiconductors. A causa de la duresa extremadament alta i l'estabilitat química demonocristalls de SiC, els mètodes tradicionals de processament de semiconductors no són del tot adequats per al seu mecanitzat. Tot i que moltes empreses internacionals han dut a terme una àmplia investigació sobre el processament tècnicament exigent de monocristalls de SiC, les tecnologies rellevants es mantenen estrictament confidencials.
En els darrers anys, la Xina ha augmentat els esforços en el desenvolupament de materials i dispositius de monocristall de SiC. Tanmateix, l'avanç de la tecnologia de dispositius de SiC al país es veu actualment limitat per les limitacions en les tecnologies de processament i la qualitat de les oblies. Per tant, és essencial que la Xina millori les capacitats de processament de SiC per millorar la qualitat dels substrats de monocristall de SiC i aconseguir la seva aplicació pràctica i la producció en massa.
Els principals passos de processament inclouen: tall → mòlta gruixuda → mòlta fina → polit gruixut (polit mecànic) → polit fi (polit químic-mecànic, CMP) → inspecció.
| Pas | Processament de galeta de SiC | Processament tradicional de materials monocristallins semiconductors |
| Tall | Utilitza tecnologia de serra multifilar per tallar lingots de SiC en oblies primes | Normalment utilitza tècniques de tall de fulla de diàmetre interior o exterior |
| Mòlta | Dividit en mòlta gruixuda i fina per eliminar marques de serra i capes de danys causades pel tall | Els mètodes de mòlta poden variar, però l'objectiu és el mateix |
| Poliment | Inclou poliment rugós i d'ultraprecisió mitjançant poliment mecànic i químic-mecànic (CMP) | Normalment inclou el poliment químic-mecànic (CMP), tot i que els passos específics poden variar |
Tall de monocristalls de SiC
En el processament demonocristalls de SiC, el tall és el primer pas i un pas molt crític. L'arc, la deformació i la variació del gruix total (TTV) de la oblia resultants del procés de tall determinen la qualitat i l'eficàcia de les operacions posteriors de mòlta i polit.
Les eines de tall es poden classificar segons la forma en serres de diàmetre interior (DI) de diamant, serres de diàmetre exterior (OD), serres de cinta i serres de filferro. Les serres de filferro, al seu torn, es poden classificar segons el seu tipus de moviment en sistemes de filferro alternatius i de bucle (sense fi). Segons el mecanisme de tall de l'abrasiu, les tècniques de tall amb serra de filferro es poden dividir en dos tipus: serrat amb filferro abrasiu lliure i serrat amb filferro diamantat abrasiu fix.
1.1 Mètodes de tall tradicionals
La profunditat de tall de les serres de diàmetre exterior (OD) està limitada pel diàmetre de la fulla. Durant el procés de tall, la fulla és propensa a vibracions i desviacions, cosa que resulta en alts nivells de soroll i poca rigidesa. Les serres de diàmetre interior (ID) utilitzen abrasius de diamant a la circumferència interior de la fulla com a vora de tall. Aquestes fulles poden ser tan primes com 0,2 mm. Durant el tall, la fulla ID gira a alta velocitat mentre el material a tallar es mou radialment respecte al centre de la fulla, aconseguint el tall mitjançant aquest moviment relatiu.
Les serres de cinta de diamant requereixen parades i inversions freqüents, i la velocitat de tall és molt baixa, normalment no supera els 2 m/s. També pateixen un desgast mecànic important i uns costos de manteniment elevats. A causa de l'amplada de la fulla de la serra, el radi de tall no pot ser massa petit i no és possible el tall de múltiples talls. Aquestes eines de serra tradicionals estan limitades per la rigidesa de la base i no poden fer talls corbs ni tenen radis de gir restringits. Només són capaces de fer talls rectes, produeixen talls amples, tenen un baix rendiment i, per tant, no són adequades per tallar.cristalls de SiC.
1.2 Serra de fil abrasiu lliure Tall multifil
La tècnica de tall amb serra de filferro abrasiu lliure utilitza el moviment ràpid del filferro per transportar la pasta a la ranura, permetent l'eliminació de material. Principalment utilitza una estructura alternativa i actualment és un mètode madur i àmpliament utilitzat per al tall eficient de múltiples oblies de silici monocristall. Tanmateix, la seva aplicació en el tall de SiC s'ha estudiat menys àmpliament.
Les serres de filferro abrasives lliures poden processar oblies amb gruixos inferiors a 300 μm. Ofereixen pèrdues de tall baixes, rarament causen estellat i donen com a resultat una qualitat superficial relativament bona. Tanmateix, a causa del mecanisme d'eliminació de material, basat en el rodament i la indentació dels abrasius, la superfície de l'oblia tendeix a desenvolupar tensions residuals significatives, microesquerdes i capes de danys més profundes. Això provoca deformacions de l'oblia, dificulta el control de la precisió del perfil superficial i augmenta la càrrega en els passos de processament posteriors.
El rendiment de tall està molt influenciat per la pasta; cal mantenir la nitidesa dels abrasius i la concentració de la pasta. El tractament i el reciclatge de la pasta són costosos. Quan es tallen lingots de grans dimensions, els abrasius tenen dificultats per penetrar en talls profunds i llargs. Amb la mateixa mida de gra abrasiu, la pèrdua de tall és més gran que la de les serres de filferro abrasives fixes.
1.3 Serra de filferro de diamant abrasiu fix Tall multifilar
Les serres de fil de diamant abrasiu fix es fabriquen normalment incrustant partícules de diamant en un substrat de fil d'acer mitjançant mètodes de galvanoplàstia, sinterització o unió amb resina. Les serres de fil de diamant electrodepositades ofereixen avantatges com ara talls més estrets, millor qualitat de tall, major eficiència, menor contaminació i la capacitat de tallar materials d'alta duresa.
La serra de filferro de diamant electrodepositat alternatiu és actualment el mètode més utilitzat per tallar SiC. La figura 1 (no mostrada aquí) il·lustra la planitud superficial de les oblies de SiC tallades amb aquesta tècnica. A mesura que el tall avança, la deformació de l'oblia augmenta. Això es deu al fet que l'àrea de contacte entre el filferro i el material augmenta a mesura que el filferro es mou cap avall, augmentant la resistència i la vibració del filferro. Quan el filferro arriba al diàmetre màxim de l'oblia, la vibració arriba al seu punt màxim, donant lloc a una deformació màxima.
En les etapes posteriors del tall, a causa de l'acceleració, el moviment a velocitat estable, la desacceleració, l'aturada i la inversió del filferro, juntament amb les dificultats per eliminar les restes amb el refrigerant, la qualitat superficial de l'oblea es deteriora. La inversió del filferro i les fluctuacions de velocitat, així com les grans partícules de diamant al filferro, són les principals causes de les ratllades superficials.
1.4 Tecnologia de separació en fred
La separació en fred de monocristalls de SiC és un procés innovador en el camp del processament de materials semiconductors de tercera generació. En els darrers anys, ha atret una atenció significativa a causa dels seus notables avantatges en la millora del rendiment i la reducció de la pèrdua de material. La tecnologia es pot analitzar des de tres aspectes: el principi de funcionament, el flux del procés i els avantatges principals.
Determinació de l'orientació del cristall i mòlta del diàmetre exterior: Abans del processament, cal determinar l'orientació del cristall del lingot de SiC. A continuació, es modela el lingot en una estructura cilíndrica (comunament anomenada disc de SiC) mitjançant la mòlta del diàmetre exterior. Aquest pas estableix les bases per al posterior tall i llescat direccional.
Tall amb diversos fils: aquest mètode utilitza partícules abrasives combinades amb fils de tall per tallar el lingot cilíndric. Tanmateix, pateix pèrdues importants de tall i problemes d'irregularitat superficial.
Tecnologia de tall per làser: S'utilitza un làser per formar una capa modificada dins del cristall, de la qual es poden separar llesques primes. Aquest enfocament redueix la pèrdua de material i millora l'eficiència del processament, convertint-lo en una nova direcció prometedora per al tall de làmines de SiC.
Optimització del procés de tall
Tall multifil amb abrasiu fix: aquesta és actualment la tecnologia principal, molt adequada per a les característiques d'alta duresa del SiC.
Mecanitzat per descàrrega elèctrica (EDM) i tecnologia de separació en fred: aquests mètodes proporcionen solucions diversificades adaptades a requisits específics.
Procés de poliment: És essencial per equilibrar la velocitat d'eliminació de material i el dany superficial. El poliment químic-mecànic (CMP) s'utilitza per millorar la uniformitat de la superfície.
Monitorització en temps real: S'introdueixen tecnologies d'inspecció en línia per controlar la rugositat de la superfície en temps real.
Tall per làser: aquesta tècnica redueix la pèrdua de tall i escurça els cicles de processament, tot i que la zona afectada tèrmicament continua sent un repte.
Tecnologies de processament híbrides: la combinació de mètodes mecànics i químics millora l'eficiència del processament.
Aquesta tecnologia ja ha aconseguit una aplicació industrial. Infineon, per exemple, va adquirir SILTECTRA i ara té patents bàsiques que donen suport a la producció en massa d'oblies de 8 polzades. A la Xina, empreses com Delong Laser han aconseguit una eficiència de producció de 30 oblies per lingot per al processament d'oblies de 6 polzades, cosa que representa una millora del 40% respecte als mètodes tradicionals.
A mesura que la fabricació d'equips domèstics s'accelera, s'espera que aquesta tecnologia esdevingui la solució principal per al processament de substrats de SiC. Amb l'augment del diàmetre dels materials semiconductors, els mètodes de tall tradicionals s'han tornat obsolets. Entre les opcions actuals, la tecnologia de serra de fil de diamant recíproc mostra les perspectives d'aplicació més prometedores. El tall per làser, com a tècnica emergent, ofereix avantatges significatius i es preveu que esdevingui el principal mètode de tall en el futur.
2.Mòlta de monocristall de SiC
Com a representant dels semiconductors de tercera generació, el carbur de silici (SiC) ofereix avantatges significatius a causa del seu ampli interval de banda, l'alt camp elèctric de ruptura, l'alta velocitat de deriva d'electrons de saturació i l'excel·lent conductivitat tèrmica. Aquestes propietats fan que el SiC sigui particularment avantatjós en aplicacions d'alt voltatge (per exemple, entorns de 1200 V). La tecnologia de processament per a substrats de SiC és una part fonamental de la fabricació de dispositius. La qualitat de la superfície i la precisió del substrat afecten directament la qualitat de la capa epitaxial i el rendiment del dispositiu final.
L'objectiu principal del procés de mòlta és eliminar les marques de la serra superficial i les capes de danys causades durant el tall, i corregir la deformació induïda pel procés de tall. Donat l'extremadament alta duresa del SiC, la mòlta requereix l'ús d'abrasius durs com el carbur de bor o el diamant. La mòlta convencional es divideix normalment en mòlta gruixuda i mòlta fina.
2.1 Mòlta gruixuda i fina
La mòlta es pot classificar segons la mida de les partícules abrasives:
Mòlta gruixuda: utilitza abrasius més grans principalment per eliminar marques de serra i capes de danys causades durant el tall, millorant l'eficiència del processament.
Mòlta fina: utilitza abrasius més fins per eliminar la capa de danys deixada per la mòlta gruixuda, reduir la rugositat de la superfície i millorar la qualitat de la superfície.
Molts fabricants nacionals de substrats de SiC utilitzen processos de producció a gran escala. Un mètode comú implica el mòlt a doble cara utilitzant una placa de ferro colat i una pasta de diamant monocristal·lí. Aquest procés elimina eficaçment la capa de danys deixada pel serrat amb filferro, corregeix la forma de la oblia i redueix la TTV (variació de gruix total), la corba i la deformació. La velocitat d'eliminació de material és estable, normalment arribant a 0,8-1,2 μm/min. Tanmateix, la superfície de l'oblia resultant és mat amb una rugositat relativament alta, normalment al voltant de 50 nm, cosa que imposa demandes més elevades en els passos de polit posteriors.
2.2 Rectificat d'una sola cara
El polit d'una sola cara processa només una cara de l'oblia alhora. Durant aquest procés, l'oblia es munta amb cera sobre una placa d'acer. Sota la pressió aplicada, el substrat pateix una lleugera deformació i la superfície superior s'aplana. Després del polit, la superfície inferior s'anivella. Quan es retira la pressió, la superfície superior tendeix a recuperar la seva forma original, cosa que també afecta la superfície inferior ja polida, fent que ambdues cares es deformin i es degradin en planitud.
A més, la placa de mòlta pot tornar-se còncava en poc temps, fent que l'oblia es torni convexa. Per mantenir la planitud de la placa, cal un polit freqüent. A causa de la baixa eficiència i la poca planitud de l'oblia, la mòlta d'una sola cara no és adequada per a la producció en massa.
Normalment, les moles de mòlta #8000 s'utilitzen per al mòlt fi. Al Japó, aquest procés és relativament madur i fins i tot utilitza moles de polit #30000. Això permet que la rugositat superficial de les oblies processades arribi a menys de 2 nm, deixant les oblies a punt per al CMP (polit químic-mecànic) final sense processament addicional.
2.3 Tecnologia d'aprimament d'una sola cara
La tecnologia d'aprimament de diamants a una sola cara és un mètode innovador de mòlta d'una sola cara. Com s'il·lustra a la Figura 5 (no mostrada aquí), el procés utilitza una placa de mòlta unida amb diamant. L'oblia es fixa mitjançant adsorció al buit, mentre que tant l'oblia com la mola de diamant giren simultàniament. La mola es mou gradualment cap avall per aprimar l'oblia fins a un gruix objectiu. Un cop finalitzada una cara, l'oblia es gira per processar l'altra cara.
Després de l'aprimament, una oblia de 100 mm pot aconseguir:
Arc < 5 μm
TTV < 2 μm
Rugositat superficial < 1 nm
Aquest mètode de processament d'una sola oblia ofereix una alta estabilitat, una excel·lent consistència i una alta taxa d'eliminació de material. En comparació amb la mòlta convencional de doble cara, aquesta tècnica millora l'eficiència de la mòlta en més d'un 50%.
2.4 Rectificat de doble cara
El rectificat a doble cara utilitza una placa de rectificat superior i una inferior per rectificar simultàniament les dues cares del substrat, garantint una qualitat superficial excel·lent en ambdues cares.
Durant el procés, les plaques de mòlta primer apliquen pressió als punts més alts de la peça, provocant una deformació i una eliminació gradual de material en aquests punts. A mesura que els punts alts s'anivellen, la pressió sobre el substrat es torna gradualment més uniforme, donant lloc a una deformació consistent a tota la superfície. Això permet que tant la superfície superior com la inferior es mòltin uniformement. Un cop finalitzada la mòlta i alliberada la pressió, cada part del substrat es recupera uniformement a causa de la mateixa pressió que ha experimentat. Això condueix a una deformació mínima i a una bona planitud.
La rugositat superficial de l'oblia després de la mòlta depèn de la mida de les partícules abrasives: les partícules més petites donen lloc a superfícies més llises. Quan s'utilitzen abrasius de 5 μm per a la mòlta de doble cara, la planitud i la variació del gruix de l'oblia es poden controlar amb un marge de 5 μm. Les mesures de microscòpia de força atòmica (AFM) mostren una rugositat superficial (Rq) d'uns 100 nm, amb forats de mòlta de fins a 380 nm de profunditat i marques lineals visibles causades per l'acció abrasiva.
Un mètode més avançat implica el poliment a doble cara utilitzant coixinets d'escuma de poliuretà combinats amb una pasta de diamant policristal·lí. Aquest procés produeix oblies amb una rugositat superficial molt baixa, aconseguint Ra < 3 nm, cosa que és molt beneficiosa per al poliment posterior dels substrats de SiC.
No obstant això, el ratllat superficial continua sent un problema sense resoldre. A més, el diamant policristal·lí utilitzat en aquest procés es produeix mitjançant síntesi explosiva, cosa que és tècnicament difícil, produeix petites quantitats i és extremadament cara.
Poliment de monocristalls de SiC
Per aconseguir una superfície polida d'alta qualitat en oblies de carbur de silici (SiC), el poliment ha d'eliminar completament els forats de mòlta i les ondulacions superficials a escala nanomètrica. L'objectiu és produir una superfície llisa i sense defectes, sense contaminació ni degradació, sense danys subsuperficials i sense tensions superficials residuals.
3.1 Poliment mecànic i CMP de les oblies de SiC
Després del creixement d'un lingot de monocristall de SiC, els defectes superficials impedeixen que s'utilitzi directament per al creixement epitaxial. Per tant, cal un processament addicional. Primer es modela el lingot en una forma cilíndrica estàndard mitjançant arrodoniment, després es talla en oblies mitjançant tall amb filferro i es verifica l'orientació cristal·logràfica. El poliment és un pas crític per millorar la qualitat de l'oblia, abordant els possibles danys superficials causats pels defectes de creixement del cristall i els passos de processament previs.
Hi ha quatre mètodes principals per eliminar les capes de danys superficials del SiC:
Polit mecànic: Simple però deixa ratllades; adequat per al polit inicial.
Polit químic-mecànic (CMP): Elimina les ratllades mitjançant el gravat químic; adequat per al polit de precisió.
Gravat d'hidrogen: requereix equips complexos, habitualment utilitzats en processos HTCVD.
Poliment assistit per plasma: Complex i poc utilitzat.
El poliment només mecànic tendeix a causar ratllades, mentre que el poliment només químic pot provocar un gravat desigual. El CMP combina ambdós avantatges i ofereix una solució eficient i rendible.
Principi de funcionament de la CMP
El CMP funciona girant l'oblea sota una pressió determinada contra un coixinet de poliment giratori. Aquest moviment relatiu, combinat amb l'abrasió mecànica dels abrasius de mida nanomètrica de la pasta i l'acció química dels agents reactius, aconsegueix la planarització de la superfície.
Materials clau utilitzats:
Suspensió de poliment: Conté abrasius i reactius químics.
Coixinet de poliment: Es desgasta durant l'ús, reduint la mida dels porus i l'eficiència del subministrament de la pasta. Cal un poliment regular, normalment amb una fresa de diamant, per restaurar la rugositat.
Procés típic de CMP
Abrasiu: pasta de diamant de 0,5 μm
Rugositat de la superfície objectiu: ~0,7 nm
Poliment químic-mecànic:
Equip de poliment: polidora monofacial AP-810
Pressió: 200 g/cm²
Velocitat de la placa: 50 rpm
Velocitat del suport ceràmic: 38 rpm
Composició de la pasta:
SiO₂ (30% en pes, pH = 10,15)
0–70% en pes d'H₂O₂ (30% en pes, grau reactiu)
Ajustar el pH a 8,5 utilitzant un 5% en pes de KOH i un 1% en pes de HNO₃
Cabal de fang: 3 L/min, recirculat
Aquest procés millora eficaçment la qualitat de la làmina de SiC i compleix els requisits dels processos posteriors.
Reptes tècnics en el poliment mecànic
El SiC, com a semiconductor de banda prohibida àmplia, juga un paper vital en la indústria electrònica. Amb excel·lents propietats físiques i químiques, els monocristalls de SiC són adequats per a entorns extrems, com ara altes temperatures, altes freqüències, altes potències i resistència a la radiació. Tanmateix, la seva naturalesa dura i fràgil presenta importants reptes per a la mòlta i el polit.
A mesura que els principals fabricants mundials fan la transició de les oblies de 6 polzades a les de 8 polzades, problemes com ara les esquerdes i els danys a les oblies durant el processament s'han tornat més importants, cosa que afecta significativament el rendiment. Abordar els reptes tècnics dels substrats de SiC de 8 polzades és ara un punt de referència clau per a l'avanç de la indústria.
A l'era de les 8 polzades, el processament de les oblies de SiC s'enfronta a nombrosos reptes:
L'escalat de les oblies és necessari per augmentar la producció de xips per lot, reduir la pèrdua de vora i reduir els costos de producció, especialment tenint en compte la creixent demanda en aplicacions de vehicles elèctrics.
Tot i que el creixement de monocristalls de SiC de 8 polzades ha madurat, els processos posteriors com la mòlta i el polit encara s'enfronten a colls d'ampolla, la qual cosa resulta en rendiments baixos (només del 40-50%).
Les oblies més grans experimenten distribucions de pressió més complexes, cosa que augmenta la dificultat de gestionar l'estrès de poliment i la consistència del rendiment.
Tot i que el gruix de les oblies de 8 polzades s'acosta al de les oblies de 6 polzades, són més propenses a patir danys durant la manipulació a causa de l'estrès i la deformació.
Per reduir l'estrès, la deformació i les esquerdes relacionades amb el tall, el tall per làser s'utilitza cada cop més. Tanmateix:
Els làsers de longitud d'ona llarga causen danys tèrmics.
Els làsers de longitud d'ona curta generen residus pesats i aprofundeixen la capa de danys, augmentant la complexitat del polit.
Flux de treball de poliment mecànic per a SiC
El flux general del procés inclou:
Tall d'orientació
Mòlta gruixuda
Mòlta fina
Poliment mecànic
Poliment químic-mecànic (CMP) com a pas final
L'elecció del mètode CMP, el disseny de la ruta del procés i l'optimització dels paràmetres són crucials. En la fabricació de semiconductors, la CMP és el pas determinant per produir oblies de SiC amb superfícies ultrallises, sense defectes i sense danys, que són essencials per a un creixement epitaxial d'alta qualitat.
(a) Traieu el lingot de SiC del gresol;
(b) Realitzar la conformació inicial mitjançant el rectificat del diàmetre exterior;
(c) Determinar l'orientació del cristall mitjançant plans o osques d'alineació;
(d) Talleu el lingot en làmines primes amb una serra de filferro múltiple;
(e) Aconseguir una suavitat superficial semblant a un mirall mitjançant passos de mòlta i polit.
Després de completar la sèrie de passos de processament, la vora exterior de l'oblea de SiC sovint es torna afilada, cosa que augmenta el risc d'estelladura durant la manipulació o l'ús. Per evitar aquesta fragilitat, cal polir les vores.
A més dels processos tradicionals de tall, un mètode innovador per preparar oblies de SiC implica la tecnologia d'unió. Aquest enfocament permet la fabricació d'oblies unint una capa fina de monocristall de SiC a un substrat heterogeni (substrat de suport).
La figura 3 il·lustra el flux del procés:
Primer, es forma una capa de delaminació a una profunditat especificada a la superfície del monocristall de SiC mitjançant la implantació d'ions d'hidrogen o tècniques similars. El monocristall de SiC processat s'uneix a un substrat de suport pla i se sotmet a pressió i calor. Això permet una transferència i separació satisfactòries de la capa de monocristall de SiC sobre el substrat de suport.
La capa de SiC separada se sotmet a un tractament superficial per aconseguir la planitud necessària i es pot reutilitzar en processos d'unió posteriors. En comparació amb el tall tradicional de cristalls de SiC, aquesta tècnica redueix la demanda de materials cars. Tot i que encara hi ha reptes tècnics, la recerca i el desenvolupament avancen activament per permetre la producció d'oblies a menor cost.
Donada l'alta duresa i estabilitat química del SiC, que el fa resistent a les reaccions a temperatura ambient, cal un polit mecànic per eliminar les fosses fines de la mòlta, reduir els danys superficials, eliminar les ratllades, les picadures i els defectes de pell de taronja, reduir la rugositat superficial, millorar la planitud i millorar la qualitat de la superfície.
Per aconseguir una superfície polida d'alta qualitat, cal:
Ajustar els tipus d'abrasiu,
Reduir la mida de les partícules,
Optimitzar els paràmetres del procés,
Seleccioneu materials i coixinets de polit amb una duresa adequada.
La figura 7 mostra que el poliment a doble cara amb abrasius d'1 μm pot controlar la planitud i la variació de gruix dins de 10 μm i reduir la rugositat superficial a uns 0,25 nm.
3.2 Poliment químic-mecànic (CMP)
El poliment mecànic químic (CMP) combina l'abrasió de partícules ultrafines amb el gravat químic per formar una superfície llisa i plana sobre el material que s'està processant. El principi bàsic és:
Es produeix una reacció química entre la pasta de poliment i la superfície de la oblia, formant una capa suau.
La fricció entre les partícules abrasives i la capa tova elimina el material.
Avantatges del CMP:
Supera els inconvenients del poliment purament mecànic o químic,
Aconsegueix una planarització tant global com local,
Produeix superfícies amb alta planitud i baixa rugositat,
No deixa danys a la superfície ni al subsòl.
En detall:
L'oblia es mou en relació amb el coixinet de polit sota pressió.
Els abrasius a escala nanomètrica (per exemple, SiO₂) de la pasta participen en el cisallament, debilitant els enllaços covalents Si-C i millorant l'eliminació de material.
Tipus de tècniques CMP:
Poliment amb abrasiu lliure: els abrasius (per exemple, SiO₂) es suspenen en una pasta. L'eliminació de material es produeix mitjançant l'abrasió de tres cossos (oblia-coixinet-abrasiu). La mida de l'abrasiu (normalment de 60 a 200 nm), el pH i la temperatura s'han de controlar amb precisió per millorar la uniformitat.
Polit amb abrasius fixos: els abrasius estan incrustats al coixinet de polit per evitar l'aglomeració, ideal per a un processament d'alta precisió.
Neteja posterior al poliment:
Les oblies polides se sotmeten a:
Neteja química (inclosa l'eliminació d'aigua desionitzada i residus de fangs),
Esbandida amb aigua desionitzada, i
Assecat amb nitrogen calent
per minimitzar els contaminants superficials.
Qualitat i rendiment de la superfície
La rugositat superficial es pot reduir a Ra < 0,3 nm, complint els requisits d'epitaxia de semiconductors.
Planarització global: la combinació de reblaniment químic i eliminació mecànica redueix les ratllades i el gravat desigual, superant els mètodes mecànics o químics purs.
Alta eficiència: Apte per a materials durs i fràgils com el SiC, amb velocitats d'eliminació de material superiors a 200 nm/h.
Altres tècniques de poliment emergents
A més del CMP, s'han proposat mètodes alternatius, com ara:
Poliment electroquímic, poliment o gravat assistit per catalitzador, i
Poliment triboquímic.
Tanmateix, aquests mètodes encara es troben en fase de recerca i s'han desenvolupat lentament a causa de les propietats del material SiC, que són molt complexes.
En definitiva, el processament de SiC és un procés gradual de reducció de la deformació i la rugositat per millorar la qualitat de la superfície, on el control de la planitud i la rugositat són crítics en cada etapa.
Tecnologia de processament
Durant la fase de mòlta de les oblies, s'utilitza una pasta de diamant amb diferents mides de partícula per mòltre l'oblia fins a la planitud i la rugositat superficial necessàries. A continuació, es procedeix al poliment, utilitzant tècniques de poliment mecànic i químic-mecànic (CMP) per produir oblies de carbur de silici (SiC) polides sense danys.
Després del poliment, les oblies de SiC se sotmeten a una rigorosa inspecció de qualitat amb instruments com ara microscopis òptics i difractòmetres de raigs X per garantir que tots els paràmetres tècnics compleixin els estàndards requerits. Finalment, les oblies polides es netegen amb agents de neteja especialitzats i aigua ultrapura per eliminar els contaminants superficials. A continuació, s'assequen amb gas nitrogen d'alta puresa i assecadors centrifugadors, completant tot el procés de producció.
Després d'anys d'esforços, s'han fet progressos significatius en el processament de monocristalls de SiC a la Xina. A nivell nacional, s'han desenvolupat amb èxit monocristalls 4H-SiC semiaïllants dopats de 100 mm, i ara es poden produir monocristalls 4H-SiC i 6H-SiC de tipus n per lots. Empreses com TankeBlue i TYST ja han desenvolupat monocristalls de SiC de 150 mm.
Pel que fa a la tecnologia de processament d'oblies de SiC, les institucions nacionals han explorat preliminarment les condicions de procés i les rutes per al tall, la mòlta i el polit de cristalls. Són capaces de produir mostres que bàsicament compleixen els requisits per a la fabricació de dispositius. Tanmateix, en comparació amb els estàndards internacionals, la qualitat del processament superficial de les oblies nacionals encara està significativament endarrerida. Hi ha diversos problemes:
Les teories i tecnologies de processament internacionals de SiC estan estrictament protegides i no són fàcilment accessibles.
Hi ha una manca de recerca teòrica i de suport per a la millora i l'optimització de processos.
El cost d'importar equips i components estrangers és elevat.
La recerca nacional sobre el disseny d'equips, la precisió del processament i els materials encara mostra llacunes significatives en comparació amb els nivells internacionals.
Actualment, la majoria dels instruments d'alta precisió que s'utilitzen a la Xina són importats. Els equips i les metodologies de prova també necessiten millores addicionals.
Amb el desenvolupament continu dels semiconductors de tercera generació, el diàmetre dels substrats monocristallins de SiC augmenta constantment, juntament amb uns requisits més elevats per a la qualitat del processament superficial. La tecnologia de processament de les oblies s'ha convertit en un dels passos tècnicament més difícils després del creixement del monocristall de SiC.
Per abordar els reptes existents en el processament, és essencial estudiar més a fons els mecanismes implicats en el tall, el mòlt i el polit, i explorar mètodes i rutes de procés adequades per a la fabricació de làmines de SiC. Al mateix temps, cal aprendre de les tecnologies de processament internacionals avançades i adoptar tècniques i equips de mecanitzat d'ultraprecisió d'última generació per produir substrats d'alta qualitat.
A mesura que augmenta la mida de l'oblia, també augmenta la dificultat del creixement i processament del cristall. Tanmateix, l'eficiència de fabricació dels dispositius posteriors millora significativament i el cost unitari es redueix. Actualment, els principals proveïdors d'oblies de SiC a nivell mundial ofereixen productes que van des de les 4 polzades fins a les 6 polzades de diàmetre. Empreses líders com Cree i II-VI ja han començat a planificar el desenvolupament de línies de producció d'oblies de SiC de 8 polzades.
Data de publicació: 23 de maig de 2025