SiC Yonga İşleme Teknolojisinin Mevcut Durumu ve Trendleri

Üçüncü nesil bir yarı iletken alt tabaka malzemesi olarak,silisyum karbür (SiC)Tek kristalli silisyum karbür (SiC), yüksek frekanslı ve yüksek güçlü elektronik cihazların üretiminde geniş uygulama potansiyeline sahiptir. SiC işleme teknolojisi, yüksek kaliteli alt tabaka malzemelerinin üretiminde belirleyici bir rol oynamaktadır. Bu makale, hem Çin'de hem de yurt dışında SiC işleme teknolojileri üzerine yapılan araştırmaların mevcut durumunu tanıtmakta, kesme, taşlama ve parlatma işlemlerinin mekanizmalarını ve ayrıca gofret düzlüğü ve yüzey pürüzlülüğündeki eğilimleri analiz edip karşılaştırmaktadır. Ayrıca, SiC gofret işleme alanındaki mevcut zorluklara işaret etmekte ve gelecekteki gelişim yönlerini tartışmaktadır.

Silisyum karbür (SiC)Yarı iletken levhalar, üçüncü nesil yarı iletken cihazlar için kritik temel malzemelerdir ve mikroelektronik, güç elektroniği ve yarı iletken aydınlatma gibi alanlarda önemli bir öneme ve pazar potansiyeline sahiptir. Son derece yüksek sertliği ve kimyasal kararlılığı nedeniyleSiC tek kristalleriGeleneksel yarı iletken işleme yöntemleri, bu malzemelerin işlenmesi için tamamen uygun değildir. Birçok uluslararası şirket, teknik olarak zorlu SiC tek kristallerinin işlenmesi konusunda kapsamlı araştırmalar yapmış olsa da, ilgili teknolojiler kesinlikle gizli tutulmaktadır.

Son yıllarda Çin, SiC tek kristal malzemeleri ve cihazlarının geliştirilmesinde çabalarını artırmıştır. Bununla birlikte, ülkedeki SiC cihaz teknolojisinin ilerlemesi şu anda işleme teknolojilerindeki ve gofret kalitesindeki sınırlamalarla kısıtlanmaktadır. Bu nedenle, Çin'in SiC tek kristal alt tabakalarının kalitesini artırmak ve bunların pratik uygulamasına ve seri üretimine ulaşmak için SiC işleme yeteneklerini geliştirmesi şarttır.

Ana işlem adımları şunlardır: kesme → kaba taşlama → ince taşlama → kaba parlatma (mekanik parlatma) → ince parlatma (kimyasal mekanik parlatma, CMP) → inceleme.

SiC Tek Kristallerinin Kesimi

İşlem sırasındaSiC tek kristalleriKesme işlemi, ilk ve son derece kritik bir adımdır. Kesme işleminden kaynaklanan yonga levhasının eğrilmesi, çarpılması ve toplam kalınlık değişimi (TTV), sonraki taşlama ve parlatma işlemlerinin kalitesini ve etkinliğini belirler.

Kesici aletler şekillerine göre elmas iç çap (ID) testereleri, dış çap (OD) testereleri, şerit testereler ve tel testereler olarak sınıflandırılabilir. Tel testereler ise hareket tiplerine göre ileri geri hareketli ve döngülü (sonsuz) tel sistemleri olarak sınıflandırılabilir. Aşındırıcının kesme mekanizmasına bağlı olarak, tel testere ile dilimleme teknikleri iki tipe ayrılabilir: serbest aşındırıcı tel testere ile kesme ve sabit aşındırıcı elmas tel testere ile kesme.

1.1 Geleneksel Kesim Yöntemleri

Dış çaplı (OD) testerelerin kesme derinliği, bıçağın çapıyla sınırlıdır. Kesme işlemi sırasında bıçak titreşime ve sapmaya eğilimlidir, bu da yüksek gürültü seviyelerine ve düşük rijitliğe neden olur. İç çaplı (ID) testereler, kesme kenarı olarak bıçağın iç çevresinde elmas aşındırıcılar kullanır. Bu bıçaklar 0,2 mm kadar ince olabilir. Dilimleme sırasında, ID bıçak yüksek hızda dönerken, kesilecek malzeme bıçağın merkezine göre radyal olarak hareket eder ve bu göreceli hareket sayesinde dilimleme sağlanır.

Elmas şerit testereler sık ​​sık durma ve geri dönüş gerektirir ve kesme hızı çok düşüktür—tipik olarak 2 m/s'yi geçmez. Ayrıca önemli mekanik aşınmaya ve yüksek bakım maliyetlerine maruz kalırlar. Testere bıçağının genişliği nedeniyle, kesme yarıçapı çok küçük olamaz ve çoklu dilimleme mümkün değildir. Bu geleneksel testere aletleri, tabanın rijitliği ile sınırlıdır ve kavisli kesimler yapamaz veya sınırlı dönüş yarıçaplarına sahiptir. Sadece düz kesimler yapabilirler, geniş kesikler oluştururlar, düşük verim oranına sahiptirler ve bu nedenle kesim için uygun değildirler.SiC kristalleri.

1.2 Ücretsiz Aşındırıcı Tel Testere Çok Telli Kesim

Serbest aşındırıcı tel testere dilimleme tekniği, telin hızlı hareketini kullanarak bulamacı kesim aralığına taşır ve böylece malzeme uzaklaştırmayı sağlar. Esas olarak ileri geri hareket eden bir yapı kullanır ve şu anda tek kristalli silikonun verimli çoklu wafer kesimi için olgunlaşmış ve yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Bununla birlikte, SiC kesimindeki uygulaması daha az kapsamlı olarak incelenmiştir.

Serbest aşındırıcı tel testereler, 300 μm'den daha ince levhaları işleyebilir. Düşük kesme kaybı sunarlar, nadiren kırılmaya neden olurlar ve nispeten iyi yüzey kalitesi sağlarlar. Bununla birlikte, aşındırıcıların yuvarlanması ve girinti oluşturmasına dayalı malzeme kaldırma mekanizması nedeniyle, levha yüzeyinde önemli artık gerilim, mikro çatlaklar ve daha derin hasar katmanları oluşma eğilimi vardır. Bu, levhanın bükülmesine yol açar, yüzey profili doğruluğunu kontrol etmeyi zorlaştırır ve sonraki işlem adımlarındaki yükü artırır.

Kesme performansı, bulamaçtan büyük ölçüde etkilenir; aşındırıcıların keskinliğinin ve bulamacın konsantrasyonunun korunması gereklidir. Bulamaç işleme ve geri dönüşümü maliyetlidir. Büyük boyutlu külçeler kesilirken, aşındırıcılar derin ve uzun kesiklere nüfuz etmekte zorlanırlar. Aynı aşındırıcı tane boyutunda, kesik kaybı sabit aşındırıcılı tel testerelere göre daha fazladır.

1.3 Sabit Aşındırıcı Elmas Tel Testere Çok Telli Kesim

Sabit aşındırıcı elmas tel testereler, genellikle elektrokaplama, sinterleme veya reçine bağlama yöntemleriyle çelik tel alt tabakaya elmas parçacıklarının yerleştirilmesiyle üretilir. Elektrokaplama yöntemiyle üretilen elmas tel testereler, daha dar kesim aralıkları, daha iyi dilimleme kalitesi, daha yüksek verimlilik, daha düşük kirlenme ve yüksek sertlikteki malzemeleri kesebilme gibi avantajlar sunar.

Elektrolizle kaplanmış elmas tel testere, şu anda SiC kesimi için en yaygın kullanılan yöntemdir. Şekil 1 (burada gösterilmemiştir), bu teknik kullanılarak kesilen SiC levhalarının yüzey düzlüğünü göstermektedir. Kesim ilerledikçe, levha eğriliği artar. Bunun nedeni, tel aşağı doğru hareket ettikçe tel ile malzeme arasındaki temas alanının artması, direncin ve tel titreşiminin artmasıdır. Tel, levhanın maksimum çapına ulaştığında, titreşim en yüksek seviyesine ulaşır ve bu da maksimum eğriliğe neden olur.

Kesme işleminin ilerleyen aşamalarında, telin hızlanma, sabit hızda hareket, yavaşlama, durma ve tersine dönme gibi süreçlerden geçmesi ve soğutucu ile kalıntıların uzaklaştırılmasındaki zorluklar nedeniyle, yonga levhasının yüzey kalitesi bozulur. Telin tersine dönmesi ve hız dalgalanmaları ile tel üzerindeki büyük elmas parçacıkları, yüzey çiziklerinin başlıca nedenleridir.

1.4 Soğuk Ayırma Teknolojisi

SiC tek kristallerinin soğuk ayrıştırılması, üçüncü nesil yarı iletken malzeme işleme alanında yenilikçi bir süreçtir. Son yıllarda, verimi artırma ve malzeme kaybını azaltma konusundaki önemli avantajları nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Bu teknoloji üç açıdan analiz edilebilir: çalışma prensibi, işlem akışı ve temel avantajlar.

Kristal Yöneliminin Belirlenmesi ve Dış Çap Taşlama: İşleme başlamadan önce, SiC külçesinin kristal yönelimi belirlenmelidir. Daha sonra külçe, dış çap taşlama yoluyla silindirik bir yapıya (genellikle SiC diski olarak adlandırılır) dönüştürülür. Bu adım, sonraki yönlü kesme ve dilimleme işlemleri için temel oluşturur.

Çok Telli Kesme: Bu yöntem, silindirik külçeyi dilimlemek için aşındırıcı parçacıkları kesme telleriyle birleştirir. Bununla birlikte, önemli ölçüde kesme kaybı ve yüzey düzensizliği sorunları yaşar.

Lazer Kesim Teknolojisi: Kristal içinde değiştirilmiş bir katman oluşturmak için lazer kullanılır ve bu katmandan ince dilimler ayrılabilir. Bu yaklaşım, malzeme kaybını azaltır ve işlem verimliliğini artırır; bu da onu SiC levha kesimi için um promising yeni bir yön haline getirir.

Kesme Prosesi Optimizasyonu

Sabit Aşındırıcı Çok Telli Kesme: Bu, şu anda yaygın olarak kullanılan ve SiC'nin yüksek sertlik özelliklerine çok uygun bir teknolojidir.

Elektrik Deşarjlı İşleme (EDM) ve Soğuk Ayırma Teknolojisi: Bu yöntemler, belirli gereksinimlere göre uyarlanmış çeşitli çözümler sunar.

Parlatma İşlemi: Malzeme kaldırma hızı ve yüzey hasarı arasında denge kurmak esastır. Yüzey düzgünlüğünü iyileştirmek için Kimyasal Mekanik Parlatma (CMP) kullanılır.

Gerçek Zamanlı İzleme: Yüzey pürüzlülüğünü gerçek zamanlı olarak izlemek için çevrimiçi inceleme teknolojileri kullanıma sunulmuştur.

Lazer Dilimleme: Bu teknik, kesme kaybını azaltır ve işlem döngülerini kısaltır; ancak ısıdan etkilenen bölge hala bir zorluk teşkil etmektedir.

Hibrit İşleme Teknolojileri: Mekanik ve kimyasal yöntemlerin birleştirilmesi, işleme verimliliğini artırır.

Bu teknoloji halihazırda endüstriyel uygulamaya geçmiştir. Örneğin Infineon, SILTECTRA'yı satın aldı ve şu anda 8 inçlik wafer'ların seri üretimini destekleyen temel patentlere sahip. Çin'de ise Delong Laser gibi şirketler, 6 inçlik wafer işleme için külçe başına 30 wafer üretim verimliliğine ulaşarak geleneksel yöntemlere göre %40'lık bir iyileşme sağlamıştır.

Yerli ekipman üretiminin hızlanmasıyla birlikte, bu teknolojinin SiC alt tabaka işleme için ana akım çözüm haline gelmesi bekleniyor. Yarı iletken malzemelerin çapının artmasıyla birlikte, geleneksel kesme yöntemleri geçerliliğini yitirdi. Mevcut seçenekler arasında, karşılıklı hareket eden elmas tel testere teknolojisi en umut vadeden uygulama potansiyelini gösteriyor. Gelişmekte olan bir teknik olarak lazer kesim, önemli avantajlar sunuyor ve gelecekte birincil kesme yöntemi olması bekleniyor.

2.SiC Tek Kristal Taşlama

Üçüncü nesil yarı iletkenlerin bir temsilcisi olarak silisyum karbür (SiC), geniş bant aralığı, yüksek kırılma elektrik alanı, yüksek doygunluk elektron sürüklenme hızı ve mükemmel termal iletkenliği nedeniyle önemli avantajlar sunmaktadır. Bu özellikler, SiC'yi özellikle yüksek voltaj uygulamalarında (örneğin, 1200V ortamlar) avantajlı kılmaktadır. SiC alt tabakalarının işleme teknolojisi, cihaz üretiminin temel bir parçasıdır. Alt tabakanın yüzey kalitesi ve hassasiyeti, epitaksiyel tabakanın kalitesini ve nihai cihazın performansını doğrudan etkiler.

Taşlama işleminin temel amacı, dilimleme sırasında oluşan yüzeydeki testere izlerini ve hasar katmanlarını gidermek ve kesme işleminden kaynaklanan deformasyonu düzeltmektir. SiC'nin son derece yüksek sertliği göz önüne alındığında, taşlama işlemi bor karbür veya elmas gibi sert aşındırıcıların kullanılmasını gerektirir. Geleneksel taşlama genellikle kaba taşlama ve ince taşlama olarak ikiye ayrılır.

2.1 Kaba ve İnce Öğütme

Öğütme işlemleri, aşındırıcı parçacık boyutuna göre sınıflandırılabilir:

Kaba Taşlama: İşleme verimliliğini artırmak için öncelikle testere izlerini ve dilimleme sırasında oluşan hasarlı katmanları gidermek amacıyla daha büyük aşındırıcılar kullanır.

İnce Taşlama: Kaba taşlama sonucu oluşan hasar tabakasını gidermek, yüzey pürüzlülüğünü azaltmak ve yüzey kalitesini artırmak için daha ince aşındırıcılar kullanır.

Birçok yerli SiC alt tabaka üreticisi büyük ölçekli üretim süreçleri kullanmaktadır. Yaygın bir yöntem, dökme demir plaka ve monokristal elmas bulamacı kullanılarak çift taraflı taşlama işlemini içerir. Bu işlem, tel testereyle kesme işleminden kalan hasar tabakasını etkili bir şekilde ortadan kaldırır, gofret şeklini düzeltir ve TTV (Toplam Kalınlık Değişimi), Eğilme ve Çarpılmayı azaltır. Malzeme kaldırma hızı sabittir ve tipik olarak 0,8–1,2 μm/dk'ya ulaşır. Bununla birlikte, elde edilen gofret yüzeyi, nispeten yüksek pürüzlülüğe sahip (tipik olarak yaklaşık 50 nm) mat bir yüzeydir ve bu da sonraki parlatma adımlarına daha yüksek talepler getirir.

2.2 Tek Taraflı Taşlama

Tek taraflı taşlama işlemi, yonga levhasının yalnızca bir tarafını aynı anda işler. Bu işlem sırasında, yonga levhası çelik bir plakaya balmumu ile yapıştırılır. Uygulanan basınç altında, alt tabaka hafif bir deformasyona uğrar ve üst yüzey düzleşir. Taşlamadan sonra, alt yüzey düzleştirilir. Basınç kaldırıldığında, üst yüzey orijinal şekline geri dönme eğilimindedir; bu durum, önceden taşlanmış alt yüzeyi de etkileyerek her iki tarafın da eğrilmesine ve düzlüğünün bozulmasına neden olur.

Dahası, taşlama plakası kısa sürede içbükey hale gelebilir ve bu da yonga levhasının dışbükey olmasına neden olabilir. Plakanın düzlüğünü korumak için sık sık bileme işlemi gereklidir. Düşük verimlilik ve yonga levhasının düzgünlüğünün yetersizliği nedeniyle, tek taraflı taşlama seri üretim için uygun değildir.

Genellikle ince taşlama için 8000 numaralı taşlama diskleri kullanılır. Japonya'da bu işlem nispeten olgunlaşmış olup hatta 30000 numaralı parlatma diskleri bile kullanılmaktadır. Bu, işlenmiş plakaların yüzey pürüzlülüğünün 2 nm'nin altına düşmesini sağlayarak, plakaları ek işleme gerek kalmadan son CMP (Kimyasal Mekanik Parlatma) işlemine hazır hale getirir.

2.3 Tek Taraflı İnceltme Teknolojisi

Elmas Tek Taraflı İnceltme Teknolojisi, tek taraflı taşlama için yeni bir yöntemdir. Şekil 5'te (burada gösterilmemiştir) gösterildiği gibi, işlem elmasla kaplanmış bir taşlama plakası kullanır. Yonga levhası vakum adsorpsiyonu yoluyla sabitlenirken, hem yonga levhası hem de elmas taşlama tekerleği eş zamanlı olarak döner. Taşlama tekerleği, yonga levhasını hedef kalınlığa kadar inceltmek için kademeli olarak aşağı doğru hareket eder. Bir taraf tamamlandıktan sonra, diğer tarafı işlemek için yonga levhası ters çevrilir.

İnceltme işleminden sonra, 100 mm'lik bir silikon levha şu özelliklere sahip olabilir:

Yay < 5 μm

TTV < 2 μm

Yüzey pürüzlülüğü < 1 nm

Bu tek plakalı işleme yöntemi, yüksek stabilite, mükemmel tutarlılık ve yüksek malzeme kaldırma oranı sunar. Geleneksel çift taraflı taşlamaya kıyasla, bu teknik taşlama verimliliğini %50'den fazla artırır.

2.4 Çift Taraflı Taşlama

Çift taraflı taşlama, hem üst hem de alt taşlama plakasını kullanarak alt tabakanın her iki tarafını aynı anda taşlayarak her iki tarafta da mükemmel yüzey kalitesi sağlar.

İşlem sırasında, taşlama plakaları önce iş parçasının en yüksek noktalarına basınç uygulayarak bu noktalarda deformasyona ve kademeli malzeme kaybına neden olur. Yüksek noktalar düzleştikçe, alt tabaka üzerindeki basınç giderek daha homojen hale gelir ve tüm yüzey boyunca tutarlı bir deformasyon oluşur. Bu, hem üst hem de alt yüzeylerin eşit şekilde taşlanmasını sağlar. Taşlama tamamlandıktan ve basınç serbest bırakıldıktan sonra, alt tabakanın her bir parçası, maruz kaldığı eşit basınç nedeniyle homojen bir şekilde eski haline döner. Bu da minimum eğrilme ve iyi bir düzlük sağlar.

Taşlama işleminden sonra plakanın yüzey pürüzlülüğü, aşındırıcı parçacık boyutuna bağlıdır; daha küçük parçacıklar daha pürüzsüz yüzeyler sağlar. Çift taraflı taşlama için 5 μm aşındırıcılar kullanıldığında, plakanın düzlüğü ve kalınlık değişimi 5 μm içinde kontrol edilebilir. Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ölçümleri, yaklaşık 100 nm'lik bir yüzey pürüzlülüğü (Rq) ve 380 nm'ye kadar derinlikte taşlama çukurları ile aşındırıcı etkiden kaynaklanan görünür doğrusal izler göstermektedir.

Daha gelişmiş bir yöntem, poliüretan köpük pedlerin polikristalin elmas bulamacıyla birleştirilerek çift taraflı taşlama yapılmasını içerir. Bu işlem, Ra < 3 nm değerine ulaşan çok düşük yüzey pürüzlülüğüne sahip levhalar üretir; bu da SiC alt tabakaların daha sonraki parlatılması için son derece faydalıdır.

Ancak, yüzey çizilmesi hâlâ çözülmemiş bir sorun olarak kalmaktadır. Ayrıca, bu süreçte kullanılan polikristalin elmas, teknik olarak zorlu, düşük miktarlarda üretilen ve son derece pahalı olan patlayıcı sentez yoluyla üretilmektedir.

SiC Tek Kristallerinin Parlatılması

Silisyum karbür (SiC) levhalarda yüksek kaliteli cilalı bir yüzey elde etmek için, cilalama işlemi taşlama çukurlarını ve nanometre ölçekli yüzey dalgalanmalarını tamamen ortadan kaldırmalıdır. Amaç, kirlenme veya bozulma içermeyen, yüzey altı hasarı olmayan ve artık yüzey gerilimi bulunmayan pürüzsüz, kusursuz bir yüzey üretmektir.

3.1 SiC Levhaların Mekanik Parlatılması ve CMP İşlemi

SiC tek kristal külçesinin büyümesinden sonra, yüzey kusurları epitaksiyel büyüme için doğrudan kullanılmasını engeller. Bu nedenle, daha fazla işlem gereklidir. Külçe önce yuvarlama yoluyla standart silindirik bir forma getirilir, ardından tel kesme yöntemiyle dilimlenerek gofretler oluşturulur ve son olarak kristalografik yönelim doğrulaması yapılır. Parlatma, kristal büyüme kusurları ve önceki işlem adımlarından kaynaklanan potansiyel yüzey hasarını gidererek gofret kalitesini iyileştirmede kritik bir adımdır.

Silisyum karbür üzerindeki yüzey hasar katmanlarını gidermenin dört ana yöntemi vardır:

Mekanik parlatma: Basit ama çizikler bırakır; ilk parlatma için uygundur.

Kimyasal Mekanik Parlatma (CMP): Kimyasal aşındırma yoluyla çizikleri giderir; hassas parlatma için uygundur.

Hidrojen aşındırma: Karmaşık ekipman gerektirir, genellikle HTCVD işlemlerinde kullanılır.

Plazma destekli parlatma: Karmaşık ve nadiren kullanılan bir yöntem.

Sadece mekanik parlatma çiziklere neden olma eğilimindeyken, sadece kimyasal parlatma düzensiz aşınmaya yol açabilir. CMP, her iki avantajı birleştirerek verimli ve uygun maliyetli bir çözüm sunar.

CMP Çalışma Prensibi

CMP, belirli bir basınç altında dönen bir parlatma pedine karşı yonga levhasının döndürülmesiyle çalışır. Bu göreceli hareket, bulamaç içindeki nano boyutlu aşındırıcılardan kaynaklanan mekanik aşınma ve reaktif maddelerin kimyasal etkisiyle birleşerek yüzey düzleştirmesini sağlar.

Kullanılan başlıca malzemeler:

Parlatma macunu: Aşındırıcılar ve kimyasal reaktifler içerir.

Parlatma pedi: Kullanım sırasında aşınır, gözenek boyutunu ve macun iletim verimliliğini azaltır. Pürüzlülüğü geri kazandırmak için genellikle elmas uçlu bir zımpara kullanılarak düzenli olarak zımparalama yapılması gerekir.

Tipik CMP Süreci

Aşındırıcı: 0,5 μm elmas bulamaç

Hedef yüzey pürüzlülüğü: ~0,7 nm

Kimyasal Mekanik Parlatma:

Parlatma ekipmanı: AP-810 tek taraflı parlatıcı

Basınç: 200 g/cm²

Plaka hızı: 50 rpm

Seramik tutucu hızı: 38 rpm

Çamurun bileşimi:

SiO₂ (%30 ağırlıkça, pH = 10,15)

0–70 ağırlık% H₂O₂ (ağırlıkça %30, reaktif sınıfı)

pH değerini %5 ağırlık oranında KOH ve %1 ağırlık oranında HNO₃ kullanarak 8,5'e ayarlayın.

Çamur akış hızı: 3 L/dak, devridaimli

Bu işlem, SiC gofret kalitesini etkili bir şekilde iyileştirir ve sonraki işlemlerin gereksinimlerini karşılar.

Mekanik Parlatmada Teknik Zorluklar

Geniş bant aralıklı bir yarı iletken olan SiC, elektronik endüstrisinde hayati bir rol oynamaktadır. Mükemmel fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip SiC tek kristalleri, yüksek sıcaklık, yüksek frekans, yüksek güç ve radyasyon direnci gibi aşırı ortamlara uygundur. Bununla birlikte, sert ve kırılgan yapısı, taşlama ve parlatma işlemlerinde önemli zorluklar yaratmaktadır.

Önde gelen küresel üreticiler 6 inçten 8 inçlik silikon levhalara geçiş yaparken, işleme sırasında çatlama ve levha hasarı gibi sorunlar daha belirgin hale geldi ve verimliliği önemli ölçüde etkiledi. 8 inçlik SiC alt tabakaların teknik zorluklarının ele alınması, sektörün ilerlemesi için artık önemli bir ölçüt haline geldi.

8 inçlik silikon levha çağında, silikon karbür levha işleme birçok zorlukla karşı karşıya:

Özellikle elektrikli araç uygulamalarındaki artan talep göz önüne alındığında, yonga üretimini parti başına artırmak, kenar kayıplarını azaltmak ve üretim maliyetlerini düşürmek için yonga levhası ölçeklendirmesi gereklidir.

8 inçlik SiC tek kristallerinin büyümesi olgunlaşmış olsa da, taşlama ve parlatma gibi son işlem aşamalarında hala darboğazlar yaşanmakta ve bu da düşük verimle (sadece %40-50) sonuçlanmaktadır.

Daha büyük silikon levhalarda basınç dağılımları daha karmaşık hale gelir, bu da parlatma gerilimini ve verim tutarlılığını yönetmeyi zorlaştırır.

8 inçlik silikon levhaların kalınlığı 6 inçlik silikon levhaların kalınlığına yaklaşsa da, gerilme ve deformasyon nedeniyle taşıma sırasında hasara daha yatkındırlar.

Kesimden kaynaklanan gerilimi, deformasyonu ve çatlamayı azaltmak için lazer kesim giderek daha fazla kullanılmaktadır. Ancak:

Uzun dalga boylu lazerler termal hasara neden olur.

Kısa dalga boylu lazerler yoğun talaş üretir ve hasar katmanını derinleştirerek parlatma işlemini zorlaştırır.

SiC için Mekanik Parlatma İş Akışı

Genel işlem akışı şunları içerir:

Yönlendirme kesimi

Kaba öğütme

İnce öğütme

Mekanik parlatma

Kimyasal Mekanik Parlatma (CMP) son adım olarak

CMP yönteminin seçimi, işlem rotası tasarımı ve parametrelerin optimizasyonu çok önemlidir. Yarı iletken üretiminde, CMP, yüksek kaliteli epitaksiyel büyüme için gerekli olan ultra pürüzsüz, kusursuz ve hasarsız yüzeylere sahip SiC levhaların üretimi için belirleyici adımdır.

(a) SiC külçesini potadan çıkarın;

(b) Dış çap taşlama yöntemiyle ilk şekillendirmeyi gerçekleştirin;

(c) Hizalama düzlemleri veya çentikler kullanarak kristal yönelimini belirleyin;

(d) Külçeyi çok telli testere kullanarak ince dilimler halinde kesin;

(e) Taşlama ve parlatma adımları yoluyla ayna benzeri yüzey pürüzsüzlüğü elde edin.

Bir dizi işlem adımı tamamlandıktan sonra, SiC levhanın dış kenarı genellikle keskinleşir; bu da taşıma veya kullanım sırasında kırılma riskini artırır. Bu tür kırılganlığı önlemek için kenar taşlama işlemi gereklidir.

Geleneksel dilimleme işlemlerine ek olarak, SiC levhaların hazırlanmasında yenilikçi bir yöntem, yapıştırma teknolojisini içerir. Bu yaklaşım, ince bir SiC tek kristal tabakasının heterojen bir alt tabakaya (destekleyici alt tabaka) yapıştırılmasıyla levha üretimini mümkün kılar.

Şekil 3, işlem akışını göstermektedir:

Öncelikle, hidrojen iyon implantasyonu veya benzer teknikler kullanılarak SiC tek kristalinin yüzeyinde belirli bir derinlikte bir ayrılma tabakası oluşturulur. İşlem görmüş SiC tek kristali daha sonra düz bir destek alt tabakasına yapıştırılır ve basınç ve ısıya maruz bırakılır. Bu, SiC tek kristal tabakasının destek alt tabakasına başarılı bir şekilde aktarılmasını ve ayrılmasını sağlar.

Ayrıştırılan SiC katmanı, gerekli düzlüğü elde etmek için yüzey işlemine tabi tutulur ve sonraki yapıştırma işlemlerinde yeniden kullanılabilir. Geleneksel SiC kristal dilimleme yöntemine kıyasla, bu teknik pahalı malzemelere olan ihtiyacı azaltır. Teknik zorluklar devam etse de, daha düşük maliyetli wafer üretimine olanak sağlamak için araştırma ve geliştirme çalışmaları aktif olarak ilerlemektedir.

SiC'nin yüksek sertliği ve kimyasal kararlılığı (bu da onu oda sıcaklığında reaksiyonlara karşı dirençli kılar) göz önüne alındığında, ince taşlama çukurlarını gidermek, yüzey hasarını azaltmak, çizikleri, çukurlaşmaları ve portakal kabuğu görünümünü ortadan kaldırmak, yüzey pürüzlülüğünü düşürmek, düzlüğü iyileştirmek ve yüzey kalitesini artırmak için mekanik parlatma gereklidir.

Yüksek kaliteli, cilalı bir yüzey elde etmek için şunlar gereklidir:

Aşındırıcı türlerini ayarlayın,

Parçacık boyutunu küçültün,

Proses parametrelerini optimize edin,

Yeterli sertliğe sahip parlatma malzemeleri ve pedleri seçin.

Şekil 7, 1 μm aşındırıcılarla çift taraflı parlatmanın, düzlük ve kalınlık değişimini 10 μm içinde kontrol edebildiğini ve yüzey pürüzlülüğünü yaklaşık 0,25 nm'ye düşürebildiğini göstermektedir.

3.2 Kimyasal Mekanik Parlatma (CMP)

Kimyasal Mekanik Parlatma (CMP), işlenen malzeme üzerinde pürüzsüz, düzlemsel bir yüzey oluşturmak için ultra ince parçacık aşındırmasını kimyasal aşındırma ile birleştirir. Temel prensip şöyledir:

Parlatma macunu ile yonga yüzeyi arasında kimyasal bir reaksiyon meydana gelir ve yumuşak bir tabaka oluşur.

Aşındırıcı parçacıklar ile yumuşak tabaka arasındaki sürtünme, malzemenin uzaklaştırılmasına neden olur.

CMP'nin avantajları:

Sadece mekanik veya kimyasal parlatmanın dezavantajlarının üstesinden gelir.

Hem küresel hem de yerel düzlemselleştirmeyi başarır.

Yüksek düzlük ve düşük pürüzlülüğe sahip yüzeyler üretir.

Yüzeyde veya yüzey altında herhangi bir hasar bırakmaz.

Ayrıntılı olarak:

Yarı iletken levha, basınç altında parlatma pedine göre hareket eder.

Bulamaç içindeki nanometre ölçekli aşındırıcılar (örneğin, SiO₂), kesme işlemine katılarak Si–C kovalent bağlarını zayıflatır ve malzeme uzaklaştırmayı artırır.

CMP Tekniklerinin Türleri:

Serbest Aşındırıcı Parlatma: Aşındırıcılar (örneğin, SiO₂) bulamaç içinde süspansiyon halindedir. Malzeme uzaklaştırma, üç cisimli aşındırma (yonga levhası-ped-aşındırıcı) yoluyla gerçekleşir. Homojenliği artırmak için aşındırıcı boyutu (tipik olarak 60-200 nm), pH ve sıcaklık hassas bir şekilde kontrol edilmelidir.

Sabit Aşındırıcı Parlatma: Aşındırıcılar, topaklanmayı önlemek için parlatma pedine yerleştirilmiştir; bu da yüksek hassasiyetli işlemler için idealdir.

Parlatma Sonrası Temizlik:

Parlatılmış levhalar şu işlemlere tabi tutulur:

Kimyasal temizlik (saf su ve çamur kalıntısı giderme dahil),

Saf su ile durulama ve

Sıcak azotla kurutma

Yüzeydeki kirleticileri en aza indirmek için.

Yüzey Kalitesi ve Performansı

Yüzey pürüzlülüğü Ra < 0,3 nm'ye düşürülebilir ve bu da yarı iletken epitaksi gereksinimlerini karşılar.

Küresel Düzleştirme: Kimyasal yumuşatma ve mekanik aşındırmanın birleşimi, çizikleri ve düzensiz aşındırmayı azaltarak, saf mekanik veya kimyasal yöntemlerden daha iyi performans gösterir.

Yüksek Verimlilik: SiC gibi sert ve kırılgan malzemeler için uygundur, malzeme kaldırma hızı 200 nm/saat'in üzerindedir.

Diğer Yeni Parlatma Teknikleri

CMP'ye ek olarak, aşağıdakiler de dahil olmak üzere alternatif yöntemler önerilmiştir:

Elektrokimyasal parlatma, katalizör destekli parlatma veya aşındırma ve

Tribokimyasal parlatma.

Ancak bu yöntemler, SiC'nin zorlu malzeme özellikleri nedeniyle hala araştırma aşamasındadır ve yavaş gelişmiştir.

Özetle, SiC işleme, yüzey kalitesini iyileştirmek için eğrilmeyi ve pürüzlülüğü kademeli olarak azaltma sürecidir ve bu sürecin her aşamasında düzlük ve pürüzlülük kontrolü kritik öneme sahiptir.

İşleme Teknolojisi

Yonga taşlama aşamasında, farklı partikül boyutlarına sahip elmas bulamacı kullanılarak yonga, istenen düzlük ve yüzey pürüzlülüğüne ulaştırılır. Bunu takiben, hasarsız cilalı silisyum karbür (SiC) yongalar üretmek için hem mekanik hem de kimyasal mekanik parlatma (CMP) teknikleri kullanılarak parlatma işlemi yapılır.

Parlatma işleminden sonra, SiC levhalar, tüm teknik parametrelerin gerekli standartları karşıladığından emin olmak için optik mikroskoplar ve X-ışını difraktometreleri gibi aletler kullanılarak titiz bir kalite kontrolünden geçirilir. Son olarak, parlatılmış levhalar, yüzeydeki kirleticileri gidermek için özel temizlik maddeleri ve ultra saf su kullanılarak temizlenir. Daha sonra ultra yüksek saflıkta azot gazı ve santrifüj kurutucular kullanılarak kurutularak tüm üretim süreci tamamlanır.

Yıllar süren çabaların ardından, Çin'de SiC tek kristal işleme alanında önemli ilerleme kaydedildi. Yurtiçinde, 100 mm'lik katkılı yarı iletken 4H-SiC tek kristaller başarıyla geliştirildi ve artık n-tipi 4H-SiC ve 6H-SiC tek kristaller seri olarak üretilebiliyor. TankeBlue ve TYST gibi şirketler ise 150 mm'lik SiC tek kristaller geliştirdi.

SiC gofret işleme teknolojisi açısından, yerli kurumlar kristal dilimleme, taşlama ve parlatma için işlem koşullarını ve yöntemlerini önceden araştırmışlardır. Temel olarak cihaz üretimi gereksinimlerini karşılayan numuneler üretebilmektedirler. Bununla birlikte, uluslararası standartlarla karşılaştırıldığında, yerli gofretlerin yüzey işleme kalitesi hala önemli ölçüde geridedir. Bunun birkaç nedeni vardır:

Uluslararası SiC teorileri ve işleme teknolojileri sıkı bir şekilde korunmaktadır ve kolayca erişilemez durumdadır.

Süreç iyileştirme ve optimizasyonuna yönelik teorik araştırma ve destek eksikliği bulunmaktadır.

Yabancı ekipman ve bileşenlerin ithalat maliyeti yüksektir.

Ekipman tasarımı, işleme hassasiyeti ve malzemeler konusunda yapılan yerli araştırmalar, uluslararası seviyelere kıyasla hala önemli eksiklikler göstermektedir.

Şu anda Çin'de kullanılan yüksek hassasiyetli cihazların çoğu ithal ediliyor. Test ekipmanları ve yöntemleri de daha fazla geliştirilmeye ihtiyaç duyuyor.

Üçüncü nesil yarı iletkenlerin sürekli gelişmesiyle birlikte, SiC tek kristal alt tabakaların çapı sürekli olarak artmakta ve yüzey işleme kalitesine yönelik gereksinimler de yükselmektedir. Bu durum, SiC tek kristal büyümesinden sonra en teknik olarak zorlu adımlardan biri haline gelen wafer işleme teknolojisini ortaya çıkarmıştır.

İşleme alanındaki mevcut zorlukların üstesinden gelmek için, kesme, taşlama ve parlatma mekanizmalarını daha detaylı incelemek ve SiC gofret üretimi için uygun işlem yöntemlerini ve yollarını araştırmak şarttır. Aynı zamanda, gelişmiş uluslararası işleme teknolojilerinden öğrenmek ve yüksek kaliteli alt tabakalar üretmek için en son teknoloji ürünü ultra hassas işleme tekniklerini ve ekipmanlarını benimsemek gereklidir.

Yonga levha boyutu arttıkça, kristal büyümesi ve işlenmesi de zorlaşır. Bununla birlikte, sonraki aşama cihazların üretim verimliliği önemli ölçüde artar ve birim maliyet düşer. Şu anda, küresel ölçekteki ana SiC yonga levha tedarikçileri, 4 inçten 6 inçe kadar değişen çaplarda ürünler sunmaktadır. Cree ve II-VI gibi önde gelen şirketler, 8 inçlik SiC yonga levha üretim hatlarının geliştirilmesi için planlamaya çoktan başlamıştır.