SiC Wafer İşleme Teknolojisinin Mevcut Durumu ve Trendleri

Üçüncü nesil yarı iletken alt tabaka malzemesi olarak,silisyum karbür (SiC)tek kristal, yüksek frekanslı ve yüksek güçlü elektronik cihazların üretiminde geniş uygulama beklentilerine sahiptir. SiC'nin işleme teknolojisi, yüksek kaliteli alt tabaka malzemelerinin üretiminde belirleyici bir rol oynar. Bu makale, hem Çin'de hem de yurtdışında SiC işleme teknolojileri üzerine yapılan araştırmaların mevcut durumunu tanıtmakta, kesme, taşlama ve parlatma süreçlerinin mekanizmalarını analiz edip karşılaştırmakta ve ayrıca gofret düzlüğü ve yüzey pürüzlülüğündeki eğilimleri ele almaktadır. Ayrıca, SiC gofret işlemedeki mevcut zorluklara işaret etmekte ve gelecekteki geliştirme yönlerini tartışmaktadır.

Silisyum karbür (SiC)wafer'lar, 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 sertlik ve kimyasal kararlılık nedeniyleSiC tek kristalleri, geleneksel yarı iletken işleme yöntemleri bunların işlenmesi için tamamen uygun değildir. Birçok uluslararası şirket, SiC tek kristallerinin teknik olarak zorlu işlenmesi konusunda kapsamlı araştırmalar yürütmüş olsa da, ilgili teknolojiler kesinlikle gizli tutulur.

Son yıllarda Çin, SiC tek kristal malzemeleri ve cihazlarının geliştirilmesine yönelik çabalarını artırdı. Ancak ülkedeki SiC cihaz teknolojisinin ilerlemesi şu anda işleme teknolojilerindeki ve gofret kalitesindeki sınırlamalarla kısıtlanıyor. Bu nedenle Çin'in SiC tek kristal alt tabakalarının kalitesini artırmak ve pratik uygulama ve seri üretimlerini gerçekleştirmek için SiC işleme yeteneklerini geliştirmesi elzemdir.

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

SiC Tek Kristallerinin Kesilmesi

İşlemedeSiC tek kristalleri, kesme ilk ve oldukça kritik bir adımdır. Kesme işleminden kaynaklanan gofretin yayı, eğriliği ve toplam kalınlık değişimi (TTV), sonraki taşlama ve parlatma işlemlerinin kalitesini ve etkinliğini belirler.

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

1.1 Geleneksel Kesim Yöntemleri

Dış çap (OD) testerelerinin kesme derinliği, bıçağın çapıyla sınırlıdır. Kesme işlemi sırasında bıçak titreşime ve sapmaya eğilimlidir, bu da yüksek gürültü seviyeleri ve düşük sertlikle sonuçlanır. İç çap (ID) testereler, kesme kenarı olarak bıçağın iç çevresinde elmas aşındırıcılar kullanır. Bu bıçaklar 0,2 mm kadar ince olabilir. Dilimleme sırasında, kesilecek malzeme bıçağın merkezine göre radyal olarak hareket ederken, ID bıçağı yüksek hızda döner ve bu göreceli hareketle dilimleme elde edilir.

Elmas şerit testereler sık ​​sık durma ve ters çevirme gerektirir ve kesme hızı çok düşüktür - genellikle 2 m/s'yi geçmez. Ayrıca önemli mekanik aşınma ve yüksek bakım maliyetlerinden muzdariptirler. Testere bıçağının genişliği nedeniyle, kesme yarıçapı çok küçük olamaz ve çok dilimli kesme mümkün değildir. Bu geleneksel testere aletleri tabanın sertliğiyle sınırlıdır ve kavisli kesimler yapamaz veya kısıtlı dönüş yarıçaplarına sahip olamazlar. Sadece düz kesimler yapabilirler, geniş kerfler üretirler, düşük bir verim oranına sahiptirler ve bu nedenle kesme için uygun değildirlerSiC kristalleri.

1.2 Ücretsiz Aşındırıcı Tel Testere Çok Telli Kesme

Serbest aşındırıcı tel testeresi kesme tekniği, bulamacı kerfe taşımak için telin hızlı hareketini kullanır ve malzeme çıkarılmasını sağlar. Esas olarak ileri geri hareket eden bir yapı kullanır ve şu anda tek kristal silikonun verimli çoklu gofret kesimi için olgun ve yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Ancak, SiC kesimindeki uygulaması daha az kapsamlı olarak incelenmiştir.

Serbest aşındırıcı tel testereler, 300 μm'den daha az kalınlıktaki gofretleri işleyebilir. Düşük kerf kaybı sunarlar, nadiren kırılmaya neden olurlar ve nispeten iyi yüzey kalitesiyle sonuçlanırlar. Ancak, aşındırıcıların yuvarlanması ve girintisine dayanan malzeme çıkarma mekanizması nedeniyle gofret yüzeyi önemli kalıntı gerilim, mikro çatlaklar ve daha derin hasar katmanları geliştirme eğilimindedir. Bu, gofretin eğrilmesine yol açar, yüzey profili doğruluğunu kontrol etmeyi zorlaştırır ve sonraki işleme adımlarındaki yükü artırır.

Kesme performansı bulamaçtan büyük ölçüde etkilenir; aşındırıcıların keskinliğini ve bulamacın konsantrasyonunu korumak gerekir. Bulamaç işleme ve geri dönüşümü maliyetlidir. Büyük boyutlu külçeleri keserken, aşındırıcılar derin ve uzun kerflere nüfuz etmekte zorluk çeker. Aynı aşındırıcı tanecik boyutu altında, kerf kaybı sabit aşındırıcı tel testerelerden daha fazladır.

1.3 Sabit Aşındırıcı Elmas Tel Testere Çok Telli Kesme

Sabit aşındırıcı elmas tel testereler genellikle elektrokaplama, sinterleme veya reçine bağlama yöntemleriyle elmas parçacıklarının bir çelik tel alt tabakaya gömülmesiyle yapılır. Elektrokaplanmış elmas tel testereler daha dar kerfler, daha iyi dilim kalitesi, daha yüksek verimlilik, daha düşük kirlenme ve yüksek sertlikteki malzemeleri kesme yeteneği gibi avantajlar sunar.

Karşılıklı hareket eden elektrokaplamalı elmas tel testeresi şu anda SiC kesmek için en yaygın kullanılan yöntemdir. Şekil 1 (burada gösterilmemiştir) bu teknik kullanılarak kesilen SiC gofretlerin yüzey düzlüğünü göstermektedir. Kesme ilerledikçe gofret eğriliği artar. Bunun nedeni, tel aşağı doğru hareket ettikçe tel ile malzeme arasındaki temas alanının artması ve direncin ve tel titreşiminin artmasıdır. Tel gofretin maksimum çapına ulaştığında, titreşim en üst seviyededir ve bu da maksimum eğriliğe neden olur.

Kesme işleminin sonraki aşamalarında, telin hızlanması, sabit hızda hareket etmesi, yavaşlaması, durması ve ters dönmesi ve soğutucu ile kalıntıların temizlenmesindeki zorluklar nedeniyle, gofretin yüzey kalitesi bozulur. Telin ters dönmesi ve hız dalgalanmaları ile tel üzerindeki büyük elmas parçacıkları, yüzey çiziklerinin birincil nedenleridir.

1.4 Soğuk Ayırma Teknolojisi

SiC tek kristallerinin soğuk ayrımı, üçüncü nesil yarı iletken malzeme işleme alanında yenilikçi bir işlemdir. Son yıllarda, verimi artırma ve malzeme kaybını azaltmadaki dikkate değer avantajları nedeniyle önemli ilgi görmüştür. Teknoloji üç açıdan analiz edilebilir: çalışma prensibi, süreç akışı ve temel avantajlar.

Kristal Yönlendirme Belirleme ve Dış Çap Taşlama: İşlemeden önce, SiC külçesinin kristal yönlendirmesi belirlenmelidir. Külçe daha sonra dış çap taşlama yoluyla silindirik bir yapıya (genellikle SiC diski olarak adlandırılır) şekillendirilir. Bu adım, sonraki yönlü kesme ve dilimleme için temel oluşturur.

Çok Telli Kesme: Bu yöntem, silindirik külçeyi kesmek için kesme telleriyle birleştirilmiş aşındırıcı parçacıklar kullanır. Ancak, önemli kerf kaybı ve yüzey pürüzlülüğü sorunları yaşar.

Lazer Kesim Teknolojisi: Kristalin içinde ince dilimlerin çıkarılabileceği modifiye edilmiş bir katman oluşturmak için bir lazer kullanılır. Bu yaklaşım malzeme kaybını azaltır ve işleme verimliliğini artırır, bu da onu SiC yonga kesimi için umut vadeden yeni bir yön haline getirir.

Kesim Süreci Optimizasyonu

Sabit Aşındırıcı Çok Telli Kesme: Bu, şu anda ana akım teknoloji olup, SiC'nin yüksek sertlik özelliklerine oldukça uygundur.

Elektriksel Deşarj İşleme (EDM) ve Soğuk Ayırma Teknolojisi: Bu yöntemler, belirli gereksinimlere göre uyarlanmış, çeşitlendirilmiş çözümler sunar.

Parlatma İşlemi: Malzeme çıkarma oranı ile yüzey hasarını dengelemek esastır. Yüzey düzgünlüğünü iyileştirmek için Kimyasal Mekanik Parlatma (CMP) kullanılır.

Gerçek Zamanlı İzleme: Yüzey pürüzlülüğünün gerçek zamanlı olarak izlenmesi için çevrimiçi muayene teknolojileri tanıtılmaktadır.

Lazer Dilimleme: Bu teknik, kerf kaybını azaltır ve işleme döngülerini kısaltır, ancak termal olarak etkilenen bölge hala bir sorun olmaya devam etmektedir.

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

Bu teknoloji halihazırda endüstriyel uygulamaya ulaşmıştır. Örneğin Infineon, SILTECTRA'yı satın aldı ve artık 8 inçlik gofretlerin seri üretimini destekleyen temel patentlere sahip. Çin'de Delong Laser gibi şirketler, 6 inçlik gofret işleme için külçe başına 30 gofretlik bir çıktı verimliliği elde etti ve bu da geleneksel yöntemlere göre %40'lık bir iyileştirme anlamına geliyor.

Yurt içi ekipman üretimi hızlandıkça, bu teknolojinin SiC alt tabaka işleme için ana akım çözüm haline gelmesi bekleniyor. Yarı iletken malzemelerin artan çapıyla, geleneksel kesme yöntemleri modası geçmiş hale geldi. Mevcut seçenekler arasında, ileri geri hareket eden elmas tel testere teknolojisi en umut verici uygulama beklentilerini gösteriyor. Ortaya çıkan bir teknik olan 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 bozulma elektrik alanı, yüksek doygunluk elektron sürüklenme hızı ve mükemmel termal iletkenliği nedeniyle önemli avantajlar sunar. Bu özellikler, SiC'yi özellikle yüksek voltajlı uygulamalarda (örneğin, 1200V ortamları) avantajlı hale getirir. SiC alt tabakaları için işleme teknolojisi, cihaz üretiminin temel bir parçasıdır. Alt tabakanın yüzey kalitesi ve hassasiyeti, epitaksiyel tabakanın kalitesini ve nihai cihazın performansını doğrudan etkiler.

Taşlama işleminin birincil amacı, dilimleme sırasında oluşan yüzey testere izlerini ve hasar katmanlarını gidermek ve kesme işlemiyle oluşan deformasyonu düzeltmektir. SiC'nin aşırı yüksek sertliği göz önüne alındığında, taşlama 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 Taşlama

Taşlama, aşındırıcı parçacık boyutuna göre kategorilere ayrılabilir:

Kaba Taşlama: Esas olarak kesme işlemi sırasında oluşan testere izlerini ve hasar katmanlarını gidermek için daha büyük aşındırıcılar kullanılır ve böylece işleme verimliliği artırılır.

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

Birçok yerli SiC alt tabaka üreticisi büyük ölçekli üretim süreçleri kullanır. Yaygın bir yöntem, dökme demir plaka ve monokristalin elmas bulamacı kullanılarak çift taraflı taşlama içerir. Bu işlem, tel kesme ile bırakılan hasar katmanını etkili bir şekilde temizler, gofret şeklini düzeltir ve TTV'yi (Toplam Kalınlık Değişimi), Eğriliği ve Eğriliği azaltır. Malzeme çıkarma oranı sabittir ve tipik olarak 0,8–1,2 μm/dakikaya ulaşır. Ancak, ortaya çıkan gofret yüzeyi nispeten yüksek pürüzlülüğe sahip mattır -genellikle yaklaşık 50 nm- bu da sonraki parlatma adımlarında daha yüksek talepler getirir.

2.2 Tek Taraflı Taşlama

Tek taraflı taşlama, gofretin yalnızca bir tarafını aynı anda işler. Bu işlem sırasında, gofret bir çelik levhaya mumla monte edilir. Uygulanan basınç altında, alt tabaka hafif bir deformasyona uğrar ve üst yüzey düzleştirilir. Taşlamadan sonra, alt yüzey düzleştirilir. Basınç kaldırıldığında, üst yüzey orijinal şekline geri dönme eğilimindedir ve bu, zaten öğütülmüş olan alt yüzeyi de etkiler ve her iki tarafın da eğrilmesine ve düzlüğünün bozulmasına neden olur.

Ayrıca, öğütme plakası kısa sürede içbükey hale gelebilir ve bu da gofretin dışbükey hale gelmesine neden olur. Plakanın düzlüğünü korumak için sık sık düzeltme yapılması gerekir. Düşük verimlilik ve zayıf gofret düzlüğü nedeniyle, tek taraflı öğütme seri üretim için uygun değildir.

Tipik olarak, ince taşlama için #8000 taşlama taşları kullanılır. Japonya'da bu işlem nispeten olgunlaşmıştır ve hatta #30000 parlatma taşları bile kullanılır. Bu, işlenmiş gofretlerin yüzey pürüzlülüğünün 2 nm'nin altına inmesini sağlayarak gofretleri ek işleme tabi tutulmadan son CMP'ye (Kimyasal Mekanik Parlatma) hazır hale getirir.

2.3 Tek Taraflı İnceltme Teknolojisi

Elmas Tek Taraflı İnceltme Teknolojisi, tek taraflı taşlamanın yeni bir yöntemidir. Şekil 5'te gösterildiği gibi (burada gösterilmemiştir), işlem elmasla bağlanmış bir taşlama plakası kullanır. Gofret, vakum adsorpsiyonu yoluyla sabitlenirken, hem gofret hem de elmas taşlama tekerleği aynı anda döner. Taşlama tekerleği, gofreti hedef kalınlığa inceltmek için kademeli olarak aşağı doğru hareket eder. Bir taraf tamamlandıktan sonra, gofret diğer tarafı işlemek için çevrilir.

İnceltme sonrasında 100 mm'lik bir gofret şu sonuçları elde edebilir:

Yay < 5 μm

TTV < 2 μm

Yüzey pürüzlülüğü < 1 nm

Bu tek-gofret işleme yöntemi yüksek stabilite, mükemmel tutarlılık ve yüksek malzeme çıkarma oranı sunar. Geleneksel çift taraflı taşlama ile karşılaştırıldığında, bu teknik taşlama verimliliğini %50'nin üzerinde artırır.

2.4 Çift Taraflı Taşlama

Çift taraflı taşlama, alt tabakanın her iki tarafını aynı anda taşlamak için hem üst hem de alt taşlama plakasını kullanır ve böylece her iki tarafta da mükemmel yüzey kalitesi sağlanır.

İşlem sırasında, taşlama plakaları önce iş parçasının en yüksek noktalarına basınç uygulayarak bu noktalarda deformasyona ve kademeli malzeme çıkarılmasına neden olur. Yüksek noktalar düzleştirildikçe, alt tabaka üzerindeki basınç giderek daha düzgün hale gelir ve tüm yüzeyde tutarlı deformasyona neden olur. Bu, hem üst hem de alt yüzeylerin eşit şekilde taşlanmasını sağlar. Taşlama tamamlandıktan ve basınç serbest bırakıldıktan sonra, alt tabakanın her bir parçası deneyimlediği eşit basınç nedeniyle düzgün bir şekilde iyileşir. Bu, minimum eğilmeye ve iyi bir düzlüğe yol açar.

Taşlamadan sonra gofretin yüzey pürüzlülüğü aşındırıcı parçacık boyutuna bağlıdır; daha küçük parçacıklar daha pürüzsüz yüzeyler sağlar. Çift taraflı taşlama için 5 μm aşındırıcılar kullanıldığında, gofretin 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 derinliğe kadar taşlama çukurları ve aşındırıcı eylemden kaynaklanan görünür doğrusal izler göstermektedir.

Daha gelişmiş bir yöntem, poliüretan köpük pedleri ile polikristalin elmas bulamacının birleştirilmesiyle çift taraflı taşlama içerir. Bu işlem, SiC alt tabakalarının sonraki parlatılması için oldukça faydalı olan Ra < 3 nm'ye ulaşan çok düşük yüzey pürüzlülüğüne sahip gofretler üretir.

Ancak, yüzey çizilmesi hala çözülememiş bir sorundur. Ek olarak, bu işlemde kullanılan polikristalin elmas, teknik olarak zorlayıcı, düşük miktarlarda verim sağlayan ve aşırı pahalı olan patlayıcı sentez yoluyla üretilir.

SiC Tek Kristallerinin Parlatılması

Silisyum karbür (SiC) plakalarda yüksek kaliteli cilalı bir yüzey elde etmek için, cilalamanın taşlama çukurlarını ve nanometre ölçeğindeki yüzey dalgalanmalarını tamamen ortadan kaldırması gerekir. Amaç, kirlenme veya bozulma, yüzey altı hasarı ve artık yüzey gerilimi olmayan pürüzsüz, kusursuz bir yüzey üretmektir.

3.1 SiC Wafer'ların Mekanik Parlatılması ve CMP'si

Bir SiC tek kristal külçenin büyütülmesinden sonra, yüzey kusurları doğrudan epitaksiyel büyüme için kullanılmasını engeller. Bu nedenle, daha fazla işleme ihtiyaç vardır. Külçe önce yuvarlatma yoluyla standart bir silindirik forma şekillendirilir, ardından tel kesme kullanılarak gofretlere dilimlenir ve ardından kristalografik yönelim doğrulaması yapılır. Cilalama, gofret kalitesini iyileştirmede kritik bir adımdır ve kristal büyüme kusurları ve önceki işleme adımlarından kaynaklanan olası yüzey hasarını ele alır.

SiC üzerindeki yüzey hasar katmanlarını gidermek için dört ana yöntem vardır:

Mekanik parlatma: Basittir ancak çizik bırakır; ilk parlatma için uygundur.

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

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

Plazma destekli cilalama: Karmaşık ve nadiren kullanılır.

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

CMP Çalışma Prensibi

CMP, gofreti dönen bir cilalama pedine karşı belirli bir basınç altında döndürerek çalışır. Bu bağıl hareket, bulamaçtaki nano boyutlu aşındırıcılardan kaynaklanan mekanik aşınma ve reaktif ajanların kimyasal etkisiyle birleşerek yüzeyin düzleştirilmesini sağlar.

Kullanılan temel malzemeler:

Parlatma bulamacı: Aşındırıcı maddeler ve kimyasal reaktifler içerir.

Parlatma pedi: Kullanım sırasında aşınır, gözenek boyutunu ve bulamaç dağıtım verimliliğini azaltır. Pürüzlülüğü geri kazandırmak için genellikle elmas bir parlatıcı kullanılarak düzenli parlatma gerekir.

Tipik CMP Süreci

Aşındırıcı: 0,5 μm elmas bulamacı

Hedef yüzey pürüzlülüğü: ~0,7 nm

Kimyasal Mekanik Parlatma:

Parlatma ekipmanı: AP-810 tek taraflı parlatıcı

Basınç: 200 gr/cm²

Plaka hızı: 50 rpm

Seramik tutucu hızı: 38 rpm

Bulamaç bileşimi:

SiO₂ (%30 ağırlık, pH = 10,15)

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

pH'ı %5 ağırlıkça KOH ve %1 ağırlıkça HNO₃ kullanarak 8,5'e ayarlayın

Bulamaç akış hızı: 3 L/dak, yeniden dolaşımlı

Bu işlem, SiC yonga kalitesini etkili bir şekilde iyileştirir ve alt proseslerin gereksinimlerini karşılar.

Mekanik Parlatmada Teknik Zorluklar

Geniş bant aralıklı bir yarı iletken olan SiC, elektronik endüstrisinde hayati bir rol oynar. Mükemmel fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip olan SiC tek kristalleri, yüksek sıcaklık, yüksek frekans, yüksek güç ve radyasyon direnci gibi aşırı ortamlar için uygundur. Ancak sert ve kırılgan yapısı, taşlama ve parlatma için büyük zorluklar sunar.

Önde gelen küresel üreticiler 6 inçten 8 inçlik gofretlere geçiş yaptıkça, işleme sırasında çatlama ve gofret hasarı gibi sorunlar daha belirgin hale geldi ve verimi önemli ölçüde etkiledi. 8 inçlik SiC alt tabakalarının teknik zorluklarının ele alınması artık sektörün ilerlemesi için önemli bir ölçüt haline geldi.

8 inç çağında, SiC yonga işleme çok sayıda zorlukla karşı karşıyadır:

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

8 inçlik SiC tek kristallerinin büyümesi olgunlaşmış olsa da, taşlama ve parlatma gibi arka uç işlemleri hala darboğazlarla karşı karşıyadır ve bu da düşük verime (sadece %40-50) neden olmaktadır.

Daha büyük gofretler daha karmaşık basınç dağılımlarına maruz kalır, bu da parlatma stresini ve verim tutarlılığını yönetmeyi zorlaştırır.

8 inçlik gofretlerin kalınlığı 6 inçlik gofretlere yaklaşsa da, stres ve eğilme nedeniyle elleçleme sırasında hasar görmeye daha yatkındırlar.

Kesmeyle ilgili stresi, eğriliği ve çatlamayı azaltmak için lazer kesim giderek daha fazla kullanılıyor. Ancak:

Uzun dalga boylu lazerler termal hasara neden olur.

Kısa dalga boylu lazerler yoğun döküntüler oluşturur ve hasar tabakasını derinleştirerek parlatma karmaşıklığını artırır.

SiC için Mekanik Parlatma İş Akışı

Genel süreç akışı şunları içerir:

Yönlendirme kesimi

Kaba taşlama

İnce öğütme

Mekanik parlatma

Son adım olarak Kimyasal Mekanik Parlatma (CMP)

CMP yönteminin seçimi, proses rotası tasarımı ve parametrelerin optimizasyonu kritik öneme sahiptir. Yarı iletken üretiminde CMP, yüksek kaliteli epitaksiyel büyüme için gerekli olan ultra pürüzsüz, kusursuz ve hasarsız yüzeylere sahip SiC gofretleri üretmek için belirleyici adımdır.

(a) SiC külçesini potadan çıkarın;

(b) Dış çap taşlama kullanarak ilk şekillendirmeyi gerçekleştirin;

(c) Hizalama düzlüklerini veya çentiklerini kullanarak kristal yönelimini belirleyin;

(d) Çok telli testere kullanarak külçeyi ince levhalar halinde dilimleyin;

(e) Taşlama ve parlatma adımlarıyla ayna benzeri yüzey pürüzsüzlüğüne ulaşın.

İşleme adımları serisi tamamlandıktan sonra, SiC gofretin dış kenarı genellikle keskinleşir ve bu da elleçleme veya kullanım sırasında kırılma riskini artırır. Bu tür kırılganlığı önlemek için kenar taşlama gereklidir.

Geleneksel dilimleme işlemlerine ek olarak, SiC yongaları hazırlamak için yenilikçi bir yöntem, bağlama teknolojisini içerir. Bu yaklaşım, ince bir SiC tek kristal tabakasının heterojen bir alt tabakaya (destekleyici alt tabaka) bağlanmasıyla yonga imalatını mümkün kılar.

Şekil 3 süreç akışını göstermektedir:

Öncelikle, hidrojen iyon implantasyonu veya benzeri teknikler yoluyla SiC tek kristalinin yüzeyinde belirli bir derinlikte bir delaminasyon tabakası oluşturulur. İşlenmiş SiC tek kristali daha sonra düz bir destekleyici alt tabakaya bağlanır ve basınç ve ısıya tabi tutulur. Bu, SiC tek kristal tabakasının destekleyici alt tabakaya başarılı bir şekilde aktarılmasını ve ayrılmasını sağlar.

Ayrılan SiC tabakası, gerekli düzlüğü elde etmek için yüzey işlemine tabi tutulur ve sonraki bağlama işlemlerinde yeniden kullanılabilir. SiC kristallerinin geleneksel dilimlenmesiyle karşılaştırıldığında, bu teknik pahalı malzemelere olan talebi azaltır. Teknik zorluklar devam etse de, daha düşük maliyetli gofret üretimine olanak sağlamak için araştırma ve geliştirme aktif olarak ilerlemektedir.

SiC'nin yüksek sertliği ve kimyasal kararlılığı göz önüne alındığında, oda sıcaklığında reaksiyonlara karşı dirençli olması nedeniyle, ince taşlama çukurlarını gidermek, yüzey hasarını azaltmak, çizikleri, çukurlaşmayı ve portakal kabuğu kusurlarını ortadan kaldırmak, yüzey pürüzlülüğünü azaltmak, düzlüğü iyileştirmek ve yüzey kalitesini artırmak için mekanik parlatma gereklidir.

Yüksek kalitede cilalı bir yüzey elde etmek için şunlar gereklidir:

Aşındırıcı türlerini ayarlayın,

Parçacık boyutunu küçültün,

Proses parametrelerini optimize edin,

Uygun sertlikte cila malzemeleri ve pedleri seçin.

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

3.2 Kimyasal Mekanik Parlatma (CMP)

Kimyasal Mekanik Parlatma (CMP), işlenen malzemede pürüzsüz, düz bir yüzey oluşturmak için ultra ince parçacık aşındırmasını kimyasal aşındırmayla birleştirir. Temel prensip şudur:

Cilalama bulamacı ile gofret yüzeyi arasında kimyasal bir reaksiyon meydana gelerek yumuşak bir tabaka oluşur.

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

CMP’nin avantajları:

Tamamen mekanik veya kimyasal parlatmanın dezavantajlarının üstesinden gelir,

Hem küresel hem de yerel düzeyde planlamayı gerçekleştirir,

Yüksek düzlük ve düşük pürüzlülüğe sahip yüzeyler üretir,

Yüzeyde veya yüzey altında hasar bırakmaz.

Ayrıntılı olarak:

Wafer, basınç altında parlatma pedine göre hareket eder.

Bulamaçtaki nanometre ölçekli aşındırıcılar (örneğin, SiO₂) kesme işlemine katılır, Si–C kovalent bağlarını zayıflatır ve malzeme giderimini artırır.

CMP Tekniklerinin Türleri:

Serbest Aşındırıcı Cilalama: Aşındırıcılar (örneğin, SiO₂) bulamaçta asılıdır. Malzemenin çıkarılması üç gövdeli aşınma (wafer-ped-aşındırıcı) yoluyla gerçekleşir. Aşındırıcı boyutu (tipik olarak 60–200 nm), pH ve sıcaklık, tekdüzeliği iyileştirmek için hassas bir şekilde kontrol edilmelidir.

Sabit Aşındırıcı Cilalama: Aşındırıcılar, kümeleşmeyi önlemek için cilalama pedine gömülüdür; yüksek hassasiyetli işlemler için idealdir.

Cilalama Sonrası Temizlik:

Cilalı gofretler şu işlemlerden geçer:

Kimyasal temizlik (DI suyu ve bulamaç kalıntılarının giderilmesi dahil),

DI su ile durulama ve

Sıcak azot kurutma

yüzey kirleticilerini en aza indirmek için.

Yüzey Kalitesi ve Performansı

Yüzey pürüzlülüğü, yarı iletken epitaksi gerekliliklerini karşılayacak şekilde Ra < 0,3 nm'ye düşürülebilir.

Global Düzleştirme: Kimyasal yumuşatma ve mekanik çıkarma işleminin birleşimi, çizikleri ve düzensiz aşınmayı azaltarak saf mekanik veya kimyasal yöntemlerden daha iyi performans gösterir.

Yüksek Verimlilik: 200 nm/saatin üzerinde malzeme çıkarma oranlarıyla, SiC gibi sert ve kırılgan malzemeler için uygundur.

Diğer Ortaya Çıkan Parlatma Teknikleri

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

Elektrokimyasal parlatma, Katalizör destekli parlatma veya aşındırma ve

Tribokimyasal cilalama.

Ancak bu yöntemler henüz araştırma aşamasındadır ve SiC'nin zorlu malzeme özellikleri nedeniyle yavaş gelişmektedir.

Sonuç olarak, SiC işleme, yüzey kalitesini iyileştirmek için eğriliği ve pürüzlülüğü azaltmayı amaçlayan kademeli bir işlemdir; burada her aşamada düzlük ve pürüzlülük kontrolü kritik öneme sahiptir.

İşleme Teknolojisi

Wafer öğütme aşamasında, wafer'ı gerekli düzlüğe ve yüzey pürüzlülüğüne öğütmek için farklı parçacık boyutlarına sahip elmas bulamacı kullanılır. Bunu, hasarsız cilalı silisyum karbür (SiC) wafer'ları üretmek için hem mekanik hem de kimyasal mekanik parlatma (CMP) teknikleri kullanılarak parlatma izler.

Cilalamadan sonra, SiC gofretleri tüm teknik parametrelerin gerekli standartları karşıladığından emin olmak için optik mikroskoplar ve X-ışını difraktometreleri gibi aletler kullanılarak sıkı bir kalite kontrolünden geçirilir. Son olarak, cilalanmış gofretler yüzey kirleticilerini gidermek için özel temizlik maddeleri ve ultra saf su kullanılarak temizlenir. Daha sonra ultra yüksek saflıkta nitrojen gazı ve santrifüjlü kurutucular kullanılarak kurutulur ve tüm üretim süreci tamamlanır.

Yıllar süren çabaların ardından, Çin'de SiC tek kristal işleme konusunda önemli ilerlemeler kaydedildi. Yurt içinde, 100 mm katkılı yarı yalıtkan 4H-SiC tek kristalleri başarıyla geliştirildi ve n tipi 4H-SiC ve 6H-SiC tek kristalleri artık partiler halinde üretilebiliyor. TankeBlue ve TYST gibi şirketler halihazırda 150 mm SiC tek kristalleri geliştirdiler.

SiC yonga işleme teknolojisi açısından, yerli kuruluşlar kristal dilimleme, taşlama ve parlatma için işlem koşullarını ve rotalarını önceden araştırmışlardır. Temel olarak cihaz imalatı için gereklilikleri karşılayan örnekler üretebilirler. Ancak, uluslararası standartlarla karşılaştırıldığında, yerli yongaların yüzey işleme kalitesi hala önemli ölçüde geride kalmaktadır. Birkaç sorun vardır:

Uluslararası SiC teorileri ve işleme teknolojileri sıkı bir şekilde korunmaktadır ve bunlara erişim kolay değildir.

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

Yabancı ekipman ve komponentlerin ithalatının maliyeti yüksektir.

Ekipman tasarımı, işleme hassasiyeti ve malzemeler konusunda yurtiçi araştırmalarda uluslararası düzeylere kıyasla hala önemli boşluklar görülmektedir.

Şu anda Çin'de kullanılan yüksek hassasiyetli aletlerin çoğu ithal edilmektedir. Test ekipmanları ve metodolojilerinin de daha fazla iyileştirilmesi gerekmektedir.

Üçüncü nesil yarı iletkenlerin sürekli geliştirilmesiyle birlikte, SiC tek kristal alt tabakaların çapı, yüzey işleme kalitesi için daha yüksek gereksinimlerle birlikte sürekli olarak artmaktadır. Wafer işleme teknolojisi, SiC tek kristal büyümesinden sonraki teknik olarak en zorlu adımlardan biri haline gelmiştir.

İşlemedeki mevcut zorlukları ele almak için, kesme, taşlama ve parlatmada yer alan mekanizmaları daha fazla incelemek ve SiC gofret üretimi için uygun işlem yöntemlerini ve rotalarını keşfetmek esastır. Aynı zamanda, gelişmiş uluslararası işleme teknolojilerinden öğrenmek ve yüksek kaliteli alt tabakalar üretmek için son teknoloji ürünü ultra hassas işleme tekniklerini ve ekipmanlarını benimsemek gerekir.

Wafer boyutu arttıkça, kristal büyütme ve işleme zorluğu da artar. Ancak, alt akış cihazlarının üretim verimliliği önemli ölçüde iyileşir ve birim maliyet düşer. Şu anda, küresel olarak ana SiC wafer tedarikçileri 4 inçten 6 inçe kadar çap aralığında ürünler sunmaktadır. Cree ve II-VI gibi önde gelen şirketler, 8 inçlik SiC wafer üretim hatlarının geliştirilmesi için planlama yapmaya çoktan başladı.