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 olanaklarına sahiptir. SiC işleme teknolojisi, yüksek kaliteli alttaş malzemelerinin üretiminde belirleyici bir rol oynamaktadır. Bu makale, hem Çin'de hem de yurt dışında SiC işleme teknolojileri üzerine yapılan araştırmaların mevcut durumunu ele alarak, kesme, taşlama ve parlatma işlemlerinin mekanizmalarını analiz edip karşılaştırmakta ve yonga düzlüğü ve yüzey pürüzlülüğündeki eğilimleri incelemektedir. Ayrıca, SiC yonga işlemedeki mevcut zorluklara dikkat çekmekte ve gelecekteki geliştirme yönlerini tartışmaktadır.

Silisyum karbür (SiC)Gofretler, 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 nedeniyle,SiC tek kristalleriGeleneksel yarı iletken işleme yöntemleri, bunların işlenmesi için tamamen uygun değildir. Birçok uluslararası şirket, teknik açıdan zorlu SiC tek kristallerinin işlenmesi konusunda kapsamlı araştırmalar yürütmüş olsa da, ilgili teknolojiler kesinlikle gizli tutulmaktadır.

Son yıllarda Çin, SiC tek kristal malzeme ve cihazlarının geliştirilmesine yönelik çalışmalarını artırmıştır. Ancak, ülkedeki SiC cihaz teknolojisinin ilerlemesi şu anda işleme teknolojileri ve yonga kalitesindeki sınırlamalarla sınırlıdır. Bu nedenle, Çin'in SiC tek kristal alttaşlarının kalitesini artırmak ve pratik uygulama ve seri üretime ulaşmak için SiC işleme yeteneklerini geliştirmesi hayati önem taşımaktadır.

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

SiC Tek Kristallerinin Kesilmesi

işlenmesindeSiC tek kristalleriKesme, ilk ve oldukça kritik bir adımdır. Kesim işlemi sonucunda gofretin eğriliği, eğriliği ve toplam kalınlık değişimi (TTV), sonraki taşlama ve parlatma işlemlerinin kalitesini ve etkinliğini belirler.

Kesici takımlar, şekillerine göre elmas iç çaplı (ID) testereler, dış çaplı (OD) testereler, şerit testereler ve tel testereler olarak sınıflandırılabilir. Tel testereler ise hareket türlerine göre ileri geri hareket eden ve sonsuz tel sistemleri olarak sınıflandırılabilir. Aşındırıcının kesme mekanizmasına bağlı olarak, tel testere ile kesme teknikleri iki türe ayrılabilir: serbest aşındırıcı tel kesme ve sabit aşındırıcı elmas tel kesme.

1.1 Geleneksel Kesme Yöntemleri

Dış çap (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 çap (ID) testerelerde, bıçağın iç çevresinde kesme kenarı olarak elmas aşındırıcılar kullanılır. Bu bıçaklar 0,2 mm kadar ince olabilir. Dilimleme sırasında, iç çap bıçağı yüksek hızda dönerken, kesilecek malzeme bıçağın merkezine göre radyal olarak hareket eder ve bu göreceli hareket sayesinde dilimleme gerçekleşir.

Elmas şerit testereler sık sık durma ve geri dönüş gerektirir ve kesme hızı çok düşüktür; genellikle 2 m/s'yi geçmez. Ayrıca önemli mekanik aşınma ve yüksek bakım maliyetlerine maruz kalırlar. Testere bıçağının genişliği nedeniyle kesme yarıçapı çok küçük olamaz ve çok dilimli kesim mümkün değildir. Bu geleneksel testere takımları, tabanın rijitliğiyle sınırlıdır ve kavisli kesimler yapamaz veya kısıtlı dönüş yarıçaplarına sahip değildir. Yalnızca düz kesimler yapabilir, geniş kesimler oluşturur, düşük verim oranına sahiptir ve bu nedenle kesme için uygun değildir.SiC kristalleri.

1.2 Ücretsiz Çok Telli Aşındırıcı Tel Testere Kesme

Serbest aşındırıcı tel testere ile kesme tekniği, telin hızlı hareketini kullanarak bulamacı kesiğe taşır ve böylece malzemenin çıkarılmasını sağlar. Esas olarak ileri geri hareket eden bir yapı kullanır ve şu anda tek kristal silisyumun verimli çoklu gofret kesimi için olgunlaşmış ve yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Ancak, SiC kesimindeki uygulaması daha az kapsamlı olarak incelenmiştir.

Serbest aşındırıcı tel testereler, 300 μm'den daha ince kalınlıktaki gofretleri işleyebilir. Düşük kesme kaybı sunarlar, nadiren talaş oluşumuna neden olurlar ve nispeten iyi yüzey kalitesi sağlarlar. Ancak, aşındırıcıların yuvarlanması ve girintilenmesine dayanan malzeme çıkarma mekanizması nedeniyle, gofret yüzeyinde önemli kalıntı gerilim, mikro çatlaklar ve daha derin hasar katmanları oluşma eğilimindedir. Bu durum, gofret eğrilmesine yol açar, yüzey profili doğruluğunu kontrol etmeyi zorlaştırır ve sonraki işlem adımlarındaki yükü artırır.

Kesme performansı, bulamaçtan büyük ölçüde etkilenir; aşındırıcıların keskinliğini ve bulamaç yoğunluğunu korumak gerekir. Bulamaç işleme ve geri dönüşümü maliyetlidir. Büyük boyutlu külçeler kesilirken, aşındırıcılar derin ve uzun kesiklere nüfuz etmekte zorlanır. Aynı aşındırıcı tane boyutu altında, kesik kaybı, sabit aşındırıcı tel testerelere göre 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 çelik tel alt tabakaya gömülmesiyle üretilir. Elektrokaplamalı elmas tel testereler, daha dar kesim aralıkları, daha iyi dilim kalitesi, daha yüksek verimlilik, daha düşük kirlilik ve yüksek sertlikteki malzemeleri kesebilme gibi avantajlar sunar.

İleri geri hareket eden elektroliz kaplı elmas tel testere, günümüzde SiC kesimi için en yaygın kullanılan yöntemdir. Şekil 1 (burada gösterilmemiştir), bu teknik kullanılarak kesilen SiC gofretlerin yüzey düzgünlüğünü göstermektedir. Kesim ilerledikçe gofret eğriliği artar. Bunun nedeni, tel aşağı doğru hareket ettikçe tel ile malzeme arasındaki temas alanının artması ve bu sayede direncin ve tel titreşiminin artmasıdır. Tel, gofretin maksimum çapına ulaştığında, titreşim en yüksek seviyededir ve bu da maksimum eğriliğe neden olur.

Kesme işleminin sonraki aşamalarında, telin hızlanması, sabit hızda hareket etmesi, yavaşlaması, durması ve ters dönmesi ve soğutma sıvısıyla kalıntıların temizlenmesindeki zorluklar nedeniyle, gofretin yüzey kalitesi bozulur. Telin ters dönmesi ve hız dalgalanmaları ile tel üzerindeki büyük elmas parçacıkları, yüzey çiziklerinin başlıca 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 önemli avantajları nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Teknoloji üç açıdan incelenebilir: çalışma prensibi, süreç akışı ve temel avantajlar.

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

Çok Telli Kesme: Bu yöntem, silindirik külçeyi kesmek için aşındırıcı parçacıkların kesme telleriyle birleştirilmesiyle yapılır. Ancak, önemli ölçüde kerf kaybı ve yüzey pürüzlülüğü sorunları yaşanır.

Lazer Kesim Teknolojisi: Kristal içinde ince dilimlerin çıkarılabileceği modifiye edilmiş bir katman oluşturmak için lazer kullanılır. Bu yaklaşım, malzeme kaybını azaltıp işleme verimliliğini artırarak, SiC yonga kesimi için umut vadeden yeni bir alan haline gelir.

Kesme İşlemi Optimizasyonu

Sabit Aşındırıcı Çok Telli Kesme: Bu, şu anda ana akım teknolojidir ve SiC'nin yüksek sertlik özelliklerine çok uygundur.

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

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

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

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

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

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

Yerli ekipman üretimi hızlandıkça, bu teknolojinin SiC alt tabaka işleme için ana akım çözüm haline gelmesi bekleniyor. Yarı iletken malzemelerin artan çapıyla birlikte geleneksel kesme yöntemleri artık geçerliliğini yitirmiştir. Mevcut seçenekler arasında, ileri geri hareket eden elmas tel kesme teknolojisi en umut verici uygulama potansiyeline sahiptir. Gelişmekte olan bir teknik olan lazer kesim, önemli avantajlar sunmakta ve gelecekte birincil kesme yöntemi haline gelmesi beklenmektedir.

2、SiC Tek Kristal Öğütme

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

Taşlama işleminin temel amacı, kesme işlemi sırasında oluşan yüzey 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 Taşlama

Taşlama, aşındırıcı parçacık boyutuna göre kategorize edilebilir:

Kaba Taşlama: Esas olarak kesme işlemi sırasında oluşan testere izlerini ve hasar katmanlarını gidermek için daha büyük aşındırıcılar kullanılır ve bu sayede 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 alttaş üreticisi, büyük ölçekli üretim süreçleri kullanmaktadır. Yaygın bir yöntem, dökme demir plaka ve monokristalin elmas bulamacı kullanılarak çift taraflı taşlamadır. Bu işlem, tel kesme işleminin bıraktığı hasar katmanını etkili bir şekilde temizler, gofret şeklini düzeltir ve TTV'yi (Toplam Kalınlık Değişimi), kavisi ve eğriliği azaltır. Malzeme kaldırma hızı sabittir ve genellikle 0,8-1,2 μm/dak'ya ulaşır. Ancak, elde edilen gofret yüzeyi nispeten yüksek pürüzlülüğe (genellikle yaklaşık 50 nm) sahip mat bir yapıdadır ve bu da sonraki parlatma adımları için daha yüksek talepler doğurur.

2.2 Tek Taraflı Taşlama

Tek taraflı taşlama, gofretin yalnızca bir tarafını aynı anda işler. Bu işlem sırasında, gofret bir çelik plaka üzerine balmumu ile monte edilir. Uygulanan basınç altında, alt tabaka hafif bir deformasyona uğrar ve üst yüzey düzleşir. Taşlama işleminden sonra alt yüzey düzleştirilir. Basınç kaldırıldığında, üst yüzey orijinal şekline dönme eğilimindedir ve bu durum, önceden taşlanmış alt yüzeyi de etkileyerek her iki tarafın da eğrilmesine ve düzlüğünün bozulmasına neden olur.

Ayrıca, öğütme plakası kısa sürede içbükey hale gelebilir ve bu da gofretin dışbükey olmasına neden olabilir. Plakanın düzlüğünü korumak için sık sık zımparalama yapılması gerekir. Düşük verimlilik ve gofretin düşük düzlüğü nedeniyle, tek taraflı öğütme seri üretim için uygun değildir.

Genellikle ince taşlama için #8000 taşlama taşları kullanılır. Japonya'da bu işlem nispeten gelişmiştir ve hatta #30000 parlatma taşları bile kullanılır. Bu, işlenmiş gofretlerin yüzey pürüzlülüğünün 2 nm'nin altına düşmesini sağlayarak gofretlerin ek işlem gerektirmeden nihai CMP (Kimyasal Mekanik Parlatma) işlemine hazır hale gelmesini sağlar.

2.3 Tek Taraflı İnceltme Teknolojisi

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

İnceltme işleminden sonra 100 mm'lik bir gofret şunları başarabilir:

Yay < 5 μm

TTV < 2 μm

Yüzey pürüzlülüğü < 1 nm

Bu tek gofret işleme yöntemi, yüksek stabilite, mükemmel kıvam 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 baskı uygulayarak, bu noktalarda deformasyona ve kademeli malzeme kaybına neden olur. Yüksek noktalar düzleştikçe, alt tabaka üzerindeki basınç giderek daha homojen hale gelir ve tüm yüzeyde tutarlı bir deformasyona yol açar. Bu, hem üst hem de alt yüzeylerin eşit şekilde taşlanmasını sağlar. Taşlama işlemi tamamlanıp basınç kaldırıldığında, alt tabakanın her bir parçası, maruz kaldığı eşit basınç sayesinde eşit şekilde toparlanır. Bu da minimum eğilme ve iyi bir düzlük sağlar.

Taşlama işleminden 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 yüzey pürüzlülüğü (Rq) ve 380 nm derinliğe kadar taşlama çukurları ile aşındırıcı etkiden kaynaklanan gözle görülür doğrusal izler göstermektedir.

Daha gelişmiş bir yöntem ise poliüretan köpük pedlerin polikristalin elmas bulamacıyla birleştirilmesiyle çift taraflı taşlama işlemini içerir. Bu işlem, çok düşük yüzey pürüzlülüğüne sahip gofretler üretir ve Ra < 3 nm değerine ulaşır; bu da SiC alt tabakaların sonraki parlatılması için oldukça faydalıdır.

Ancak, yüzey çizilmesi hala çözümsüz bir sorundur. Ayrıca, bu işlemde kullanılan polikristalin elmas, teknik olarak zorlu, düşük miktarlarda verim sağlayan ve son derece pahalı olan patlayıcı sentez yoluyla üretilir.

SiC Tek Kristallerinin Parlatılması

Silisyum karbür (SiC) gofretlerde yüksek kaliteli cilalı bir yüzey elde etmek için, cilalama işlemi taşlama çukurlarını ve nanometre ölçeğindeki yüzey dalgalanmalarını tamamen ortadan kaldırmalıdır. Amaç, kirlenme veya bozulma, yüzey altı hasarı ve kalıntı yüzey gerilimi olmayan, pürüzsüz ve kusursuz bir yüzey elde etmektir.

3.1 SiC Gofretlerin Mekanik Parlatılması ve CMP'si

Bir SiC tek kristal külçenin büyütülmesinden sonra, yüzey kusurları doğrudan epitaksiyel büyütme için kullanılmasını engeller. Bu nedenle, daha ileri bir işlem gereklidir. Külçe önce yuvarlatma yoluyla standart bir silindirik forma getirilir, ardından tel kesme yöntemiyle yongalara dilimlenir ve ardından kristalografik yönelim doğrulaması yapılır. Parlatma, yonga kalitesini iyileştirmede kritik bir adımdır ve kristal büyüme kusurları ve önceki işlem adımlarından kaynaklanan olası yüzey hasarını giderir.

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 genellikle çiziklere neden olurken, sadece kimyasal parlatma düzensiz aşınmaya yol açabilir. CMP her iki avantajı da bir araya getirerek verimli ve uygun maliyetli bir çözüm sunar.

CMP Çalışma Prensibi

CMP, gofretin belirli bir basınç altında dönen bir parlatma pedine doğru dönmesiyle çalışır. Bu bağıl hareket, bulamaçtaki nano boyutlu aşındırıcıların mekanik aşınması ve reaktif maddelerin kimyasal etkisiyle birleşerek yüzeyin düzleşmesini sağlar.

Kullanılan temel malzemeler:

Parlatma bulamacı: Aşındırıcılar ve kimyasal reaktifler içerir.

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

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

Bulamaç akış hızı: 3 L/dak, yeniden dolaştırılan

Bu işlem, SiC gofret kalitesini etkili bir şekilde iyileştirir ve alt akış proseslerinin gereksinimlerini karşılar.

Mekanik Parlatmada Teknik Zorluklar

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

Dünyanın önde gelen üreticileri 6 inçlik gofretlerden 8 inçlik gofretlere geçiş yaptıkça, işleme sırasında çatlama ve gofret hasarı gibi sorunlar daha da belirgin hale gelerek verimi önemli ölçüde etkilemektedir. 8 inçlik SiC alt tabakalarının teknik zorluklarının ele alınması, artık sektörün ilerlemesi için önemli bir ölçüt haline gelmiştir.

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 verimle (sadece %40-50) sonuçlanmaktadır.

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

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

Kesme işlemine bağlı stresi, eğrilmeyi ve çatlamayı azaltmak için lazer kesim giderek daha fazla kullanılmaktadır. 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 yongaları üretmek için belirleyici bir adımdır.

(a) SiC külçesini potadan çıkarın;

(b) Dış çap taşlama kullanılarak ilk şekillendirme gerçekleştirilir;

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

(d) Çok telli testere kullanarak külçeyi ince dilimler halinde kesin;

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

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

Geleneksel dilimleme işlemlerine ek olarak, SiC yongaları hazırlamak için yenilikçi bir yöntem, yapıştırma teknolojisini içerir. Bu yaklaşım, ince bir SiC tek kristal katmanının heterojen bir alt tabakaya (destekleyici alt tabaka) bağlanmasıyla yonga üretimine olanak tanır.

Şekil 3 süreç akışını göstermektedir:

Öncelikle, hidrojen iyonu aşılama veya benzeri teknikler kullanılarak SiC tek kristalinin yüzeyinde belirli bir derinlikte bir delaminasyon tabakası oluşturulur. İşlenen SiC tek kristali daha sonra düz bir destekleyici alt tabakaya yapıştırılır ve basınç ve ısıya maruz bırakılır. 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 yapıştırma işlemlerinde tekrar kullanılabilir. Geleneksel SiC kristal dilimleme yöntemine kıyasla, bu teknik pahalı malzemelere olan talebi azaltır. Teknik zorluklar devam etse de, daha düşük maliyetli yonga üretimine olanak sağlamak için araştırma ve geliştirme çalışmaları aktif olarak ilerlemektedir.

SiC'nin yüksek sertliği ve kimyasal kararlılığı göz önüne alındığında (bu özellik onu oda sıcaklığındaki reaksiyonlara karşı dirençli kılar), ince taşlama çukurlarını gidermek, yüzey hasarını azaltmak, çizikleri, çukurlaşmayı ve portakal kabuğu kusurlarını ortadan kaldırmak, yüzey pürüzlülüğünü azaltmak, düzgünlüğü iyileştirmek ve yüzey kalitesini artırmak için mekanik parlatma gereklidir.

Yüksek kalitede cilalı bir yüzey elde etmek için şunlara dikkat etmek gerekir:

Aşındırıcı türlerini ayarlayın,

Parçacık boyutunu azaltın,

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 ve düz bir yüzey oluşturmak için ultra ince parçacık aşındırmasını kimyasal aşındırma ile birleştirir. Temel prensip şudur:

Parlatma 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) bulamaç içinde süspanse edilir. Malzeme giderimi, üç gövdeli aşınma (gofret-ped-aşındırıcı) yoluyla gerçekleşir. Aşındırıcı boyutu (genellikle 60-200 nm), pH ve sıcaklık, homojenliği artırmak için hassas bir şekilde kontrol edilmelidir.

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

Cilalama Sonrası Temizlik:

Cilalı gofretler şu işlemlerden geçer:

Kimyasal temizlik (DI su ve çamur 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: SiC gibi sert ve kırılgan malzemeler için uygundur, malzeme çıkarma hızı 200 nm/saatin üzerindedir.

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 parlatma.

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

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

İşleme Teknolojisi

Gofret taşlama aşamasında, farklı parçacık boyutlarına sahip elmas bulamacı, gofreti istenen düzlük ve yüzey pürüzlülüğüne ulaştırmak için kullanılır. Ardından, hasarsız cilalı silisyum karbür (SiC) gofretler üretmek için hem mekanik hem de kimyasal mekanik parlatma (CMP) teknikleri kullanılarak parlatma işlemi gerçekleştirilir.

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

Yıllar süren çabaların ardından, Çin'de SiC tek kristal işleme alanında 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 seri üretime alınabiliyor. TankeBlue ve TYST gibi şirketler halihazırda 150 mm SiC tek kristalleri geliştirdi.

SiC yonga işleme teknolojisi açısından, yerli kuruluşlar kristal dilimleme, taşlama ve parlatma için proses koşullarını ve yöntemlerini önceden araştırmışlardır. Cihaz üretimi için temel gereklilikleri karşılayan numuneler üretebilmektedirler. Ancak, uluslararası standartlarla karşılaştırıldığında, yerli yongaların yüzey işleme kalitesi hala önemli ölçüde geride kalmaktadır. Birkaç sorun bulunmaktadır:

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 araştırmalar, uluslararası düzeylere kıyasla hala önemli boşluklar göstermektedir.

Şu anda Çin'de kullanılan yüksek hassasiyetli cihazların 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 giderek artmakta ve yüzey işleme kalitesine yönelik gereksinimler artmaktadır. Gofret işleme teknolojisi, SiC tek kristal büyütme teknolojisinden sonraki teknik açıdan en zorlu adımlardan biri haline gelmiştir.

İşleme sürecindeki mevcut zorlukların üstesinden gelmek için, kesme, taşlama ve parlatma süreçlerinde yer alan mekanizmaları daha ayrıntılı incelemek ve SiC yonga plakası üretimi için uygun işlem yöntemlerini ve yollarını araştırmak önemlidir. Aynı zamanda, ileri uluslararası işleme teknolojilerinden ders çıkarmak ve yüksek kaliteli alt tabakalar üretmek için en son teknoloji ürünü ultra hassas işleme tekniklerini ve ekipmanlarını benimsemek gerekmektedir.

Gofret boyutu arttıkça, kristal büyütme ve işleme zorluğu da artar. Ancak, alt akış cihazlarının üretim verimliliği önemli ölçüde artar ve birim maliyet düşer. Şu anda, dünya genelindeki ana SiC gofret tedarikçileri, 4 inç ila 6 inç çapında ürünler sunmaktadır. Cree ve II-VI gibi lider şirketler, 8 inçlik SiC gofret üretim hatlarının geliştirilmesi için planlama yapmaya başladı bile.