O estado actual e as tendencias da tecnoloxía de procesamento de obleas de SiC

Como material de substrato semicondutor de terceira xeración,carburo de silicio (SiC)O monocristal ten amplas perspectivas de aplicación na fabricación de dispositivos electrónicos de alta frecuencia e alta potencia. A tecnoloxía de procesamento de SiC xoga un papel decisivo na produción de materiais de substrato de alta calidade. Este artigo presenta o estado actual da investigación sobre as tecnoloxías de procesamento de SiC tanto na China como no estranxeiro, analizando e comparando os mecanismos dos procesos de corte, moenda e pulido, así como as tendencias na planitude e rugosidade superficial das obleas. Tamén sinala os desafíos existentes no procesamento de obleas de SiC e analiza as futuras direccións de desenvolvemento.

Carburo de silicio (SiC)As obleas son materiais fundamentais críticos para os dispositivos semicondutores de terceira xeración e teñen unha importancia e un potencial de mercado significativos en campos como a microelectrónica, a electrónica de potencia e a iluminación de semicondutores. Debido á dureza e estabilidade química extremadamente altas demonocristais de SiC, os métodos tradicionais de procesamento de semicondutores non son totalmente axeitados para o seu mecanizado. Aínda que moitas empresas internacionais levaron a cabo unha extensa investigación sobre o procesamento tecnicamente esixente de monocristais de SiC, as tecnoloxías relevantes mantéñense en estrita confidencialidade.

Nos últimos anos, China incrementou os esforzos no desenvolvemento de materiais e dispositivos monocristais de SiC. Non obstante, o avance da tecnoloxía de dispositivos de SiC no país está actualmente limitado polas limitacións nas tecnoloxías de procesamento e na calidade das obleas. Polo tanto, é esencial que China mellore as capacidades de procesamento de SiC para mellorar a calidade dos substratos monocristais de SiC e lograr a súa aplicación práctica e a produción en masa.

Os principais pasos de procesamento inclúen: corte → moenda grosa → moenda fina → pulido groso (pulido mecánico) → pulido fino (pulido químico-mecánico, CMP) → inspección.

Corte de monocristais de SiC

No procesamento demonocristais de SiC, o corte é o primeiro paso e un paso moi crítico. A curvatura, a deformación e a variación do grosor total (TTV) da oblea resultantes do proceso de corte determinan a calidade e a eficacia das operacións posteriores de moenda e pulido.

As ferramentas de corte pódense clasificar segundo a súa forma en serras de diámetro interior (DI) de diamante, serras de diámetro exterior (DE), serras de cinta e serras de arame. As serras de arame, á súa vez, pódense clasificar segundo o seu tipo de movemento en sistemas de arame alternativos e de bucle (sen fin). En función do mecanismo de corte do abrasivo, as técnicas de corte con serra de arame pódense dividir en dous tipos: serra de arame abrasivo libre e serra de arame diamantado abrasivo fixo.

1.1 Métodos de corte tradicionais

A profundidade de corte das serras de diámetro exterior (OD) está limitada polo diámetro da folla. Durante o proceso de corte, a folla é propensa a vibracións e desviacións, o que resulta en altos niveis de ruído e pouca rixidez. As serras de diámetro interior (ID) usan abrasivos de diamante na circunferencia interior da folla como filo de corte. Estas follas poden ser tan finas como 0,2 mm. Durante o corte, a folla de diámetro interior xira a alta velocidade mentres o material a cortar se move radialmente en relación co centro da folla, conseguindo o corte mediante este movemento relativo.

As serras de cinta de diamante requiren paradas e inversións frecuentes, e a velocidade de corte é moi baixa, normalmente non supera os 2 m/s. Tamén sofren un desgaste mecánico significativo e uns custos de mantemento elevados. Debido á anchura da folla da serra, o radio de corte non pode ser demasiado pequeno e o corte en varias cortes non é posible. Estas ferramentas de serra tradicionais están limitadas pola rixidez da base e non poden facer cortes curvos nin teñen radios de xiro restrinxidos. Só son capaces de realizar cortes rectos, producen cortes anchos, teñen unha baixa taxa de rendemento e, polo tanto, non son axeitadas para cortar.Cristais de SiC.

1.2 Serra de arame abrasiva libre Corte multiarame

A técnica de corte con serra de arame abrasivo libre emprega o movemento rápido do arame para transportar a lama ao corte, o que permite a eliminación de material. Emprega principalmente unha estrutura alternativa e actualmente é un método maduro e amplamente utilizado para o corte eficiente de varias obleas de silicio monocristalino. Non obstante, a súa aplicación no corte de SiC foi menos estudada.

As serras de arame abrasivo libre poden procesar obleas con grosores inferiores a 300 μm. Ofrecen unha baixa perda de corte, raramente causan lascado e dan como resultado unha calidade superficial relativamente boa. Non obstante, debido ao mecanismo de eliminación de material, baseado no laminado e na indentación dos abrasivos, a superficie da oblea tende a desenvolver unha tensión residual significativa, microfendas e capas de danos máis profundas. Isto leva á deformación da oblea, dificulta o control da precisión do perfil da superficie e aumenta a carga nos pasos de procesamento posteriores.

O rendemento de corte está fortemente influenciado pola lama; é necesario manter a nitidez dos abrasivos e a concentración da lama. O tratamento e a reciclaxe da lama son custosos. Ao cortar lingotes de gran tamaño, os abrasivos teñen dificultades para penetrar en cortes profundos e longos. Co mesmo tamaño de gran abrasivo, a perda de corte é maior que a das serras de arame abrasivo fixo.

1.3 Serra de arame diamantado abrasivo fixo Corte multiarame

As serras de fío de diamante abrasivo fixo fabrícanse normalmente incrustando partículas de diamante nun substrato de fío de aceiro mediante métodos de galvanoplastia, sinterización ou unión con resina. As serras de fío de diamante electrodepositado ofrecen vantaxes como cortes máis estreitos, mellor calidade de corte, maior eficiencia, menor contaminación e a capacidade de cortar materiais de alta dureza.

A serra de fío de diamante electrodepositado alternativo é actualmente o método máis empregado para cortar SiC. A figura 1 (non se mostra aquí) ilustra a planitude da superficie das obleas de SiC cortadas con esta técnica. A medida que o corte avanza, a deformación da oblea aumenta. Isto débese a que a área de contacto entre o fío e o material aumenta a medida que o fío se move cara abaixo, o que aumenta a resistencia e a vibración do fío. Cando o fío alcanza o diámetro máximo da oblea, a vibración está no seu punto máximo, o que resulta nunha deformación máxima.

Nas últimas etapas do corte, debido á aceleración, movemento a velocidade estable, desaceleración, parada e inversión do arame, xunto coas dificultades para eliminar os residuos co refrixerante, a calidade da superficie da oblea deteriórase. A inversión do arame e as flutuacións de velocidade, así como as grandes partículas de diamante no arame, son as principais causas dos arañazos superficiais.

1.4 Tecnoloxía de separación en frío

A separación en frío de monocristais de SiC é un proceso innovador no campo do procesamento de materiais semicondutores de terceira xeración. Nos últimos anos, atraeu unha atención significativa debido ás súas notables vantaxes na mellora do rendemento e na redución da perda de material. A tecnoloxía pódese analizar desde tres aspectos: o principio de funcionamento, o fluxo do proceso e as vantaxes principais.

Determinación da orientación do cristal e moenda do diámetro exterior: Antes do procesamento, débese determinar a orientación do cristal do lingote de SiC. Despois, o lingote dáselle forma dunha estrutura cilíndrica (comunmente chamada disco de SiC) mediante a moenda do diámetro exterior. Este paso senta as bases para o posterior corte e rebanda direccional.

Corte con varios arames: este método emprega partículas abrasivas combinadas con arames de corte para cortar o lingote cilíndrico. Non obstante, sofre de perdas de corte significativas e problemas de irregularidade superficial.

Tecnoloxía de corte por láser: Úsase un láser para formar unha capa modificada dentro do cristal, da que se poden separar finas láminas. Esta estratexia reduce a perda de material e mellora a eficiencia do procesamento, o que a converte nunha nova dirección prometedora para o corte de obleas de SiC.

Optimización do proceso de corte

Corte multifío con abrasivo fixo: esta é a tecnoloxía predominante actualmente, moi axeitada para as características de alta dureza do SiC.

Mecanizado por descarga eléctrica (EDM) e tecnoloxía de separación en frío: estes métodos ofrecen solucións diversificadas adaptadas a requisitos específicos.

Proceso de pulido: É esencial equilibrar a velocidade de eliminación de material e os danos superficiais. O pulido químico-mecánico (CMP) emprégase para mellorar a uniformidade da superficie.

Monitorización en tempo real: Introdúcense tecnoloxías de inspección en liña para monitorizar a rugosidade superficial en tempo real.

Corte por láser: esta técnica reduce a perda de corte e acurta os ciclos de procesamento, aínda que a zona afectada termicamente segue a ser un desafío.

Tecnoloxías de procesamento híbridas: a combinación de métodos mecánicos e químicos mellora a eficiencia do procesamento.

Esta tecnoloxía xa acadou aplicación industrial. Infineon, por exemplo, adquiriu SILTECTRA e agora posúe patentes básicas que apoian a produción en masa de obleas de 8 polgadas. Na China, empresas como Delong Laser acadaron unha eficiencia de saída de 30 obleas por lingote para o procesamento de obleas de 6 polgadas, o que representa unha mellora do 40 % con respecto aos métodos tradicionais.

A medida que a fabricación de equipos domésticos se acelera, espérase que esta tecnoloxía se converta na solución principal para o procesamento de substratos de SiC. Co aumento do diámetro dos materiais semicondutores, os métodos de corte tradicionais quedaron obsoletos. Entre as opcións actuais, a tecnoloxía de serra de fío de diamante alternativo mostra as perspectivas de aplicación máis prometedoras. O corte por láser, como técnica emerxente, ofrece vantaxes significativas e prevese que se converta no principal método de corte no futuro.

2.Moenda de monocristais de SiC

Como representante dos semicondutores de terceira xeración, o carburo de silicio (SiC) ofrece vantaxes significativas debido á súa ampla banda prohibida, ao seu alto campo eléctrico de ruptura, á súa alta velocidade de deriva de electróns de saturación e á súa excelente condutividade térmica. Estas propiedades fan que o SiC sexa particularmente vantaxoso en aplicacións de alta tensión (por exemplo, entornos de 1200 V). A tecnoloxía de procesamento para substratos de SiC é unha parte fundamental da fabricación de dispositivos. A calidade da superficie e a precisión do substrato afectan directamente á calidade da capa epitaxial e ao rendemento do dispositivo final.

O propósito principal do proceso de moenda é eliminar as marcas de serra da superficie e as capas de danos causadas durante o corte, así como corrixir a deformación inducida polo proceso de corte. Dada a dureza extremadamente alta do SiC, a moenda require o uso de abrasivos duros como o carburo de boro ou o diamante. A moenda convencional divídese normalmente en moenda grosa e moenda fina.

2.1 Moenda grosa e fina

A moenda pódese clasificar segundo o tamaño das partículas abrasivas:

Moenda grosa: usa abrasivos máis grandes principalmente para eliminar marcas de serra e capas de danos causadas durante o corte, mellorando a eficiencia do procesamento.

Moenda fina: usa abrasivos máis finos para eliminar a capa de danos deixada pola moenda grosa, reducir a rugosidade da superficie e mellorar a calidade da superficie.

Moitos fabricantes nacionais de substratos de SiC empregan procesos de produción a grande escala. Un método común implica a moenda a dobre cara usando unha placa de ferro fundido e unha suspensión de diamante monocristalino. Este proceso elimina eficazmente a capa de danos deixada polo serrado con fío, corrixe a forma da oblea e reduce a TTV (variación total do grosor), a curvatura e a deformación. A taxa de eliminación de material é estable, alcanzando normalmente entre 0,8 e 1,2 μm/min. Non obstante, a superficie da oblea resultante é mate cunha rugosidade relativamente alta (normalmente arredor de 50 nm), o que impón maiores esixencias nos pasos de pulido posteriores.

2.2 Rectificado dunha soa cara

A moenda por unha soa cara procesa só unha cara da oblea á vez. Durante este proceso, a oblea móntase con cera sobre unha placa de aceiro. Baixo a presión aplicada, o substrato sofre unha lixeira deformación e a superficie superior aplanase. Despois da moenda, a superficie inferior nivelase. Cando se retira a presión, a superficie superior tende a recuperar a súa forma orixinal, o que tamén afecta á superficie inferior xa moída, facendo que ambos os lados se deformen e se degraden en planitude.

Ademais, a placa de moenda pode volverse cóncava en pouco tempo, o que fai que a oblea se volva convexa. Para manter a planitude da placa, requírese un revestimento frecuente. Debido á baixa eficiencia e á escasa planitude da oblea, a moenda dunha soa cara non é axeitada para a produción en masa.

Normalmente, as rebarbas #8000 úsanse para a rebarbaxe fina. No Xapón, este proceso é relativamente maduro e mesmo utiliza rebarbas #30000. Isto permite que a rugosidade superficial das obleas procesadas alcance un valor inferior a 2 nm, o que as fai listas para o CMP (pulido químico-mecánico) final sen procesamento adicional.

2.3 Tecnoloxía de adelgazamento dunha soa cara

A tecnoloxía de adelgazamento dunha soa cara con diamante é un método novedoso de adelgazamento dunha soa cara. Como se ilustra na Figura 5 (non mostrada aquí), o proceso utiliza unha placa de adelgazamento con diamante. A oblea fíxase mediante adsorción ao baleiro, mentres que tanto a oblea como a mola de diamante xiran simultaneamente. A mola móvese gradualmente cara abaixo para adelgazar a oblea ata o grosor desexado. Unha vez completado un lado, a oblea dáse a volta para procesar o outro lado.

Despois do adelgazamento, unha oblea de 100 mm pode conseguir:

Arco < 5 μm

TTV < 2 μm

Rugosidade superficial < 1 nm

Este método de procesamento dunha soa oblea ofrece unha alta estabilidade, unha excelente consistencia e unha alta taxa de eliminación de material. En comparación coa moenda convencional de dobre cara, esta técnica mellora a eficiencia da moenda en máis dun 50 %.

2.4 Rectificado de dobre cara

A rectificación a dobre cara emprega unha placa de rectificación superior e outra inferior para rectificar simultaneamente ambas as caras do substrato, garantindo unha excelente calidade superficial en ambas as caras.

Durante o proceso, as placas de amolado aplican primeiro presión nos puntos máis altos da peza de traballo, o que provoca unha deformación e unha eliminación gradual de material neses puntos. A medida que os puntos altos se nivelan, a presión sobre o substrato faise gradualmente máis uniforme, o que resulta nunha deformación consistente en toda a superficie. Isto permite que tanto as superficies superior como a inferior sexan amoladas uniformemente. Unha vez completada a amolada e liberada a presión, cada parte do substrato recupérase uniformemente debido á mesma presión que experimentou. Isto leva a unha deformación mínima e a unha boa planitude.

A rugosidade superficial da oblea despois da moenda depende do tamaño das partículas abrasivas: as partículas máis pequenas producen superficies máis lisas. Ao usar abrasivos de 5 μm para a moenda a dobre cara, a planitude e a variación do grosor da oblea pódense controlar con precisión de 5 μm. As medicións de microscopía de forza atómica (AFM) mostran unha rugosidade superficial (Rq) duns 100 nm, con deniveles de moenda de ata 380 nm de profundidade e marcas lineares visibles causadas pola acción abrasiva.

Un método máis avanzado implica a moenda a dobre cara usando almofadas de escuma de poliuretano combinadas cunha suspensión de diamante policristalino. Este proceso produce obleas cunha rugosidade superficial moi baixa, conseguindo un Ra < 3 nm, o que é moi beneficioso para o posterior pulido de substratos de SiC.

Non obstante, o raiado superficial segue sendo un problema sen resolver. Ademais, o diamante policristalino empregado neste proceso prodúcese mediante síntese explosiva, o cal é tecnicamente complexo, produce poucas cantidades e é extremadamente caro.

Pulido de monocristais de SiC

Para conseguir unha superficie pulida de alta calidade nas obleas de carburo de silicio (SiC), o pulido debe eliminar completamente as pozas de moenda e as ondulacións superficiais a escala nanométrica. O obxectivo é producir unha superficie lisa e libre de defectos, sen contaminación nin degradación, sen danos subsuperficiais e sen tensión superficial residual.

3.1 Pulido mecánico e CMP de obleas de SiC

Despois do crecemento dun lingote de monocristal de SiC, os defectos superficiais impiden que se utilice directamente para o crecemento epitaxial. Polo tanto, requírese un procesamento adicional. Primeiro, o lingote dáselle forma cilíndrica estándar mediante redondeo, despois córtase en obleas mediante corte con arame e, posteriormente, realízase unha verificación cristalográfica da orientación. O pulido é un paso fundamental para mellorar a calidade da oblea, xa que se abordan os posibles danos superficiais causados ​​por defectos de crecemento cristalino e pasos de procesamento previos.

Hai catro métodos principais para eliminar as capas de danos superficiais no SiC:

Pulido mecánico: Sinxelo pero deixa rabuñaduras; axeitado para o pulido inicial.

Pulido químico-mecánico (CMP): elimina arañazos mediante gravado químico; axeitado para o pulido de precisión.

Gravado con hidróxeno: require equipamento complexo, usado habitualmente nos procesos HTCVD.

Pulido asistido por plasma: complexo e pouco utilizado.

O pulido só mecánico tende a causar rabuñaduras, mentres que o pulido só químico pode provocar un gravado desigual. O CMP combina ambas vantaxes e ofrece unha solución eficiente e rendible.

Principio de funcionamento da CMP

A CMP funciona rotando a oblea baixo unha presión establecida contra unha almofada de pulido rotatoria. Este movemento relativo, combinado coa abrasión mecánica dos abrasivos de tamaño nanométrico na suspensión e a acción química dos axentes reactivos, consegue a planarización da superficie.

Materiais clave empregados:

Suspensión de pulido: Contén abrasivos e reactivos químicos.

Disco de pulido: Desgástase durante o uso, o que reduce o tamaño dos poros e a eficiencia de subministración da lama. É necesario un pulido regular, normalmente cun pulidor de diamante, para restaurar a rugosidade.

Proceso típico de CMP

Abrasivo: pasta de diamante de 0,5 μm

Rugosidade da superficie do obxectivo: ~0,7 nm

Pulido químico-mecánico:

Equipo de pulido: pulidor monolateral AP-810

Presión: 200 g/cm²

Velocidade da placa: 50 rpm

Velocidade do soporte cerámico: 38 rpm

Composición da suspensión:

SiO₂ (30 % en peso, pH = 10,15)

0–70 % en peso de H₂O₂ (30 % en peso, grao reactivo)

Axustar o pH a 8,5 usando un 5 % en peso de KOH e un 1 % en peso de HNO₃

Caudal de lodos: 3 L/min, recirculado

Este proceso mellora eficazmente a calidade das obleas de SiC e cumpre os requisitos dos procesos posteriores.

Desafíos técnicos no pulido mecánico

O SiC, como semicondutor de banda prohibida ampla, desempeña un papel vital na industria electrónica. Coas súas excelentes propiedades físicas e químicas, os monocristais de SiC son axeitados para ambientes extremos, como altas temperaturas, alta frecuencia, alta potencia e resistencia á radiación. Non obstante, a súa natureza dura e fráxil presenta grandes desafíos para a moenda e o pulido.

A medida que os principais fabricantes mundiais están a facer a transición de obleas de 6 polgadas a 8 polgadas, problemas como as fendas e os danos nas obleas durante o procesamento fixéronse máis prominentes, o que afecta significativamente o rendemento. Abordar os desafíos técnicos dos substratos de SiC de 8 polgadas é agora un punto de referencia clave para o avance da industria.

Na era das 8 polgadas, o procesamento de obleas de SiC enfróntase a numerosos desafíos:

O escalado de obleas é necesario para aumentar a produción de chips por lote, reducir a perda de bordo e diminuír os custos de produción, especialmente dada a crecente demanda en aplicacións de vehículos eléctricos.

Aínda que o crecemento de monocristais de SiC de 8 polgadas madurou, os procesos posteriores como a moenda e o pulido aínda enfrontan obstáculos, o que resulta en baixos rendementos (só do 40–50 %).

As obleas máis grandes experimentan distribucións de presión máis complexas, o que aumenta a dificultade de xestionar a tensión de pulido e a consistencia do rendemento.

Aínda que o grosor das obleas de 8 polgadas se aproxima ao das obleas de 6 polgadas, son máis propensas a danos durante a manipulación debido á tensión e á deformación.

Para reducir a tensión, a deformación e as fendas relacionadas co corte, o corte por láser úsase cada vez máis. Non obstante:

Os láseres de lonxitude de onda longa causan danos térmicos.

Os láseres de lonxitude de onda curta xeran residuos pesados ​​e afondan a capa de danos, o que aumenta a complexidade do pulido.

Fluxo de traballo de pulido mecánico para SiC

O fluxo xeral do proceso inclúe:

Corte de orientación

Moenda grosa

Moenda fina

Pulido mecánico

Pulido químico-mecánico (CMP) como paso final

A escolla do método CMP, o deseño da ruta do proceso e a optimización dos parámetros son cruciais. Na fabricación de semicondutores, a CMP é o paso determinante para producir obleas de SiC con superficies ultrasuaves, libres de defectos e danos, que son esenciais para un crecemento epitaxial de alta calidade.

(a) Retirar o lingote de SiC do crisol;

(b) Realizar a conformación inicial mediante a rectificación do diámetro exterior;

(c) Determinar a orientación do cristal empregando planos ou entalladuras de aliñamento;

(d) Cortar o lingote en obleas finas usando serra de fíos múltiples;

(e) Conseguir unha suavidade superficial similar á dun espello mediante pasos de esmerilado e pulido.

Despois de completar a serie de pasos de procesamento, o bordo exterior da oblea de SiC adoita volverse afiado, o que aumenta o risco de lascas durante a manipulación ou o uso. Para evitar esta fraxilidade, é necesario rectificar os bordos.

Ademais dos procesos tradicionais de corte, un método innovador para preparar obleas de SiC implica a tecnoloxía de unión. Esta estratexia permite a fabricación de obleas unindo unha fina capa monocristalina de SiC a un substrato heteroxéneo (substrato de soporte).

A figura 3 ilustra o fluxo do proceso:

Primeiro, fórmase unha capa de delaminación a unha profundidade especificada na superficie do monocristal de SiC mediante implantación de ións de hidróxeno ou técnicas similares. O monocristal de SiC procesado únese entón a un substrato de soporte plano e sométese a presión e calor. Isto permite a transferencia e separación exitosas da capa monocristal de SiC sobre o substrato de soporte.

A capa de SiC separada sométese a un tratamento superficial para conseguir a planitude requirida e pódese reutilizar en procesos de unión posteriores. En comparación co corte tradicional de cristais de SiC, esta técnica reduce a demanda de materiais caros. Aínda que persisten os desafíos técnicos, a investigación e o desenvolvemento avanzan activamente para permitir a produción de obleas a menor custo.

Dada a alta dureza e estabilidade química do SiC, que o fai resistente ás reaccións á temperatura ambiente, requírese un pulido mecánico para eliminar as picaduras finas da moenda, reducir os danos superficiais, eliminar rabuñaduras, picaduras e defectos de pel de laranxa, reducir a rugosidade superficial, mellorar a planitude e mellorar a calidade da superficie.

Para conseguir unha superficie pulida de alta calidade, é necesario:

Axustar os tipos de abrasivos,

Reducir o tamaño das partículas,

Optimizar os parámetros do proceso,

Escolla materiais e discos de pulido cunha dureza axeitada.

A figura 7 mostra que o pulido a dobre cara con abrasivos de 1 μm pode controlar a planitude e a variación do grosor dentro dos 10 μm e reducir a rugosidade superficial a aproximadamente 0,25 nm.

3.2 Pulido químico-mecánico (CMP)

O pulido químico-mecánico (CMP) combina a abrasión de partículas ultrafinas co gravado químico para formar unha superficie lisa e plana no material que se está procesando. O principio básico é:

Prodúcese unha reacción química entre a pasta de pulido e a superficie da oblea, formando unha capa branda.

A fricción entre as partículas abrasivas e a capa branda elimina o material.

Vantaxes do CMP:

Supera os inconvenientes do pulido puramente mecánico ou químico,

Logra unha planarización tanto global como local,

Produce superficies con alta planitude e baixa rugosidade,

Non deixa danos na superficie nin no subsolo.

En detalle:

A oblea móvese en relación coa almofada de pulido baixo presión.

Os abrasivos a escala nanométrica (por exemplo, SiO₂) na suspensión participan no cizallamento, debilitando as ligazóns covalentes Si-C e mellorando a eliminación de material.

Tipos de técnicas CMP:

Puído con abrasivo libre: os abrasivos (por exemplo, SiO₂) están suspendidos nunha lama. A eliminación de material prodúcese mediante abrasión de tres corpos (oblea-almofada-abrasivo). O tamaño do abrasivo (normalmente de 60 a 200 nm), o pH e a temperatura deben controlarse con precisión para mellorar a uniformidade.

Puído con abrasivo fixo: os abrasivos están incorporados na almofada de pulido para evitar a aglomeración, o que é ideal para un procesamento de alta precisión.

Limpeza posterior ao pulido:

As obleas pulidas sométense a:

Limpeza química (incluíndo a eliminación de auga desionizada e residuos de lama),

Enxaugamento con auga desionizada e

Secado con nitróxeno en quente

para minimizar os contaminantes superficiais.

Calidade e rendemento da superficie

A rugosidade superficial pódese reducir a Ra < 0,3 nm, cumprindo os requisitos de epitaxia de semicondutores.

Planarización global: a combinación de suavización química e eliminación mecánica reduce os arañazos e o gravado irregular, superando os métodos mecánicos ou químicos puros.

Alta eficiencia: axeitado para materiais duros e fráxiles como o SiC, con taxas de eliminación de material superiores a 200 nm/h.

Outras técnicas de pulido emerxentes

Ademais do CMP, propuxéronse métodos alternativos, entre eles:

Pulido electroquímico, pulido ou gravado asistido por catalizador e

Pulido triboquímico.

Non obstante, estes métodos aínda están en fase de investigación e desenvolvéronse lentamente debido ás complexas propiedades do material SiC.

En definitiva, o procesamento do SiC é un proceso gradual de redución da deformación e a rugosidade para mellorar a calidade da superficie, onde o control da planitude e a rugosidade son fundamentais en cada etapa.

Tecnoloxía de procesamento

Durante a etapa de moenda da oblea, utilízase unha pasta de diamante con diferentes tamaños de partícula para moer a oblea ata obter a planitude e a rugosidade superficial requiridas. A continuación, realízase o pulido, mediante técnicas de pulido mecánico e químico-mecánico (CMP) para producir obleas de carburo de silicio (SiC) pulidas sen danos.

Despois do pulido, as obleas de SiC sométense a unha rigorosa inspección de calidade mediante instrumentos como microscopios ópticos e difractómetros de raios X para garantir que todos os parámetros técnicos cumpran os estándares requiridos. Finalmente, as obleas pulidas límpanse con axentes de limpeza especializados e auga ultrapura para eliminar os contaminantes da superficie. Despois sécanse mediante gas nitróxeno de ultra alta pureza e secadores centrifugados, completando así todo o proceso de produción.

Tras anos de esforzo, fixéronse progresos significativos no procesamento de monocristais de SiC na China. A nivel nacional, desenvolvéronse con éxito monocristais 4H-SiC semiillantes dopados de 100 mm, e agora pódense producir monocristais 4H-SiC e 6H-SiC de tipo n por lotes. Empresas como TankeBlue e TYST xa desenvolveron monocristais de SiC de 150 mm.

En canto á tecnoloxía de procesamento de obleas de SiC, as institucións nacionais exploraron preliminarmente as condicións de proceso e as rutas para o corte, a moenda e o pulido de cristais. Son capaces de producir mostras que basicamente cumpren os requisitos para a fabricación de dispositivos. Non obstante, en comparación cos estándares internacionais, a calidade do procesamento superficial das obleas nacionais aínda está significativamente por detrás. Hai varios problemas:

As teorías e tecnoloxías de procesamento internacionais de SiC están estritamente protexidas e non son de fácil acceso.

Falta de investigación teórica e apoio para a mellora e optimización de procesos.

O custo da importación de equipos e compoñentes estranxeiros é elevado.

A investigación nacional sobre o deseño de equipos, a precisión do procesamento e os materiais aínda mostra lagoas significativas en comparación cos niveis internacionais.

Actualmente, a maioría dos instrumentos de alta precisión que se empregan na China son importados. Os equipos e as metodoloxías de proba tamén requiren melloras.

Co desenvolvemento continuo dos semicondutores de terceira xeración, o diámetro dos substratos monocristais de SiC está a aumentar constantemente, xunto cos maiores requisitos para a calidade do procesamento superficial. A tecnoloxía de procesamento de obleas converteuse nun dos pasos tecnicamente máis desafiantes despois do crecemento do monocristal de SiC.

Para abordar os desafíos existentes no procesamento, é fundamental estudar máis a fondo os mecanismos implicados no corte, a moenda e o pulido, e explorar métodos e rutas de proceso axeitados para a fabricación de obleas de SiC. Ao mesmo tempo, é necesario aprender das tecnoloxías de procesamento internacionais avanzadas e adoptar técnicas e equipos de mecanizado de ultraprecisión de última xeración para producir substratos de alta calidade.

A medida que aumenta o tamaño da oblea, tamén aumenta a dificultade do crecemento e procesamento do cristal. Non obstante, a eficiencia de fabricación dos dispositivos posteriores mellora significativamente e o custo unitario redúcese. Na actualidade, os principais provedores de obleas de SiC a nivel mundial ofrecen produtos que van dende as 4 polgadas ata as 6 polgadas de diámetro. Empresas líderes como Cree e II-VI xa comezaron a planificar o desenvolvemento de liñas de produción de obleas de SiC de 8 polgadas.