SiC пластиналарын өңдеу технологиясының қазіргі жағдайы мен үрдістері

Үшінші буын жартылай өткізгіш субстрат материалы ретінде,кремний карбиді (SiC)Монокристалды жоғары жиілікті және жоғары қуатты электрондық құрылғыларды өндіруде кең қолдану перспективалары бар. SiC өңдеу технологиясы жоғары сапалы субстрат материалдарын өндіруде шешуші рөл атқарады. Бұл мақалада Қытайда да, шетелде де SiC өңдеу технологиялары бойынша зерттеулердің қазіргі жағдайы, кесу, тегістеу және жылтырату процестерінің механизмдері, сондай-ақ пластиналардың жазықтығы мен бетінің кедір-бұдырлығының үрдістері талданып, салыстырылады. Сондай-ақ, SiC пластиналарын өңдеудегі бар қиындықтар атап өтіледі және болашақ даму бағыттары талқыланады.

Кремний карбиді (SiC)Пластиналар үшінші буын жартылай өткізгіш құрылғылары үшін маңызды негізгі материалдар болып табылады және микроэлектроника, энергетикалық электроника және жартылай өткізгіш жарықтандыру сияқты салаларда маңызды маңызға және нарықтық әлеуетке ие. Өте жоғары қаттылығы мен химиялық тұрақтылығына байланыстыSiC монокристалдары, дәстүрлі жартылай өткізгіштерді өңдеу әдістері оларды өңдеуге толығымен жарамайды. Көптеген халықаралық компаниялар SiC монокристалдарын техникалық тұрғыдан күрделі өңдеу бойынша кең көлемді зерттеулер жүргізгенімен, тиісті технологиялар қатаң құпия сақталады.

Соңғы жылдары Қытай SiC монокристалды материалдары мен құрылғыларын әзірлеу бойынша күш-жігерін арттырды. Дегенмен, елдегі SiC құрылғылары технологиясының дамуы қазіргі уақытта өңдеу технологиялары мен пластина сапасындағы шектеулермен шектелуде. Сондықтан, Қытай үшін SiC монокристалды субстраттарының сапасын жақсарту және оларды практикалық қолдану мен жаппай өндіруге қол жеткізу үшін SiC өңдеу мүмкіндіктерін жақсарту өте маңызды.

Негізгі өңдеу кезеңдеріне мыналар жатады: кесу → ірі тегістеу → ұсақ тегістеу → ірі жылтырату (механикалық жылтырату) → ұсақ жылтырату (химиялық механикалық жылтырату, CMP) → тексеру.

SiC монокристалдарын кесу

Өңдеу кезіндеSiC монокристалдары, кесу - бірінші және өте маңызды қадам. Кесу процесінен туындайтын пластинаның иіні, қисығы және жалпы қалыңдығының өзгеруі (TTV) кейінгі тегістеу және жылтырату операцияларының сапасы мен тиімділігін анықтайды.

Кесу құралдарын пішіні бойынша ромб тәрізді ішкі диаметрлі (ID) аралар, сыртқы диаметрлі (OD) аралар, таспалы аралар және сым аралар деп жіктеуге болады. Сым араларды, өз кезегінде, қозғалыс түрі бойынша поршеньді және ілмекті (шексіз) сым жүйелеріне жіктеуге болады. Абразивті кесу механизміне сүйене отырып, сым арамен кесу әдістерін екі түрге бөлуге болады: еркін абразивті сыммен кесу және бекітілген абразивті ромб тәрізді сыммен кесу.

1.1 Дәстүрлі кесу әдістері

Сыртқы диаметрлі (СД) аралардың кесу тереңдігі жүздің диаметрімен шектеледі. Кесу процесінде жүз діріл мен ауытқуға бейім, бұл шу деңгейінің жоғарылауына және қаттылығының төмендеуіне әкеледі. Ішкі диаметрлі (ИД) аралар кесу жиегі ретінде жүздің ішкі шеңберіне гауһар абразивтерді пайдаланады. Бұл жүздер 0,2 мм-ге дейін жұқа болуы мүмкін. Кесу кезінде СД жүзі жоғары жылдамдықпен айналады, ал кесілетін материал жүздің ортасына қатысты радиалды қозғалады, бұл салыстырмалы қозғалыс арқылы кесуге қол жеткізеді.

Алмаз таспалы аралар жиі тоқтауларды және кері бұрылыстарды қажет етеді, ал кесу жылдамдығы өте төмен - әдетте 2 м/с-тан аспайды. Олар сондай-ақ айтарлықтай механикалық тозудан және жоғары техникалық қызмет көрсету шығындарынан зардап шегеді. Ара дискісінің еніне байланысты кесу радиусы тым кішкентай бола алмайды және көп кесінділі кесу мүмкін емес. Бұл дәстүрлі аралау құралдары негіздің қаттылығымен шектелген және қисық кесулер жасай алмайды немесе бұрылу радиустары шектеулі. Олар тек түзу кесулерге қабілетті, кең кесінділер жасайды, төмен өнімділікке ие және сондықтан кесуге жарамсыз.SiC кристалдары.

1.2 Көп сымды кесу арқылы тегін абразивті сым арасы

Еркін абразивті сым арамен кесу әдісі сымның жылдам қозғалысын пайдаланып, шламды кесіндіге тасымалдайды, бұл материалды кетіруге мүмкіндік береді. Ол негізінен өзара әрекеттесетін құрылымды пайдаланады және қазіргі уақытта монокристалды кремнийді тиімді көп пластиналы кесудің жетілген және кеңінен қолданылатын әдісі болып табылады. Дегенмен, оны SiC кесуде қолдану онша кеңінен зерттелмеген.

Еркін абразивті сым аралар қалыңдығы 300 мкм-ден аз пластиналарды өңдей алады. Олар төмен қыртыстық шығынды қамтамасыз етеді, сирек сынықтардың пайда болуына әкеледі және бетінің сапасының салыстырмалы түрде жақсы болуына әкеледі. Дегенмен, абразивтердің домалауы мен ойылуына негізделген материалды кетіру механизміне байланысты пластина бетінде айтарлықтай қалдық кернеу, микрожарықтар және тереңірек зақымдану қабаттары пайда болады. Бұл пластинаның майысуына әкеледі, бет профилінің дәлдігін бақылауды қиындатады және кейінгі өңдеу кезеңдеріне жүктемені арттырады.

Кесу өнімділігіне суспензия қатты әсер етеді; абразивті заттардың өткірлігін және суспензия концентрациясын сақтау қажет. Суспензияны өңдеу және қайта өңдеу қымбатқа түседі. Ірі өлшемді құймаларды кескен кезде абразивтер терең және ұзын кесектерге енуде қиындықтарға тап болады. Бірдей абразивті түйіршік өлшемінде кесек шығыны бекітілген абразивті сым араларға қарағанда көбірек болады.

1.3 Бекітілген абразивті алмас сымнан жасалған ара, көп сымдық кесу

Бекітілген абразивті алмас сым аралар әдетте гауһар бөлшектерін болат сым негізіне электрохимиялық қаптау, күйдіру немесе шайырмен байланыстыру әдістері арқылы енгізу арқылы жасалады. Электромеханикалық қапталған алмас сым аралар тар кесінділер, жақсы кесу сапасы, жоғары тиімділік, төмен ластану және жоғары қаттылықтағы материалдарды кесу мүмкіндігі сияқты артықшылықтарды ұсынады.

Қазіргі уақытта SiC кесудің ең кең таралған әдісі - кері бағыттағы гальваникалық қапталған алмас сымнан жасалған ара. 1-суретте (мұнда көрсетілмеген) осы әдісті қолданып кесілген SiC пластиналарының беткі тегістігі көрсетілген. Кесу барысында пластинаның майысуы артады. Себебі сым төмен қарай жылжыған сайын сым мен материал арасындағы жанасу аймағы артады, бұл кедергі мен сымның дірілін арттырады. Сым пластинаның максималды диаметріне жеткенде, діріл ең жоғары деңгейге жетеді, бұл максималды майысуға әкеледі.

Кесудің кейінгі кезеңдерінде сымның үдеуіне, тұрақты жылдамдықпен қозғалуына, баяулауына, тоқтауына және кері бұрылуына, сондай-ақ салқындатқыш сұйықтықпен қоқысты кетірудегі қиындықтарға байланысты пластинаның бетінің сапасы нашарлайды. Сымның кері бұрылуы және жылдамдықтың ауытқуы, сондай-ақ сымдағы үлкен гауһар бөлшектері беткі сызаттардың негізгі себептері болып табылады.

1.4 Суық бөлу технологиясы

SiC монокристалдарын суықтай бөлу үшінші буын жартылай өткізгіш материалдарды өңдеу саласындағы инновациялық процесс болып табылады. Соңғы жылдары ол өнімділікті арттыру және материалдың шығынын азайтудағы айқын артықшылықтарына байланысты үлкен назар аударды. Технологияны үш аспект бойынша талдауға болады: жұмыс принципі, процесс ағыны және негізгі артықшылықтар.

Кристаллдың бағытын анықтау және сыртқы диаметрді ұнтақтау: Өңдеу алдында SiC құймасының кристалдық бағытын анықтау қажет. Содан кейін құйма сыртқы диаметрді ұнтақтау арқылы цилиндрлік құрылымға (әдетте SiC шайбасы деп аталады) пішінделеді. Бұл қадам кейінгі бағытта кесу және кесу үшін негіз қалайды.

Көп сымды кесу: Бұл әдіс цилиндрлік құйманы кесу үшін абразивті бөлшектерді кесу сымдарымен біріктіріп пайдаланады. Дегенмен, ол айтарлықтай қиғаштық жоғалуына және бетінің тегіс еместігіне байланысты мәселелерден зардап шегеді.

Лазерлік кесу технологиясы: Лазер кристалдың ішінде жұқа кесектерді бөліп алуға болатын модификацияланған қабатты қалыптастыру үшін қолданылады. Бұл тәсіл материалдың жоғалуын азайтады және өңдеу тиімділігін арттырады, бұл оны SiC пластиналарын кесудің перспективалы жаңа бағытына айналдырады.

Кесу процесін оңтайландыру

Бекітілген абразивті көп сымды кесу: Бұл қазіргі уақытта SiC жоғары қаттылық сипаттамаларына өте қолайлы негізгі технология.

Электрлік разрядты өңдеу (ЭРӨ) және суық бөлу технологиясы: Бұл әдістер нақты талаптарға бейімделген әртараптандырылған шешімдерді ұсынады.

Жылтырату процесі: Материалды кетіру жылдамдығы мен беткі зақымдануды теңестіру маңызды. Беткі біркелкілікті жақсарту үшін химиялық механикалық жылтырату (ХМЖ) қолданылады.

Нақты уақыт режимінде бақылау: Беткі кедір-бұдырлықты нақты уақыт режимінде бақылау үшін онлайн тексеру технологиялары енгізілген.

Лазерлік кесу: Бұл әдіс керфтің жоғалуын азайтады және өңдеу циклдарын қысқартады, дегенмен термиялық әсер ететін аймақ әлі де қиындық тудырады.

Гибридті өңдеу технологиялары: Механикалық және химиялық әдістерді біріктіру өңдеу тиімділігін арттырады.

Бұл технология қазірдің өзінде өнеркәсіптік қолданысқа ие болды. Мысалы, Infineon компаниясы SILTECTRA сатып алды және қазір 8 дюймдік пластиналарды жаппай өндіруді қолдайтын негізгі патенттерге ие. Қытайда Delong Laser сияқты компаниялар 6 дюймдік пластиналарды өңдеу үшін құймаға 30 пластина шығару тиімділігіне қол жеткізді, бұл дәстүрлі әдістермен салыстырғанда 40%-ға жақсаруды білдіреді.

Отандық жабдық өндірісі жеделдеген сайын, бұл технология SiC субстратын өңдеудің негізгі шешіміне айналады деп күтілуде. Жартылай өткізгіш материалдардың диаметрінің ұлғаюымен дәстүрлі кесу әдістері ескірді. Қазіргі нұсқалардың ішінде поршеньді алмас сымнан жасалған ара технологиясы ең перспективалы қолдану перспективаларын көрсетеді. Лазерлік кесу, жаңадан пайда болып келе жатқан әдіс ретінде, айтарлықтай артықшылықтар береді және болашақта негізгі кесу әдісіне айналады деп күтілуде.

2,SiC монокристалды ұнтақтау

Үшінші буын жартылай өткізгіштерінің өкілі ретінде кремний карбиді (SiC) кең өткізу жолағының аралығына, жоғары тесілу электр өрісіне, жоғары қанығу электрондарының дрейф жылдамдығына және тамаша жылу өткізгіштігіне байланысты айтарлықтай артықшылықтар ұсынады. Бұл қасиеттер SiC-ді жоғары вольтты қолданбаларда (мысалы, 1200 В орталарда) ерекше тиімді етеді. SiC негіздерін өңдеу технологиясы құрылғы жасаудың негізгі бөлігі болып табылады. Негіздің бетінің сапасы мен дәлдігі эпитаксиалды қабаттың сапасына және соңғы құрылғының жұмысына тікелей әсер етеді.

Тегістеу процесінің негізгі мақсаты - кесу кезінде пайда болған беткі ара іздері мен зақымдану қабаттарын кетіру және кесу процесінен туындаған деформацияны түзету. SiC өте жоғары қаттылығын ескере отырып, тегістеу үшін бор карбиді немесе алмас сияқты қатты абразивтерді пайдалану қажет. Дәстүрлі тегістеу әдетте ірі тегістеу және ұсақ тегістеу болып бөлінеді.

2.1 Ірі және ұсақ ұнтақтау

Абразивті бөлшектердің өлшеміне байланысты ұнтақтауды келесідей жіктеуге болады:

Ірі ұнтақтау: Негізінен кесу кезінде пайда болған ара іздері мен зақымдану қабаттарын кетіру үшін ірі абразивтерді пайдаланады, бұл өңдеу тиімділігін арттырады.

Ұсақтап тегістеу: Ірі тегістеуден қалған зақымдану қабатын кетіру, бетінің кедір-бұдырлығын азайту және бетінің сапасын жақсарту үшін ұсақ абразивтерді пайдаланады.

Көптеген отандық SiC субстрат өндірушілері ірі көлемді өндіріс процестерін пайдаланады. Жалпы әдіс шойын пластинаны және монокристалды гауһар суспензиясын пайдаланып екі жақты тегістеуді қамтиды. Бұл процесс сыммен аралаудан қалған зақымдану қабатын тиімді түрде жояды, пластина пішінін түзетеді және TTV (жалпы қалыңдықтың өзгеруі), иілуді және деформацияны азайтады. Материалды кетіру жылдамдығы тұрақты, әдетте 0,8–1,2 мкм/мин жетеді. Дегенмен, нәтижесінде пайда болған пластина беті салыстырмалы түрде жоғары кедір-бұдырлығы бар күңгірт болады - әдетте шамамен 50 нм - бұл кейінгі жылтырату кезеңдеріне жоғары талаптар қояды.

2.2 Бір жақты ұнтақтау

Бір жақты тегістеу кезінде пластинаның тек бір жағы ғана өңделеді. Бұл процесс кезінде пластина болат пластинаға балауызбен бекітіледі. Қолданылған қысым кезінде негіз аздап деформацияға ұшырайды, ал жоғарғы беті тегістеледі. Тегістеуден кейін төменгі беті тегістеледі. Қысым жойылған кезде, жоғарғы беті бастапқы пішініне оралады, бұл бұрыннан бар төменгі бетке де әсер етеді - бұл екі жағының да майысып, тегіс болуына әкеледі.

Сонымен қатар, ұнтақтау пластинасы қысқа уақыт ішінде ойысып, пластинаның дөңес болуына әкелуі мүмкін. Пластинаның тегістігін сақтау үшін жиі өңдеу қажет. Тиімділігі төмен және пластинаның тегістігі нашар болғандықтан, бір жақты ұнтақтау жаппай өндіріске жарамсыз.

Әдетте, ұсақ ұнтақтау үшін №8000 тегістеу дөңгелектері қолданылады. Жапонияда бұл процесс салыстырмалы түрде жетілген және тіпті №30000 жылтырату дөңгелектерін де пайдаланады. Бұл өңделген пластиналардың беткі кедір-бұдырлығын 2 нм-ден төмен жеткізуге мүмкіндік береді, бұл пластиналарды қосымша өңдеусіз соңғы CMP (химиялық механикалық жылтырату) үшін дайын етеді.

2.3 Бір жақты жұқару технологиясы

Алмазды бір жақты жұқару технологиясы - бір жақты ұнтақтаудың жаңа әдісі. 5-суретте көрсетілгендей (мұнда көрсетілмеген), бұл процесс гауһармен байланысқан ұнтақтау пластинасын пайдаланады. Пластиналар вакуумдық адсорбция арқылы бекітіледі, ал пластиналар да, гауһарлы ұнтақтау дөңгелегі де бір уақытта айналады. Ұнтақтау дөңгелегі пластиналарды мақсатты қалыңдыққа дейін жұқару үшін біртіндеп төмен қарай жылжиды. Бір жағы дайын болғаннан кейін, пластиналар екінші жағын өңдеу үшін аударылады.

Жұқарғаннан кейін 100 мм пластина келесі нәтижелерге қол жеткізе алады:

Садақ < 5 мкм

TTV < 2 мкм

Беттік кедір-бұдырлық < 1 нм

Бұл бір пластиналы өңдеу әдісі жоғары тұрақтылықты, тамаша консистенцияны және материалды жоғары кетіру жылдамдығын қамтамасыз етеді. Дәстүрлі екі жақты ұнтақтаумен салыстырғанда, бұл әдіс ұнтақтау тиімділігін 50%-дан астамға жақсартады.

2.4 Екі жақты тегістеу

Екі жақты тегістеу кезінде негіздің екі жағын бір уақытта тегістеу үшін жоғарғы және төменгі тегістеу пластиналары қолданылады, бұл екі жағынан да беттің тамаша сапасын қамтамасыз етеді.

Процесс барысында тегістеу пластиналары алдымен дайындаманың ең биік нүктелеріне қысым түсіреді, бұл деформацияға және сол нүктелерде материалдың біртіндеп алынуына әкеледі. Биік нүктелер тегістелген сайын, негізге түсетін қысым біртіндеп біркелкі болады, нәтижесінде бүкіл бетінде біркелкі деформация пайда болады. Бұл жоғарғы және төменгі беттерді біркелкі тегістеуге мүмкіндік береді. Тегістеу аяқталғаннан және қысым босатылғаннан кейін, негіздің әрбір бөлігі бастан кешірген қысымның теңдігіне байланысты біркелкі қалпына келеді. Бұл минималды майысу мен жақсы тегістікке әкеледі.

Ұнтақтаудан кейінгі пластинаның беткі кедір-бұдырлығы абразивті бөлшектердің өлшеміне байланысты - ұсақ бөлшектер тегіс беттерді береді. Екі жақты ұнтақтау үшін 5 мкм абразивтерді қолданған кезде, пластинаның жазықтығы мен қалыңдығының өзгеруін 5 мкм шегінде басқаруға болады. Атомдық күш микроскопиясы (AFM) өлшемдері шамамен 100 нм беткі кедір-бұдырлықты (Rq) көрсетеді, ұнтақтау шұңқырлары 380 нм-ге дейін тереңдікте және абразивті әсерден туындаған көрінетін сызықтық іздер бар.

Неғұрлым озық әдіс полиуретанды көбікті жастықшаларды поликристалды алмас суспензиясымен біріктіріп, екі жақты тегістеуді қамтиды. Бұл процесс бетінің кедір-бұдырлығы өте төмен пластиналарды шығарады, бұл Ra < 3 нм-ге жетеді, бұл SiC негіздерін кейінгі жылтырату үшін өте пайдалы.

Дегенмен, беткі сызаттар әлі күнге дейін шешілмеген мәселе болып қала береді. Сонымен қатар, бұл процесте қолданылатын поликристалды алмас жарылғыш синтез арқылы алынады, бұл техникалық тұрғыдан қиын, аз мөлшерде өнім береді және өте қымбат.

SiC монокристалдарын жылтырату

Кремний карбиді (SiC) пластиналарында жоғары сапалы жылтыратылған бетке қол жеткізу үшін жылтырату кезінде тегістеу шұңқырлары мен нанометрлік масштабтағы беткі толқындар толығымен жойылуы керек. Мақсат - ластану немесе тозусыз, жер асты зақымданусыз және қалдық беттік кернеусіз тегіс, ақаусыз бет алу.

3.1 SiC пластиналарын механикалық жылтырату және CMP

SiC монокристалды құймасы өскеннен кейін, беткі ақаулар оны эпитаксиалды өсу үшін тікелей пайдалануға мүмкіндік бермейді. Сондықтан, одан әрі өңдеу қажет. Құйма алдымен дөңгелектеу арқылы стандартты цилиндрлік пішінге келтіріледі, содан кейін сым кесу арқылы пластиналарға кесіледі, содан кейін кристаллографиялық бағдарлауды тексеру жүргізіледі. Жылтырату пластина сапасын жақсартудағы, кристалдардың өсу ақауларынан туындауы мүмкін беткі зақымдануды жоюдағы және алдыңғы өңдеу қадамдарындағы маңызды қадам болып табылады.

SiC бетіндегі зақымдану қабаттарын кетірудің төрт негізгі әдісі бар:

Механикалық жылтырату: Қарапайым, бірақ сызаттар қалдырады; бастапқы жылтырату үшін жарамды.

Химиялық механикалық жылтырату (ХМЖ): Химиялық өңдеу арқылы сызаттарды кетіреді; дәл жылтырату үшін жарамды.

Сутегімен өңдеу: HTCVD процестерінде жиі қолданылатын күрделі жабдықты қажет етеді.

Плазма көмегімен жылтырату: Күрделі және сирек қолданылады.

Тек механикалық жолмен жылтырату сызаттардың пайда болуына әкеледі, ал тек химиялық жолмен жылтырату біркелкі емес оюға әкелуі мүмкін. CMP екі артықшылықты да біріктіреді және тиімді, үнемді шешім ұсынады.

CMP жұмыс принципі

CMP пластинаны айналмалы жылтырату жастықшасына қарсы белгіленген қысыммен айналдыру арқылы жұмыс істейді. Бұл салыстырмалы қозғалыс, суспензиядағы наноөлшемді абразивтерден механикалық абразивтермен және реактивті агенттердің химиялық әсерімен бірге, беттің тегістелуіне қол жеткізеді.

Пайдаланылған негізгі материалдар:

Жылтыратқыш суспензия: Құрамында абразивтер мен химиялық реагенттер бар.

Жылтыратқыш жастықша: пайдалану кезінде тозады, тесіктердің өлшемін және суспензияны жеткізу тиімділігін төмендетеді. Кедір-бұдырлықты қалпына келтіру үшін әдетте гауһар таспаны пайдаланып үнемі өңдеу қажет.

Әдеттегі CMP процесі

Абразивті: 0,5 мкм алмас суспензиясы

Мақсатты беттің кедір-бұдырлығы: ~0,7 нм

Химиялық механикалық жылтырату:

Жылтырату жабдығы: AP-810 бір жақты жылтыратқыш

Қысым: 200 г/см²

Пластинаның жылдамдығы: 50 айн/мин

Керамикалық ұстағыштың жылдамдығы: 38 айн/мин

Қоспа құрамы:

SiO₂ (30 салмақтық%, рН = 10,15)

0–70 салмақтық % H₂O₂ (30 салмақтық %, реагент дәрежесі)

5 салмақтық % KOH және 1 салмақтық % HNO₃ пайдаланып, рН мәнін 8,5-ке дейін реттеңіз

Қоспа ағынының жылдамдығы: 3 л/мин, қайта айналымда

Бұл процесс SiC пластинасының сапасын тиімді түрде жақсартады және кейінгі процестерге қойылатын талаптарға сай келеді.

Механикалық жылтыратудағы техникалық қиындықтар

SiC кең жолақты жартылай өткізгіш ретінде электроника өнеркәсібінде маңызды рөл атқарады. Тамаша физикалық және химиялық қасиеттерімен SiC монокристалдары жоғары температура, жоғары жиілік, жоғары қуат және радиацияға төзімділік сияқты экстремалды орталарға жарамды. Дегенмен, оның қатты және сынғыш табиғаты тегістеу және жылтырату үшін үлкен қиындықтар туғызады.

Әлемдік жетекші өндірушілер 6 дюймдік пластиналардан 8 дюймдік пластиналарға ауысқан сайын, өңдеу кезінде пластиналардың жарылуы және зақымдануы сияқты мәселелер айқындала түсті, бұл өнімділікке айтарлықтай әсер етеді. 8 дюймдік SiC негіздерінің техникалық мәселелерін шешу қазір саланың дамуының негізгі көрсеткіші болып табылады.

8 дюймдік дәуірде SiC пластиналарын өңдеу көптеген қиындықтарға тап болады:

Пластинаны масштабтау әр партиядағы чиптің өнімділігін арттыру, жиектердің жоғалуын азайту және өндіріс шығындарын төмендету үшін қажет, әсіресе электромобильдерді қолданудағы сұраныстың артуын ескере отырып.

8 дюймдік SiC монокристалдарының өсуі жетілгенімен, тегістеу және жылтырату сияқты артқы процестер әлі де кедергілерге тап болып, өнімділіктің төмендеуіне әкеледі (тек 40-50%).

Ірі пластиналар қысымның таралуын күрделендіреді, бұл жылтырату кернеуін және шығымдылық консистенциясын басқару қиындықтарын арттырады.

8 дюймдік пластиналардың қалыңдығы 6 дюймдік пластиналардың қалыңдығына жақындағанымен, олар пайдалану кезінде кернеу мен майысу салдарынан зақымдалуға бейім.

Кесуге байланысты кернеуді, майысу мен жарықшақтануды азайту үшін лазерлік кесу барған сайын кеңінен қолданылады. Дегенмен:

Ұзын толқынды лазерлер термиялық зақым келтіреді.

Қысқа толқынды лазерлер ауыр қоқыстар түзеді және зақымдану қабатын тереңдетеді, бұл жылтырату күрделілігін арттырады.

SiC үшін механикалық жылтырату жұмыс процесі

Жалпы процесс ағынына мыналар кіреді:

Бағыттау кесу

Ірі ұнтақтау

Ұсақ ұнтақтау

Механикалық жылтырату

Химиялық механикалық жылтырату (ХМЖ) соңғы қадам ретінде

CMP әдісін таңдау, процесс бағытын жобалау және параметрлерді оңтайландыру өте маңызды. Жартылай өткізгіштер өндірісінде CMP жоғары сапалы эпитаксиалды өсу үшін маңызды болып табылатын өте тегіс, ақаусыз және зақымдалмаған беттері бар SiC пластиналарын өндірудің шешуші қадамы болып табылады.

(a) SiC құймасын тигельден алыңыз;

(b) Сыртқы диаметрді тегістеу арқылы бастапқы пішіндеуді орындаңыз;

(c) Кристаллдың бағытын туралау жазықтықтарын немесе ойықтарын пайдаланып анықтаңыз;

(d) Көп сымдық аралауды пайдаланып, құйманы жұқа пластиналарға кесіңіз;

(e) Тегістеу және жылтырату қадамдары арқылы айнадай тегіс бетке қол жеткізіңіз.

Өңдеу кезеңдерінің сериясын аяқтағаннан кейін, SiC пластинасының сыртқы жиегі жиі өткір болады, бұл өңдеу немесе пайдалану кезінде сыну қаупін арттырады. Мұндай сынғыштықты болдырмау үшін жиектерді тегістеу қажет.

Дәстүрлі кесу процестерінен басқа, SiC пластиналарын дайындаудың инновациялық әдісі байланыстыру технологиясын қамтиды. Бұл тәсіл жұқа SiC монокристалл қабатын гетерогенді негізге (тірек негіз) байланыстыру арқылы пластина жасауға мүмкіндік береді.

3-суретте процесс ағыны көрсетілген:

Алдымен, SiC монокристалының бетінде сутегі иондарын имплантациялау немесе осыған ұқсас әдістер арқылы белгілі бір тереңдікте деламинация қабаты түзіледі. Содан кейін өңделген SiC монокристалы жалпақ тірек негізіне бекітіліп, қысым мен жылуға ұшырайды. Бұл SiC монокристалл қабатын тірек негізіне сәтті тасымалдауға және бөлуге мүмкіндік береді.

Бөлінген SiC қабаты қажетті тегістікке жету үшін беткі өңдеуден өтеді және кейінгі байланыстыру процестерінде қайта пайдаланылуы мүмкін. SiC кристалдарын дәстүрлі кесумен салыстырғанда, бұл әдіс қымбат материалдарға деген сұранысты азайтады. Техникалық қиындықтар әлі де болса, арзан пластина өндірісін қамтамасыз ету үшін зерттеулер мен әзірлемелер белсенді түрде дамып келеді.

SiC жоғары қаттылығы мен химиялық тұрақтылығын ескере отырып, оны бөлме температурасында реакцияларға төзімді етеді, сондықтан ұсақ ұнтақтау шұңқырларын кетіру, беткі зақымдануды азайту, сызаттарды, шұңқырларды және апельсин қабығының ақауларын жою, беткі кедір-бұдырлықты азайту, тегістікті жақсарту және беткі сапасын жақсарту үшін механикалық жылтырату қажет.

Жоғары сапалы жылтыратылған бетке қол жеткізу үшін келесі әрекеттерді орындау қажет:

Абразивті түрлерін реттеңіз,

Бөлшектердің өлшемін азайту,

Процесс параметрлерін оңтайландыру,

Жылтыратқыш материалдар мен жастықшаларды жеткілікті қаттылықпен таңдаңыз.

7-суретте 1 мкм абразивтермен екі жақты жылтырату 10 мкм шегінде жазықтық пен қалыңдықтың өзгеруін басқара алатыны және бетінің кедір-бұдырлығын шамамен 0,25 нм-ге дейін төмендете алатыны көрсетілген.

3.2 Химиялық механикалық жылтырату (ХМЖ)

Химиялық механикалық жылтырату (ХМЖ) өңделетін материалда тегіс, жазық бетті қалыптастыру үшін аса ұсақ бөлшектерді абразивті түрде өңдеуді химиялық өңдеумен біріктіреді. Негізгі қағидасы:

Жылтыратқыш суспензия мен пластина беті арасында химиялық реакция жүріп, жұмсақ қабат түзеді.

Абразивті бөлшектер мен жұмсақ қабат арасындағы үйкеліс материалды жояды.

CMP артықшылықтары:

Таза механикалық немесе химиялық жылтыратудың кемшіліктерін жояды,

Әлемдік және жергілікті жоспарлауға қол жеткізеді,

Жоғары тегістік пен төмен кедір-бұдырлықтағы беттерді шығарады,

Беткі немесе астыңғы қабаттарға зақым келтірмейді.

Толығырақ:

Плита қысым астында жылтырату жастықшасына қатысты қозғалады.

Шламдағы нанометрлік абразивтер (мысалы, SiO₂) ығысуға, Si-C коваленттік байланыстарын әлсіретуге және материалдың жойылуын жақсартуға қатысады.

CMP әдістерінің түрлері:

Еркін абразивті жылтырату: Абразивті материалдар (мысалы, SiO₂) суспензияда ілініп тұрады. Материалды кетіру үш денелі абразивті материал (пластина-жад-абразивті материал) арқылы жүзеге асырылады. Біркелкілікті жақсарту үшін абразивті материалдың өлшемін (әдетте 60–200 нм), рН және температураны дәл бақылау қажет.

Бекітілген абразивті жылтырату: Абразивтер жылтырату жастықшасына жиналудың алдын алу үшін енгізілген - бұл жоғары дәлдіктегі өңдеу үшін өте қолайлы.

Жылтыратудан кейінгі тазалау:

Жылтыратылған пластиналар келесі жағдайларда қолданылады:

Химиялық тазалау (диоксидті су мен шлам қалдықтарын кетіруді қоса алғанда),

DI сумен шаю және

Ыстық азотпен кептіру

беткі ластаушы заттарды азайту үшін.

Беткі сапасы және өнімділігі

Беттік кедір-бұдырлықты Ra < 0,3 нм дейін азайтуға болады, бұл жартылай өткізгіш эпитаксия талаптарына сәйкес келеді.

Жаһандық жазықтықтау: Химиялық жұмсарту мен механикалық кетірудің үйлесімі сызаттар мен біркелкі емес оюды азайтады, таза механикалық немесе химиялық әдістерден асып түседі.

Жоғары тиімділік: SiC сияқты қатты және сынғыш материалдарға жарамды, материалды кетіру жылдамдығы сағатына 200 нм-ден асады.

Басқа да жаңадан пайда болған жылтырату әдістері

CMP-ден басқа, балама әдістер ұсынылды, соның ішінде:

Электрохимиялық жылтырату, катализатор көмегімен жылтырату немесе ою, және

Трибохимиялық жылтырату.

Дегенмен, бұл әдістер әлі де зерттеу сатысында және SiC-тің күрделі материалдық қасиеттеріне байланысты баяу дамыды.

Сайып келгенде, SiC өңдеу - бұл беттің сапасын жақсарту үшін деформация мен кедір-бұдырлықты азайтудың біртіндеп процесі, мұнда әр кезеңде жазықтық пен кедір-бұдырлықты бақылау өте маңызды.

Өңдеу технологиясы

Пластинаны ұнтақтау кезеңінде пластинаны қажетті тегістікке және бетінің кедір-бұдырлығына дейін ұнтақтау үшін әртүрлі бөлшектер өлшемдері бар алмас суспензиясы қолданылады. Осыдан кейін жылтырату жүргізіледі, зақымдалмайтын жылтыратылған кремний карбиді (SiC) пластиналарын алу үшін механикалық және химиялық механикалық жылтырату (CMP) әдістері қолданылады.

Жылтыратудан кейін SiC пластиналары барлық техникалық параметрлердің қажетті стандарттарға сәйкес келетініне көз жеткізу үшін оптикалық микроскоптар мен рентген дифрактометрлері сияқты құралдарды пайдаланып қатаң сапа тексеруінен өтеді. Соңында, жылтыратылған пластиналар беткі ластаушы заттарды кетіру үшін арнайы тазартқыш заттар мен аса таза суды пайдаланып тазаланады. Содан кейін олар аса жоғары тазалықтағы азот газы мен сығымдайтын кептіргіштерді пайдаланып кептіріледі, бұл бүкіл өндіріс процесін аяқтайды.

Жылдар бойы күш-жігер жұмсағаннан кейін Қытайда SiC монокристаллдарын өңдеуде айтарлықтай жетістіктерге қол жеткізілді. Ішкі нарықта 100 мм легирленген жартылай оқшаулағыш 4H-SiC монокристаллдары сәтті жасалды, ал енді n-типті 4H-SiC және 6H-SiC монокристаллдарын партиялармен өндіруге болады. TankeBlue және TYST сияқты компаниялар 150 мм SiC монокристаллдарын жасап шығарды.

SiC пластиналарын өңдеу технологиясы тұрғысынан отандық мекемелер кристалды кесу, ұнтақтау және жылтырату процесінің шарттары мен жолдарын алдын ала зерттеді. Олар негізінен құрылғы жасау талаптарына сай келетін үлгілерді шығара алады. Дегенмен, халықаралық стандарттармен салыстырғанда, отандық пластиналардың беттік өңдеу сапасы әлі де айтарлықтай артта қалып отыр. Бірнеше мәселе бар:

Халықаралық SiC теориялары мен өңдеу технологиялары қатаң қорғалған және оларға қол жеткізу оңай емес.

Теориялық зерттеулер мен процестерді жетілдіру мен оңтайландыруды қолдаудың жетіспеушілігі байқалады.

Шетелдік жабдықтар мен компоненттерді импорттау құны жоғары.

Жабдықтарды жобалау, өңдеу дәлдігі және материалдар бойынша отандық зерттеулер халықаралық деңгейлермен салыстырғанда әлі де айтарлықтай алшақтықтарды көрсетеді.

Қазіргі уақытта Қытайда қолданылатын жоғары дәлдіктегі құралдардың көпшілігі импортталады. Сынақ жабдықтары мен әдіснамаларын да одан әрі жетілдіру қажет.

Үшінші буын жартылай өткізгіштерінің үздіксіз дамуымен SiC монокристалды негіздерінің диаметрі беттік өңдеу сапасына қойылатын талаптардың жоғарылауымен қатар тұрақты түрде артып келеді. Пластинаны өңдеу технологиясы SiC монокристаллдарының өсуінен кейінгі ең техникалық қиын қадамдардың біріне айналды.

Өңдеудегі бар қиындықтарды шешу үшін кесу, тегістеу және жылтырату механизмдерін одан әрі зерттеу, сондай-ақ SiC пластиналарын өндірудің қолайлы технологиялық әдістері мен жолдарын зерттеу қажет. Сонымен қатар, жоғары сапалы негіздерді алу үшін озық халықаралық өңдеу технологияларынан сабақ алу және заманауи ультра дәлдіктегі өңдеу әдістері мен жабдықтарын енгізу қажет.

Пластинаның өлшемі артқан сайын кристалды өсіру мен өңдеудің қиындығы да артады. Дегенмен, төменгі ағынды құрылғылардың өндіріс тиімділігі айтарлықтай артады және бірлік құны төмендейді. Қазіргі уақытта SiC пластинасының негізгі жеткізушілері бүкіл әлемде диаметрі 4 дюймнен 6 дюймге дейінгі өнімдерді ұсынады. Cree және II-VI сияқты жетекші компаниялар 8 дюймдік SiC пластина өндіріс желілерін дамытуды жоспарлай бастады.