V: Katere so glavne tehnologije, ki se uporabljajo pri rezanju in obdelavi SiC rezin?
A:silicijev karbid (SiC) ima drugo trdoto, takoj za diamantom, in velja za zelo trd in krhek material. Postopek rezanja, ki vključuje rezanje zraslih kristalov na tanke rezine, je dolgotrajen in nagnjen k krušenju. Kot prvi korak priSiCPri obdelavi monokristala kakovost rezanja pomembno vpliva na nadaljnje brušenje, poliranje in redčenje. Rezanje pogosto povzroči površinske in podpovršinske razpoke, kar poveča stopnjo loma rezin in proizvodne stroške. Zato je nadzor nad poškodbami površinskih razpok med rezanjem ključnega pomena za napredek pri izdelavi SiC naprav.
Trenutno poročane metode rezanja SiC vključujejo rezanje s fiksnim abrazivom, rezanje s prostim abrazivom, lasersko rezanje, prenos plasti (hladno ločevanje) in rezanje z električno erozijo. Med njimi je recipročno večžično rezanje s fiksnimi diamantnimi abrazivi najpogosteje uporabljena metoda za obdelavo monokristalov SiC. Ko pa velikosti ingotov dosežejo 8 palcev (20 cm) in več, tradicionalno žično žaganje postane manj praktično zaradi visokih zahtev glede opreme, stroškov in nizke učinkovitosti. Obstaja nujna potreba po nizkocenovnih, nizkoizgubnih in visokoučinkovitih tehnologijah rezanja.
V: Kakšne so prednosti laserskega rezanja pred tradicionalnim večžičnim rezanjem?
A: Tradicionalno žaganje z žico režeSiC ingotvzdolž določene smeri na rezine, debele več sto mikronov. Rezine se nato zmeljejo z diamantno suspenzijo, da se odstranijo sledi žaganja in poškodbe pod površino, sledi kemično-mehansko poliranje (CMP) za dosego globalne planarizacije in na koncu očistijo, da se dobijo SiC rezine.
Vendar pa lahko zaradi visoke trdote in krhkosti SiC ti koraki zlahka povzročijo upogibanje, razpoke, povečano stopnjo loma, višje proizvodne stroške ter visoko hrapavost površine in kontaminacijo (prah, odpadna voda itd.). Poleg tega je žično žaganje počasno in ima nizek izkoristek. Ocene kažejo, da tradicionalno večžično rezanje doseže le približno 50-odstotni izkoristek materiala, po poliranju in brušenju pa se izgubi do 75 % materiala. Prvi podatki o tuji proizvodnji so pokazali, da bi lahko za izdelavo 10.000 rezin trajalo približno 273 dni neprekinjene 24-urne proizvodnje – kar je zelo časovno intenzivno.
Na domačem trgu se mnoga podjetja za rast kristalov SiC osredotočajo na povečanje zmogljivosti peči. Vendar pa je namesto zgolj širitve proizvodnje pomembneje razmisliti o tem, kako zmanjšati izgube – zlasti kadar izkoristki pri rasti kristalov še niso optimalni.
Oprema za lasersko rezanje lahko znatno zmanjša izgubo materiala in izboljša izkoristek. Na primer, uporaba enega samega 20 mmSiC ingotŽaganje z žico lahko da približno 30 rezin debeline 350 μm. Z laserskim rezanjem lahko da več kot 50 rezin. Če debelino rezine zmanjšamo na 200 μm, lahko iz istega ingota izdelamo več kot 80 rezin. Medtem ko se žično žaganje pogosto uporablja za rezine velikosti 6 palcev (15 cm) in manj, lahko rezanje 8-palčnega SiC ingota s tradicionalnimi metodami traja 10–15 dni, kar zahteva vrhunsko opremo in povzroča visoke stroške z nizko učinkovitostjo. V teh pogojih postanejo prednosti laserskega rezanja očitne, zaradi česar je to glavna tehnologija prihodnosti za 8-palčne rezine.
Pri laserskem rezanju je lahko čas rezanja na 8-palčno rezino krajši od 20 minut, izguba materiala na rezino pa manjša od 60 μm.
Skratka, lasersko rezanje v primerjavi z večžičnim rezanjem ponuja večjo hitrost, boljši izkoristek, manjšo izgubo materiala in čistejšo obdelavo.
V: Kateri so glavni tehnični izzivi pri laserskem rezanju SiC?
A: Postopek laserskega rezanja vključuje dva glavna koraka: lasersko modifikacijo in ločevanje rezin.
Jedro laserske modifikacije je oblikovanje žarka in optimizacija parametrov. Parametri, kot so moč laserja, premer pike in hitrost skeniranja, vplivajo na kakovost ablacije materiala in uspeh nadaljnjega ločevanja rezin. Geometrija modificiranega območja določa hrapavost površine in težavnost ločevanja. Visoka hrapavost površine otežuje kasnejše brušenje in povečuje izgubo materiala.
Po modifikaciji se ločevanje rezin običajno doseže s strižnimi silami, kot sta hladni lom ali mehanska obremenitev. Nekateri domači sistemi uporabljajo ultrazvočne pretvornike za povzročanje vibracij pri ločevanju, vendar lahko to povzroči krušenje in napake na robovih, kar zmanjša končni izkoristek.
Čeprav ta dva koraka sama po sebi nista težavna, nedoslednosti v kakovosti kristalov – zaradi različnih procesov rasti, stopenj dopiranja in porazdelitve notranjih napetosti – pomembno vplivajo na težavnost rezanja, izkoristek in izgubo materiala. Zgolj prepoznavanje problematičnih področij in prilagajanje laserskih con skeniranja morda ne bo bistveno izboljšalo rezultatov.
Ključ do široke uporabe je v razvoju inovativnih metod in opreme, ki se lahko prilagodijo širokemu razponu kristalnih lastnosti različnih proizvajalcev, optimizaciji procesnih parametrov in izgradnji sistemov za lasersko rezanje z univerzalno uporabnostjo.
V: Ali se lahko tehnologija laserskega rezanja poleg SiC uporabi tudi za druge polprevodniške materiale?
A: Tehnologija laserskega rezanja se je v preteklosti uporabljala za širok spekter materialov. V polprevodnikih se je sprva uporabljala za rezanje rezin, od takrat pa se je razširila na rezanje velikih monokristalov.
Poleg SiC se lasersko rezanje lahko uporablja tudi za druge trde ali krhke materiale, kot so diamant, galijev nitrid (GaN) in galijev oksid (Ga₂O₃). Predhodne študije teh materialov so pokazale izvedljivost in prednosti laserskega rezanja za polprevodniške aplikacije.
V: Ali trenutno obstajajo zreli domači izdelki za lasersko rezanje? V kateri fazi je vaša raziskava?
A: Oprema za lasersko rezanje SiC velikega premera velja za ključno opremo za prihodnost proizvodnje 8-palčnih SiC rezin. Trenutno lahko takšne sisteme zagotovi le Japonska, poleg tega pa so dragi in zanje veljajo izvozne omejitve.
Domače povpraševanje po sistemih za lasersko rezanje/redčenje je ocenjeno na približno 1000 enot, glede na načrte proizvodnje SiC in obstoječe zmogljivosti žičnih žag. Velika domača podjetja so veliko investirala v razvoj, vendar nobena zrela, komercialno dostopna domača oprema še ni dosegla industrijske uporabe.
Raziskovalne skupine razvijajo lastniško tehnologijo laserskega dvigovanja že od leta 2001 in so jo zdaj razširile na lasersko rezanje in redčenje SiC velikega premera. Razvili so prototipni sistem in postopke rezanja, ki so sposobni: Rezanja in redčenja 4–6-palčnih pol-izolacijskih SiC rezin Rezanja 6–8-palčnih prevodnih SiC ingotov Referenčni podatki o zmogljivosti: 6–8-palčni pol-izolacijski SiC: čas rezanja 10–15 minut/rezino; izguba materiala <30 μm 6–8-palčni prevodni SiC: čas rezanja 14–20 minut/rezino; izguba materiala <60 μm
Ocenjeni izkoristek rezin se je povečal za več kot 50 %
Po rezanju rezine po brušenju in poliranju izpolnjujejo nacionalne standarde za geometrijo. Študije tudi kažejo, da lasersko inducirani toplotni učinki ne vplivajo bistveno na napetost ali geometrijo v rezinah.
Ista oprema je bila uporabljena tudi za preverjanje izvedljivosti rezanja monokristalov diamanta, GaN in Ga₂O₃.
Čas objave: 23. maj 2025