Trenutno stanje in trendi tehnologije obdelave SiC rezin

Kot polprevodniški substratni material tretje generacije,silicijev karbid (SiC)Monokristal ima široke možnosti uporabe pri izdelavi visokofrekvenčnih in visokozmogljivih elektronskih naprav. Tehnologija obdelave SiC igra odločilno vlogo pri proizvodnji visokokakovostnih substratnih materialov. Ta članek predstavlja trenutno stanje raziskav tehnologij obdelave SiC tako na Kitajskem kot v tujini, analizira in primerja mehanizme postopkov rezanja, brušenja in poliranja ter trende v ravnosti in hrapavosti rezin. Prav tako opozarja na obstoječe izzive pri obdelavi rezin SiC in obravnava prihodnje razvojne smeri.

Silicijev karbid (SiC)Rezine so ključni temeljni materiali za polprevodniške naprave tretje generacije in imajo velik pomen ter tržni potencial na področjih, kot so mikroelektronika, močnostna elektronika in polprevodniška razsvetljava. Zaradi izjemno visoke trdote in kemične stabilnostiMonokristali SiCTradicionalne metode obdelave polprevodnikov niso povsem primerne za njihovo strojno obdelavo. Čeprav so številna mednarodna podjetja izvedla obsežne raziskave tehnično zahtevne obdelave monokristalov SiC, so ustrezne tehnologije strogo zaupne.

V zadnjih letih je Kitajska povečala prizadevanja za razvoj monokristalnih materialov in naprav SiC. Vendar pa napredek tehnologije naprav SiC v državi trenutno omejujejo omejitve v tehnologijah obdelave in kakovosti rezin. Zato je za Kitajsko bistveno izboljšati zmogljivosti obdelave SiC, da bi izboljšala kakovost monokristalnih substratov SiC ter dosegla njihovo praktično uporabo in množično proizvodnjo.

Glavni koraki obdelave vključujejo: rezanje → grobo brušenje → fino brušenje → grobo poliranje (mehansko poliranje) → fino poliranje (kemično-mehansko poliranje, CMP) → pregled.

Rezanje monokristalov SiC

Pri obdelaviMonokristali SiCRezanje je prvi in ​​zelo pomemben korak. Ukrivljenost, osnova in skupna debelina (TTV) rezine, ki nastanejo med rezanjem, določajo kakovost in učinkovitost nadaljnjih operacij brušenja in poliranja.

Rezalna orodja lahko glede na obliko razdelimo na diamantne žage z notranjim premerom (ID), žage z zunanjim premerom (OD), tračne žage in žične žage. Žične žage pa lahko glede na vrsto gibanja razdelimo na recipročne in zančne (neskončne) žične sisteme. Glede na rezalni mehanizem abraziva lahko tehnike rezanja z žično žago razdelimo na dve vrsti: žaganje s prosto abrazivno žico in žaganje s fiksno abrazivno diamantno žico.

1.1 Tradicionalne metode rezanja

Globina reza pri žagah z zunanjim premerom (OD) je omejena s premerom rezila. Med rezanjem je rezilo nagnjeno k vibracijam in odstopanju, kar povzroča visoko raven hrupa in slabo togost. Žage z notranjim premerom (ID) uporabljajo diamantne abrazive na notranjem obodu rezila kot rezalni rob. Ta rezila so lahko tanka le 0,2 mm. Med rezanjem se rezilo z notranjim premerom vrti z veliko hitrostjo, medtem ko se material, ki ga je treba rezati, premika radialno glede na središče rezila, s čimer se doseže rezanje s tem relativnim gibanjem.

Diamantne tračne žage zahtevajo pogoste zaustavitve in obračanja, hitrost rezanja pa je zelo nizka – običajno ne presega 2 m/s. Prav tako so podvržene znatni mehanski obrabi in visokim stroškom vzdrževanja. Zaradi širine žaginega lista polmer rezanja ne more biti premajhen in večrezno rezanje ni mogoče. Ta tradicionalna žagarska orodja so omejena s togostjo podlage in ne morejo izvajati ukrivljenih rezov ali imajo omejene polmere obračanja. Zmožna so le ravnih rezov, ustvarjajo široke zareze, imajo nizko stopnjo izkoristka in so zato neprimerna za rezanje.Kristali SiC.

1.2 Brezplačna abrazivna žična žaga za rezanje več žic

Tehnika rezanja z žično žago s prostim abrazivom uporablja hitro gibanje žice za prenos brozge v režo, kar omogoča odstranjevanje materiala. V prvi vrsti uporablja recipročno strukturo in je trenutno zrela in široko uporabljena metoda za učinkovito rezanje več rezin monokristalnega silicija. Vendar pa je bila njena uporaba pri rezanju SiC manj obsežno raziskana.

Žage za prosto abrazivno žico lahko obdelujejo rezine debeline manj kot 300 μm. Ponujajo nizko izgubo pri rezanju, redko povzročajo krušenje in zagotavljajo relativno dobro kakovost površine. Vendar pa se zaradi mehanizma odstranjevanja materiala – ki temelji na kotaljenju in vdiranju abrazivov – na površini rezine običajno razvijejo znatne preostale napetosti, mikrorazpoke in globlje plasti poškodb. To vodi do upogibanja rezin, otežuje nadzor nad natančnostjo profila površine in povečuje obremenitev pri naslednjih korakih obdelave.

Na rezalno zmogljivost močno vpliva brozga; treba je vzdrževati ostrino abrazivov in koncentracijo brozge. Obdelava in recikliranje brozge sta draga. Pri rezanju velikih ingotov abrazivi težko prodrejo v globoke in dolge reže. Pri enaki velikosti abrazivnih zrn je izguba v reži večja kot pri žagah s fiksnim abrazivom.

1.3 Fiksna abrazivna diamantna žična žaga Večžično rezanje

Fiksne abrazivne diamantne žične žage so običajno izdelane z vdelavo diamantnih delcev na jekleno žično podlago z galvanizacijo, sintranjem ali vezavo s smolo. Elektroplatirane diamantne žične žage ponujajo prednosti, kot so ožji rezi, boljša kakovost rezov, večja učinkovitost, manjša kontaminacija in možnost rezanja materialov visoke trdote.

Elektroplatirana diamantna žična žaga z vbodnim gibanjem je trenutno najpogosteje uporabljena metoda za rezanje SiC. Slika 1 (tukaj ni prikazana) prikazuje ravnost površine SiC rezin, razrezanih s to tehniko. Med rezanjem se povečuje upogibanje rezine. To je zato, ker se kontaktna površina med žico in materialom povečuje, ko se žica premika navzdol, kar povečuje upor in vibracije žice. Ko žica doseže največji premer rezine, so vibracije največje, kar povzroči največje upogibanje.

V poznejših fazah rezanja se zaradi pospeševanja, gibanja s stabilno hitrostjo, upočasnjevanja, ustavljanja in obračanja žice ter težav pri odstranjevanju ostankov s hladilno tekočino kakovost površine rezine poslabša. Obračanje žice in nihanja hitrosti ter veliki diamantni delci na žici so glavni vzroki za površinske praske.

1.4 Tehnologija hladnega ločevanja

Hladno ločevanje monokristalov SiC je inovativen postopek na področju obdelave polprevodniških materialov tretje generacije. V zadnjih letih je pritegnil veliko pozornosti zaradi svojih opaznih prednosti pri izboljšanju izkoristka in zmanjšanju izgub materiala. Tehnologijo je mogoče analizirati s treh vidikov: principa delovanja, poteka procesa in osnovnih prednosti.

Določanje kristalne orientacije in brušenje zunanjega premera: Pred obdelavo je treba določiti kristalno orientacijo SiC ingota. Ingot se nato z brušenjem zunanjega premera oblikuje v valjasto strukturo (običajno imenovano SiC plošček). Ta korak postavlja temelje za nadaljnje usmerjeno rezanje in rezanje.

Večžično rezanje: Ta metoda uporablja abrazivne delce v kombinaciji z rezalnimi žicami za rezanje valjastega ingota. Vendar pa ima znatne izgube v zarezi in težave z neravnostmi površine.

Tehnologija laserskega rezanja: Z laserjem se znotraj kristala oblikuje modificirana plast, iz katere se lahko ločijo tanke rezine. Ta pristop zmanjšuje izgubo materiala in povečuje učinkovitost obdelave, zaradi česar je obetavna nova smer rezanja SiC rezin.

Optimizacija procesa rezanja

Večžično rezanje s fiksnim abrazivom: To je trenutno glavna tehnologija, ki je zelo primerna za visoke trdote SiC.

Elektroerozijska obdelava (EDM) in tehnologija hladnega ločevanja: Ti metodi zagotavljata raznolike rešitve, prilagojene specifičnim zahtevam.

Postopek poliranja: Bistveno je uravnotežiti hitrost odstranjevanja materiala in poškodbe površine. Za izboljšanje enakomernosti površine se uporablja kemično-mehansko poliranje (CMP).

Spremljanje v realnem času: Uvedene so spletne tehnologije za pregledovanje hrapavosti površine v realnem času.

Lasersko rezanje: Ta tehnika zmanjšuje izgube pri rezanju in skrajša cikle obdelave, čeprav toplotno prizadeto območje ostaja izziv.

Hibridne tehnologije obdelave: Kombinacija mehanskih in kemičnih metod povečuje učinkovitost obdelave.

Ta tehnologija je že dosegla industrijsko uporabo. Infineon je na primer prevzel SILTECTRA in ima zdaj ključne patente, ki podpirajo množično proizvodnjo 8-palčnih rezin. Na Kitajskem so podjetja, kot je Delong Laser, dosegla izhodno učinkovitost 30 rezin na ingot pri obdelavi 6-palčnih rezin, kar predstavlja 40-odstotno izboljšanje v primerjavi s tradicionalnimi metodami.

Ker se proizvodnja domače opreme pospešuje, se pričakuje, da bo ta tehnologija postala glavna rešitev za obdelavo SiC substratov. Z naraščajočim premerom polprevodniških materialov so tradicionalne metode rezanja postale zastarele. Med trenutnimi možnostmi kaže tehnologija sabljaste diamantne žične žage najbolj obetavne možnosti uporabe. Lasersko rezanje kot nova tehnika ponuja znatne prednosti in naj bi v prihodnosti postalo primarna metoda rezanja.

2.Brušenje monokristalov SiC

Kot predstavnik polprevodnikov tretje generacije ponuja silicijev karbid (SiC) znatne prednosti zaradi široke pasovne prepustnosti, visokega prebojnega električnega polja, visoke hitrosti nasičenega drifta elektronov in odlične toplotne prevodnosti. Zaradi teh lastnosti je SiC še posebej koristen v visokonapetostnih aplikacijah (npr. okolja 1200 V). Tehnologija obdelave SiC substratov je temeljni del izdelave naprav. Kakovost površine in natančnost substrata neposredno vplivata na kakovost epitaksialne plasti in delovanje končne naprave.

Primarni namen brušenja je odstranitev površinskih sledi žaganja in poškodovanih plasti, ki nastanejo med rezanjem, ter odprava deformacij, ki nastanejo med rezanjem. Zaradi izjemno visoke trdote SiC brušenje zahteva uporabo trdih abrazivov, kot sta borov karbid ali diamant. Konvencionalno brušenje se običajno deli na grobo in fino brušenje.

2.1 Grobo in fino mletje

Brušenje lahko razdelimo glede na velikost abrazivnih delcev:

Grobo brušenje: Uporablja večje abrazive predvsem za odstranjevanje sledi žaganja in poškodovanih plasti, ki nastanejo med rezanjem, kar izboljša učinkovitost obdelave.

Fino brušenje: Uporablja finejše abrazive za odstranitev poškodovane plasti, ki jo pusti grobo brušenje, zmanjšanje hrapavosti površine in izboljšanje kakovosti površine.

Mnogi domači proizvajalci SiC substratov uporabljajo obsežne proizvodne procese. Običajna metoda vključuje dvostransko brušenje z litoželezno ploščo in monokristalno diamantno suspenzijo. Ta postopek učinkovito odstrani poškodovano plast, ki jo pusti žaganje z žico, popravi obliko rezine in zmanjša TTV (skupna variacija debeline), upogib in deformacijo. Hitrost odstranjevanja materiala je stabilna in običajno doseže 0,8–1,2 μm/min. Vendar pa je nastala površina rezine mat z relativno visoko hrapavostjo – običajno okoli 50 nm – kar nalaga višje zahteve pri nadaljnjih korakih poliranja.

2.2 Enostransko brušenje

Enostransko brušenje obdeluje samo eno stran rezine naenkrat. Med tem postopkom se rezina z voskom pritrdi na jekleno ploščo. Pod pritiskom se substrat rahlo deformira, zgornja površina pa se splošči. Po brušenju se spodnja površina poravna. Ko se pritisk odstrani, se zgornja površina ponavadi vrne v prvotno obliko, kar vpliva tudi na že brušeno spodnjo površino – povzroči, da se obe strani ukrivita in postaneta bolj ravno.

Poleg tega se lahko brusilna plošča v kratkem času vboči, zaradi česar rezina postane izbočena. Za ohranjanje ravnosti plošče je potrebno pogosto brušenje. Zaradi nizke učinkovitosti in slabe ravnosti rezine enostransko brušenje ni primerno za masovno proizvodnjo.

Za fino brušenje se običajno uporabljajo brusilne plošče št. 8000. Na Japonskem je ta postopek relativno zrel in se uporabljajo celo polirne plošče št. 30000. To omogoča, da hrapavost površine obdelanih rezin doseže manj kot 2 nm, zaradi česar so rezine pripravljene za končno CMP (kemično-mehansko poliranje) brez dodatne obdelave.

2.3 Tehnologija enostranskega redčenja

Tehnologija enostranskega tanjšanja diamantov je nova metoda enostranskega brušenja. Kot je prikazano na sliki 5 (tukaj ni prikazana), postopek uporablja brusilno ploščo, vezano z diamantom. Rezina se fiksira z vakuumsko adsorpcijo, medtem ko se rezina in diamantno brusilno kolo vrtita hkrati. Brusilno kolo se postopoma premika navzdol, da se rezina stanjša do ciljne debeline. Ko je ena stran končana, se rezina obrne za obdelavo druge strani.

Po redčenju lahko 100 mm rezina doseže:

Lok < 5 μm

TTV < 2 μm

Hrapavost površine < 1 nm

Ta metoda obdelave posameznih rezin ponuja visoko stabilnost, odlično konsistenco in visoko stopnjo odstranjevanja materiala. V primerjavi s konvencionalnim dvostranskim brušenjem ta tehnika izboljša učinkovitost brušenja za več kot 50 %.

2.4 Dvostransko brušenje

Dvostransko brušenje uporablja zgornjo in spodnjo brusilno ploščo za hkratno brušenje obeh strani substrata, kar zagotavlja odlično kakovost površine na obeh straneh.

Med postopkom brusilne plošče najprej pritiskajo na najvišje točke obdelovanca, kar povzroči deformacijo in postopno odstranjevanje materiala na teh točkah. Ko se najvišje točke izravnajo, pritisk na podlago postopoma postaja bolj enakomeren, kar ima za posledico enakomerno deformacijo po celotni površini. To omogoča enakomerno brušenje zgornje in spodnje površine. Ko je brušenje končano in se pritisk sprosti, se vsak del podlage zaradi enakega pritiska, ki ga je bil deležen, enakomerno obnovi. To vodi do minimalnega upogibanja in dobre ravnosti.

Hrapavost površine rezine po brušenju je odvisna od velikosti abrazivnih delcev – manjši delci dajejo bolj gladke površine. Pri uporabi abrazivov velikosti 5 μm za dvostransko brušenje je mogoče nadzorovati ravnost in debelino rezine v območju 5 μm. Meritve z atomsko silovno mikroskopijo (AFM) kažejo hrapavost površine (Rq) približno 100 nm, z brusnimi jamicami globokimi do 380 nm in vidnimi linearnimi oznakami, ki jih povzroča abrazivno delovanje.

Naprednejša metoda vključuje dvostransko brušenje z uporabo poliuretanskih penastih blazinic v kombinaciji s polikristalno diamantno suspenzijo. Ta postopek ustvari rezine z zelo nizko hrapavostjo površine, ki doseže Ra < 3 nm, kar je zelo koristno za nadaljnje poliranje SiC substratov.

Vendar pa ostaja površinsko praskanje nerešeno vprašanje. Poleg tega se polikristalni diamant, ki se uporablja v tem postopku, proizvaja z eksplozivno sintezo, ki je tehnično zahtevna, daje majhne količine in je izjemno draga.

Poliranje monokristalov SiC

Za doseganje visokokakovostne polirane površine na rezinah silicijevega karbida (SiC) je treba pri poliranju popolnoma odstraniti brusne jamice in nanometrske površinske valovitosti. Cilj je ustvariti gladko površino brez napak, onesnaženja ali degradacije, poškodb pod površino in preostalih površinskih napetosti.

3.1 Mehansko poliranje in CMP SiC rezin

Po rasti monokristalnega ingota SiC površinske napake preprečujejo njegovo neposredno uporabo za epitaksialno rast. Zato je potrebna nadaljnja obdelava. Ingot se najprej oblikuje v standardno valjasto obliko z zaokroževanjem, nato pa se z žičnim rezanjem nareže na rezine, čemur sledi kristalografsko preverjanje orientacije. Poliranje je ključni korak pri izboljšanju kakovosti rezin, saj odpravlja morebitne površinske poškodbe, ki jih povzročajo napake pri rasti kristalov in predhodni koraki obdelave.

Obstajajo štiri glavne metode za odstranjevanje površinskih poškodovanih plasti na SiC:

Mehansko poliranje: Enostavno, vendar pušča praske; primerno za začetno poliranje.

Kemično mehansko poliranje (CMP): Odstranjuje praske s kemičnim jedkanjem; primerno za precizno poliranje.

Jedkanje z vodikom: Zahteva kompleksno opremo, ki se pogosto uporablja v postopkih HTCGVD.

Poliranje s pomočjo plazme: Kompleksno in redko uporabljeno.

Samo mehansko poliranje ponavadi povzroči praske, medtem ko lahko samo kemično poliranje povzroči neenakomerno jedkanje. CMP združuje obe prednosti in ponuja učinkovito ter stroškovno ugodno rešitev.

Načelo delovanja CMP

CMP deluje tako, da rezino vrti pod določenim pritiskom ob vrteči se polirni blazinici. To relativno gibanje, skupaj z mehansko abrazijo zaradi nanodelcev abrazivov v suspenziji in kemičnim delovanjem reaktivnih snovi, doseže površinsko planarizacijo.

Ključni uporabljeni materiali:

Polirna kaša: Vsebuje abrazive in kemične reagente.

Polirna blazinica: Med uporabo se obrabi, kar zmanjša velikost por in učinkovitost dovajanja gnojevke. Za obnovitev hrapavosti je potrebno redno brušenje, običajno z diamantnim brusilnikom.

Tipičen postopek CMP

Abraziv: diamantna kaša z granulacijo 0,5 μm

Hrapavost ciljne površine: ~0,7 nm

Kemično mehansko poliranje:

Polirna oprema: enostranski polirnik AP-810

Tlak: 200 g/cm²

Hitrost plošče: 50 vrt/min

Hitrost keramičnega držala: 38 vrt/min

Sestava gnojevke:

SiO₂ (30 mas. %, pH = 10,15)

0–70 mas. % H₂O₂ (30 mas. %, reagentne kakovosti)

pH nastavite na 8,5 z uporabo 5 mas. % KOH in 1 mas. % HNO₃

Pretok gnojevke: 3 l/min, recirkulacija

Ta postopek učinkovito izboljša kakovost SiC rezin in izpolnjuje zahteve za nadaljnje procese.

Tehnični izzivi pri mehanskem poliranju

SiC, kot polprevodnik s širokim pasovnim razmikom, igra ključno vlogo v elektronski industriji. Z odličnimi fizikalnimi in kemičnimi lastnostmi so monokristali SiC primerni za ekstremna okolja, kot so visoke temperature, visoke frekvence, visoka moč in odpornost proti sevanju. Vendar pa njegova trda in krhka narava predstavlja velike izzive za brušenje in poliranje.

Ker vodilni svetovni proizvajalci prehajajo s 6-palčnih na 8-palčne rezine, so težave, kot so razpoke in poškodbe rezin med obdelavo, postale bolj izrazite, kar bistveno vpliva na izkoristek. Reševanje tehničnih izzivov 8-palčnih SiC substratov je zdaj ključno merilo za napredek industrije.

V 8-palčni dobi se obdelava SiC rezin sooča s številnimi izzivi:

Skaliranje rezin je potrebno za povečanje proizvodnje čipov na serijo, zmanjšanje izgub na robovih in znižanje proizvodnih stroškov – zlasti glede na naraščajoče povpraševanje po aplikacijah za električna vozila.

Čeprav je rast 8-palčnih monokristalov SiC dozorela, se končni procesi, kot sta brušenje in poliranje, še vedno soočajo z ozkimi grli, kar ima za posledico nizke izkoristke (le 40–50 %).

Večje rezine imajo bolj kompleksne porazdelitve tlaka, kar povečuje težave pri obvladovanju poliranja in doslednosti izkoristka.

Čeprav se debelina 8-palčnih rezin približuje debelini 6-palčnih rezin, so med rokovanjem bolj nagnjene k poškodbam zaradi napetosti in upogibanja.

Za zmanjšanje napetosti, upogibanja in razpok, povezanih z rezanjem, se vse pogosteje uporablja lasersko rezanje. Vendar pa:

Dolgovalovni laserji povzročajo toplotne poškodbe.

Kratkovalovni laserji ustvarjajo težke delce in poglobijo poškodovano plast, kar povečuje kompleksnost poliranja.

Mehanski poliranje SiC

Splošni potek postopka vključuje:

Orientacijski rez

Grobo mletje

Fino mletje

Mehansko poliranje

Kemično mehansko poliranje (CMP) kot zadnji korak

Izbira metode CMP, zasnova procesne poti in optimizacija parametrov so ključnega pomena. V proizvodnji polprevodnikov je CMP odločilni korak za izdelavo SiC rezin z ultra gladkimi, brez napak in poškodb površinami, ki so bistvene za visokokakovostno epitaksialno rast.

(a) Odstranite ingot SiC iz lončka;

(b) Izvedite začetno oblikovanje z brušenjem zunanjega premera;

(c) Določite orientacijo kristala z uporabo poravnalnih plošč ali zarez;

(d) Ingot narežite na tanke rezine z večžično žago;

(e) Z brušenjem in poliranjem dosežete zrcalno gladko površino.

Po zaključku vrste korakov obdelave zunanji rob SiC rezine pogosto postane oster, kar poveča tveganje za odkruške med rokovanjem ali uporabo. Da bi se izognili takšni krhkosti, je potrebno brušenje robov.

Poleg tradicionalnih postopkov rezanja inovativna metoda za pripravo SiC rezin vključuje tehnologijo vezanja. Ta pristop omogoča izdelavo rezin z vezavo tanke plasti monokristala SiC na heterogeni substrat (nosilec).

Slika 3 prikazuje potek postopka:

Najprej se na določeni globini na površini monokristala SiC z implantacijo vodikovih ionov ali podobnimi tehnikami oblikuje delaminacijska plast. Obdelani monokristal SiC se nato veže na ravno nosilno podlago in izpostavi tlaku in toploti. To omogoča uspešen prenos in ločitev plasti monokristala SiC na nosilno podlago.

Ločena plast SiC se površinsko obdela, da se doseže zahtevana ravnost, in jo je mogoče ponovno uporabiti v nadaljnjih postopkih lepljenja. V primerjavi s tradicionalnim rezanjem kristalov SiC ta tehnika zmanjšuje potrebo po dragih materialih. Čeprav tehnični izzivi ostajajo, raziskave in razvoj aktivno napredujejo, da bi omogočili cenejšo proizvodnjo rezin.

Glede na visoko trdoto in kemijsko stabilnost SiC, zaradi česar je odporen na reakcije pri sobni temperaturi, je potrebno mehansko poliranje za odstranitev finih brusnih jamic, zmanjšanje površinskih poškodb, odpravo prask, jamic in napak pomarančne lupine, zmanjšanje hrapavosti površine, izboljšanje ravnosti in izboljšanje kakovosti površine.

Za dosego visokokakovostne polirane površine je potrebno:

Prilagodite vrste abrazivov,

Zmanjšajte velikost delcev,

Optimizirajte procesne parametre,

Izberite polirne materiale in blazinice z ustrezno trdoto.

Slika 7 prikazuje, da lahko dvostransko poliranje z abrazivi velikosti 1 μm nadzoruje ravnost in odstopanja debeline znotraj 10 μm ter zmanjša hrapavost površine na približno 0,25 nm.

3.2 Kemično-mehansko poliranje (KMP)

Kemično mehansko poliranje (CMP) združuje abrazijo ultrafinih delcev s kemičnim jedkanjem, da se na obdelovanem materialu oblikuje gladka, ravna površina. Osnovno načelo je:

Med polirno suspenzijo in površino rezine pride do kemične reakcije, ki tvori mehko plast.

Trenje med abrazivnimi delci in mehko plastjo odstrani material.

Prednosti CMP-ja:

Premaga pomanjkljivosti zgolj mehanskega ali kemičnega poliranja,

Doseže tako globalno kot lokalno planarizacijo,

Ustvarja površine z visoko ravnino in nizko hrapavostjo,

Ne pušča površinskih ali podpovršinskih poškodb.

Podrobno:

Rezina se pod pritiskom premika glede na polirno blazinico.

Nanometrski abrazivi (npr. SiO₂) v brozgi sodelujejo pri striženju, slabijo kovalentne vezi Si–C in pospešujejo odstranjevanje materiala.

Vrste tehnik CMP:

Poliranje s prostim abrazivom: Abrazivi (npr. SiO₂) so suspendirani v brozgi. Odstranjevanje materiala poteka s tridelno abrazijo (rezina-blazinica-abraziv). Za izboljšanje enakomernosti je treba natančno nadzorovati velikost abraziva (običajno 60–200 nm), pH in temperaturo.

Poliranje s fiksnim abrazivom: V polirno blazinico so vdelani abrazivi, ki preprečujejo aglomeracijo – idealno za visoko natančno obdelavo.

Čiščenje po poliranju:

Polirane rezine so podvržene:

Kemično čiščenje (vključno z odstranjevanjem deionizirane vode in ostankov gnojevke),

Izpiranje z deionizirano vodo in

Sušenje z vročim dušikom

da se čim bolj zmanjšajo površinski onesnaževalci.

Kakovost in zmogljivost površine

Hrapavost površine se lahko zmanjša na Ra < 0,3 nm, kar izpolnjuje zahteve za epitaksijo polprevodnikov.

Globalna planarizacija: Kombinacija kemičnega mehčanja in mehanskega odstranjevanja zmanjšuje praske in neenakomerno jedkanje ter prekaša čisto mehanske ali kemične metode.

Visoka učinkovitost: Primerno za trde in krhke materiale, kot je SiC, s hitrostjo odstranjevanja materiala nad 200 nm/h.

Druge nove tehnike poliranja

Poleg CMP so bile predlagane tudi alternativne metode, vključno z:

Elektrokemično poliranje, poliranje ali jedkanje s pomočjo katalizatorja in

Tribokemično poliranje.

Vendar so te metode še vedno v fazi raziskav in so se zaradi zahtevnih lastnosti materiala SiC razvijale počasi.

Konec koncev je obdelava SiC postopen proces zmanjševanja upogibanja in hrapavosti za izboljšanje kakovosti površine, kjer sta nadzor ravnosti in hrapavosti ključnega pomena v vsaki fazi.

Tehnologija obdelave

Med fazo brušenja rezin se za brušenje rezine do zahtevane ravnosti in hrapavosti površine uporablja diamantna kaša z različnimi velikostmi delcev. Sledi poliranje z uporabo mehanskih in kemično-mehanskih tehnik poliranja (CMP) za izdelavo nepoškodovanih poliranih rezin silicijevega karbida (SiC).

Po poliranju se rezine SiC podvržejo strogemu pregledu kakovosti z instrumenti, kot so optični mikroskopi in rentgenski difraktometri, da se zagotovi, da vsi tehnični parametri ustrezajo zahtevanim standardom. Na koncu se polirane rezine očistijo s specializiranimi čistilnimi sredstvi in ​​ultračisto vodo, da se odstranijo površinski onesnaževalci. Nato se posušijo z ultra čistim dušikovim plinom in centrifugami, s čimer se zaključi celoten proizvodni proces.

Po letih prizadevanj je bil na Kitajskem dosežen pomemben napredek pri predelavi monokristalov SiC. Na domačem trgu so bili uspešno razviti 100 mm dopirani pol-izolacijski monokristali 4H-SiC, monokristali n-tipa 4H-SiC in 6H-SiC pa se zdaj lahko proizvajajo v serijah. Podjetja, kot sta TankeBlue in TYST, so že razvila 150 mm monokristale SiC.

Kar zadeva tehnologijo obdelave SiC rezin, so domače institucije predhodno raziskale procesne pogoje in poti za rezanje, brušenje in poliranje kristalov. Sposobne so izdelati vzorce, ki v osnovi izpolnjujejo zahteve za izdelavo naprav. Vendar pa kakovost obdelave površine domačih rezin v primerjavi z mednarodnimi standardi še vedno znatno zaostaja. Obstaja več težav:

Mednarodne teorije in tehnologije obdelave SiC so strogo zaščitene in niso lahko dostopne.

Primanjkuje teoretičnih raziskav in podpore za izboljšanje in optimizacijo procesov.

Stroški uvoza tuje opreme in komponent so visoki.

Domače raziskave na področju načrtovanja opreme, natančnosti obdelave in materialov še vedno kažejo znatne vrzeli v primerjavi z mednarodnimi ravnmi.

Trenutno je večina visoko natančnih instrumentov, ki se uporabljajo na Kitajskem, uvoženih. Tudi oprema za testiranje in metodologije zahtevajo nadaljnje izboljšave.

Z nenehnim razvojem polprevodnikov tretje generacije se premer substratov monokristalov SiC vztrajno povečuje, skupaj z višjimi zahtevami glede kakovosti obdelave površine. Tehnologija obdelave rezin je postala eden tehnično najzahtevnejših korakov po rasti monokristalov SiC.

Za reševanje obstoječih izzivov pri obdelavi je bistveno nadalje preučiti mehanizme rezanja, brušenja in poliranja ter raziskati ustrezne procesne metode in poti za proizvodnjo SiC rezin. Hkrati se je treba učiti iz naprednih mednarodnih tehnologij obdelave in uporabljati najsodobnejše tehnike in opremo ultra natančne obdelave za izdelavo visokokakovostnih substratov.

Z naraščanjem velikosti rezin se povečuje tudi težavnost rasti in obdelave kristalov. Vendar se učinkovitost proizvodnje nadaljnjih naprav znatno izboljša, stroški na enoto pa se zmanjšajo. Trenutno glavni dobavitelji SiC rezin po vsem svetu ponujajo izdelke s premerom od 4 do 6 palcev. Vodilna podjetja, kot sta Cree in II-VI, so že začela načrtovati razvoj proizvodnih linij za 8-palčne SiC rezine.