SiC ვაფლის დამუშავების ტექნოლოგიის ამჟამინდელი სტატუსი და ტენდენციები

როგორც მესამე თაობის ნახევარგამტარული სუბსტრატის მასალა,სილიციუმის კარბიდი (SiC)ერთკრისტალს ფართო გამოყენების პერსპექტივები აქვს მაღალი სიხშირის და მაღალი სიმძლავრის ელექტრონული მოწყობილობების წარმოებაში. SiC-ის დამუშავების ტექნოლოგია გადამწყვეტ როლს ასრულებს მაღალი ხარისხის სუბსტრატის მასალების წარმოებაში. ეს სტატია წარმოგვიდგენს SiC დამუშავების ტექნოლოგიების კვლევის ამჟამინდელ მდგომარეობას როგორც ჩინეთში, ასევე მის ფარგლებს გარეთ, აანალიზებს და ადარებს ჭრის, დაფქვისა და გაპრიალების პროცესების მექანიზმებს, ასევე ვაფლის სიბრტყისა და ზედაპირის უხეშობის ტენდენციებს. ასევე მიუთითებს SiC ვაფლის დამუშავების არსებულ გამოწვევებზე და განიხილავს სამომავლო განვითარების მიმართულებებს.

სილიციუმის კარბიდი (SiC)ვაფლები წარმოადგენს მესამე თაობის ნახევარგამტარული მოწყობილობების კრიტიკულ საფუძვლო მასალებს და მნიშვნელოვან მნიშვნელობას და ბაზრის პოტენციალს ფლობენ ისეთ სფეროებში, როგორიცაა მიკროელექტრონიკა, ენერგეტიკული ელექტრონიკა და ნახევარგამტარული განათება. უკიდურესად მაღალი სიმტკიცისა და ქიმიური სტაბილურობის გამოSiC მონოკრისტალებინახევარგამტარების დამუშავების ტრადიციული მეთოდები მათი დამუშავებისთვის სრულიად შესაფერისი არ არის. მიუხედავად იმისა, რომ ბევრმა საერთაშორისო კომპანიამ ჩაატარა ვრცელი კვლევა SiC მონოკრისტალების ტექნიკურად მომთხოვნი დამუშავების შესახებ, შესაბამისი ტექნოლოგიები მკაცრად კონფიდენციალურია.

ბოლო წლებში ჩინეთმა გააძლიერა ძალისხმევა SiC მონოკრისტალური მასალებისა და მოწყობილობების შემუშავების მიმართულებით. თუმცა, SiC მოწყობილობების ტექნოლოგიის განვითარება ქვეყანაში ამჟამად შეზღუდულია დამუშავების ტექნოლოგიებისა და ვაფლის ხარისხის შეზღუდვებით. ამიტომ, ჩინეთისთვის აუცილებელია SiC დამუშავების შესაძლებლობების გაუმჯობესება SiC მონოკრისტალური სუბსტრატების ხარისხის გასაუმჯობესებლად და მათი პრაქტიკული გამოყენებისა და მასობრივი წარმოების მისაღწევად.

დამუშავების ძირითადი ეტაპებია: ჭრა → უხეშად დაფქვა → წვრილად დაფქვა → უხეში გაპრიალება (მექანიკური გაპრიალება) → წვრილად გაპრიალება (ქიმიური მექანიკური გაპრიალება, CMP) → შემოწმება.

SiC მონოკრისტალების ჭრა

დამუშავებისასSiC მონოკრისტალებიჭრა პირველი და უაღრესად კრიტიკული ეტაპია. ჭრის პროცესის შედეგად წარმოქმნილი ვაფლის წინა ნაწილი, დეფორმაცია და სრული სისქის ვარიაცია (TTV) განსაზღვრავს შემდგომი დაფქვისა და გაპრიალების ოპერაციების ხარისხსა და ეფექტურობას.

საჭრელი ხელსაწყოები ფორმის მიხედვით შეიძლება დაიყოს ალმასის შიდა დიამეტრის (ID) ხერხებად, გარე დიამეტრის (OD) ხერხებად, ზოლიან ხერხებად და მავთულის ხერხებად. მავთულის ხერხები, თავის მხრივ, მოძრაობის ტიპის მიხედვით შეიძლება კლასიფიცირდეს ორმხრივ და მარყუჟოვან (უსასრულო) მავთულის სისტემებად. აბრაზივის ჭრის მექანიზმის მიხედვით, მავთულის ხერხით დაჭრის ტექნიკა შეიძლება დაიყოს ორ ტიპად: თავისუფალი აბრაზიული მავთულის ხერხი და ფიქსირებული აბრაზიული ალმასის მავთულის ხერხი.

1.1 ტრადიციული ჭრის მეთოდები

გარე დიამეტრის (OD) ხერხების ჭრის სიღრმე შეზღუდულია პირის დიამეტრით. ჭრის პროცესში პირი მიდრეკილია ვიბრაციისა და გადახრისკენ, რაც იწვევს ხმაურის მაღალ დონეს და ცუდ სიმყარეს. შიდა დიამეტრის (ID) ხერხები პირის შიდა წრეწირზე საჭრელ კიდედ იყენებენ ალმასის აბრაზივებს. ეს პირები შეიძლება იყოს 0.2 მმ-მდე თხელი. ჭრის დროს, ID პირი ბრუნავს მაღალი სიჩქარით, ხოლო დასაჭრელი მასალა მოძრაობს რადიალურად პირის ცენტრთან მიმართებაში, რაც ამ ფარდობითი მოძრაობის საშუალებით ჭრის პროცესს უზრუნველყოფს.

ალმასის ზოლიან ხერხებს სჭირდებათ ხშირი გაჩერება და უკუქცევა, ხოლო ჭრის სიჩქარე ძალიან დაბალია - როგორც წესი, არ აღემატება 2 მ/წმ-ს. ისინი ასევე განიცდიან მნიშვნელოვან მექანიკურ ცვეთას და მაღალ მოვლა-პატრონობის ხარჯებს. ხერხის პირის სიგანის გამო, ჭრის რადიუსი არ უნდა იყოს ძალიან მცირე და მრავალნაჭრელი ჭრა შეუძლებელია. ეს ტრადიციული ხერხის ხელსაწყოები შეზღუდულია ფუძის სიმტკიცით და არ შეუძლიათ მოხრილი ჭრილების გაკეთება ან შეზღუდული ბრუნვის რადიუსები. მათ შეუძლიათ მხოლოდ სწორი ჭრის გაკეთება, ფართო ნაპრალების წარმოქმნა, დაბალი მოსავლიანობის კოეფიციენტი აქვთ და, შესაბამისად, ჭრისთვის უვარგისია.SiC კრისტალები.

1.2 უფასო აბრაზიული მავთულის ხერხი მრავალმავთულიანი ჭრისთვის

თავისუფალი აბრაზიული მავთულის ხერხით დაჭრის ტექნიკა იყენებს მავთულის სწრაფ მოძრაობას სუსპენზიის ნაჭერში გადასატანად, რაც მასალის მოცილებას უზრუნველყოფს. ის ძირითადად იყენებს ორმხრივ სტრუქტურას და ამჟამად წარმოადგენს მოძველებულ და ფართოდ გამოყენებულ მეთოდს ერთკრისტალური სილიციუმის მრავალვაფლიანი ეფექტური ჭრისთვის. თუმცა, მისი გამოყენება SiC ჭრაში ნაკლებად არის შესწავლილი.

თავისუფალი აბრაზიული მავთულის ხერხებით შესაძლებელია 300 მკმ-ზე ნაკლები სისქის ვაფლების დამუშავება. ისინი უზრუნველყოფენ დაბალი დანაკარგის არსებობას ნაპრალების წარმოქმნისას, იშვიათად იწვევენ ნაპრალების წარმოქმნას და შედარებით კარგი ხარისხის ზედაპირს იძლევიან. თუმცა, მასალის მოცილების მექანიზმის გამო - რომელიც დაფუძნებულია აბრაზივების გლინვასა და ჩაღრმავებაზე - ვაფლის ზედაპირზე ვითარდება მნიშვნელოვანი ნარჩენი სტრესი, მიკრობზარები და უფრო ღრმა დაზიანების ფენები. ეს იწვევს ვაფლის დეფორმაციას, ართულებს ზედაპირის პროფილის სიზუსტის კონტროლს და ზრდის დატვირთვას შემდგომ დამუშავების ეტაპებზე.

ჭრის ეფექტურობაზე მნიშვნელოვნად მოქმედებს ხსნარი; აუცილებელია აბრაზივების სიმკვეთრისა და ხსნარის კონცენტრაციის შენარჩუნება. ხსნარის დამუშავება და გადამუშავება ძვირი ჯდება. დიდი ზომის ზოდების ჭრისას აბრაზივებს უჭირთ ღრმა და გრძელი ნაპრალების შეღწევა. აბრაზიული მარცვლის იგივე ზომის შემთხვევაში, ნაპრალების დანაკარგი უფრო მეტია, ვიდრე ფიქსირებული აბრაზიული მავთულის ხერხების შემთხვევაში.

1.3 ფიქსირებული აბრაზიული ალმასის მავთულის ხერხი მრავალმავთულიანი ჭრისთვის

ფიქსირებული აბრაზიული ალმასის მავთულის ხერხები, როგორც წესი, მზადდება ალმასის ნაწილაკების ფოლადის მავთულის სუბსტრატზე ელექტრომოლარიზაციის, შედუღების ან ფისოვანი შეერთების მეთოდების გამოყენებით. ელექტრომოლარიზებული ალმასის მავთულის ხერხები გთავაზობთ ისეთ უპირატესობებს, როგორიცაა უფრო ვიწრო ჭრილები, უკეთესი ჭრის ხარისხი, უფრო მაღალი ეფექტურობა, დაბალი დაბინძურება და მაღალი სიმტკიცის მასალების ჭრის შესაძლებლობა.

SiC-ის ჭრის ყველაზე ფართოდ გამოყენებადი მეთოდი ამჟამად ორმხრივი ელექტროლიზირებული ალმასის მავთულის ხერხია. სურათი 1 (აქ არ არის ნაჩვენები) ასახავს ამ ტექნიკით მოჭრილი SiC ვაფლების ზედაპირის სიბრტყეს. ჭრის პროგრესირებასთან ერთად, ვაფლის დეფორმაცია იზრდება. ეს იმიტომ ხდება, რომ მავთულსა და მასალას შორის კონტაქტის ფართობი იზრდება მავთულის ქვევით მოძრაობისას, რაც ზრდის წინააღმდეგობას და მავთულის ვიბრაციას. როდესაც მავთული ვაფლის მაქსიმალურ დიამეტრს აღწევს, ვიბრაცია პიკს აღწევს, რაც იწვევს მაქსიმალურ დეფორმაციას.

ჭრის გვიან ეტაპებზე, მავთულის აჩქარების, სტაბილური სიჩქარით მოძრაობის, შენელების, გაჩერებისა და უკუქცევის გამო, გამაგრილებელთან ნარჩენების მოცილების სირთულეებთან ერთად, ვაფლის ზედაპირის ხარისხი უარესდება. მავთულის უკუქცევა და სიჩქარის რყევები, ასევე მავთულზე ალმასის დიდი ნაწილაკები ზედაპირული ნაკაწრების ძირითადი მიზეზებია.

1.4 ცივი გამოყოფის ტექნოლოგია

SiC მონოკრისტალების ცივი გამოყოფა მესამე თაობის ნახევარგამტარული მასალების დამუშავების სფეროში ინოვაციური პროცესია. ბოლო წლებში მან მნიშვნელოვანი ყურადღება მიიპყრო მოსავლიანობის გაზრდისა და მასალის დანაკარგების შემცირების თვალსაზრისით მისი მნიშვნელოვანი უპირატესობების გამო. ტექნოლოგიის ანალიზი შესაძლებელია სამი ასპექტით: მუშაობის პრინციპი, პროცესის მიმდინარეობა და ძირითადი უპირატესობები.

კრისტალის ორიენტაციის განსაზღვრა და გარე დიამეტრის დაფქვა: დამუშავებამდე უნდა განისაზღვროს SiC ზოდის კრისტალური ორიენტაცია. შემდეგ ზოდი გარე დიამეტრის დაფქვის გზით ყალიბდება ცილინდრული სტრუქტურის სახით (რომელსაც ჩვეულებრივ SiC შაშს უწოდებენ). ეს ნაბიჯი საფუძველს უყრის შემდგომი მიმართულებით ჭრასა და დაჭრას.

მრავალმავთულიანი ჭრა: ეს მეთოდი იყენებს აბრაზიულ ნაწილაკებს საჭრელ მავთულებთან ერთად ცილინდრული ზოდის დასაჭრელად. თუმცა, მას აქვს მნიშვნელოვანი დანაკარგები ნაპრალებისა და ზედაპირის არათანაბარი ზედაპირის პრობლემები.

ლაზერული ჭრის ტექნოლოგია: ლაზერი გამოიყენება კრისტალში მოდიფიცირებული ფენის ფორმირებისთვის, საიდანაც შესაძლებელია თხელი ნაჭრების მოცილება. ეს მიდგომა ამცირებს მასალის დანაკარგს და ზრდის დამუშავების ეფექტურობას, რაც მას SiC ვაფლის ჭრის ახალ, პერსპექტიულ მიმართულებად აქცევს.

ჭრის პროცესის ოპტიმიზაცია

ფიქსირებული აბრაზიული მრავალმავთულიანი ჭრა: ეს ამჟამად ძირითადი ტექნოლოგიაა, რომელიც კარგად შეეფერება SiC-ის მაღალი სიმტკიცის მახასიათებლებს.

ელექტრული განმუხტვის დამუშავება (EDM) და ცივი გამოყოფის ტექნოლოგია: ეს მეთოდები უზრუნველყოფს დივერსიფიცირებულ გადაწყვეტილებებს, რომლებიც მორგებულია კონკრეტულ მოთხოვნებზე.

გაპრიალების პროცესი: აუცილებელია მასალის მოცილების სიჩქარისა და ზედაპირის დაზიანების დაბალანსება. ზედაპირის ერთგვაროვნების გასაუმჯობესებლად გამოიყენება ქიმიურ-მექანიკური გაპრიალება (CMP).

რეალურ დროში მონიტორინგი: დანერგილია ონლაინ შემოწმების ტექნოლოგიები ზედაპირის უხეშობის რეალურ დროში მონიტორინგისთვის.

ლაზერული დაჭრა: ეს ტექნიკა ამცირებს ნაპრალების დანაკარგს და ამცირებს დამუშავების ციკლებს, თუმცა თერმულად დაზარალებული ზონა კვლავ გამოწვევად რჩება.

ჰიბრიდული დამუშავების ტექნოლოგიები: მექანიკური და ქიმიური მეთოდების გაერთიანება ზრდის დამუშავების ეფექტურობას.

ამ ტექნოლოგიამ უკვე მიაღწია სამრეწველო გამოყენებას. მაგალითად, Infineon-მა შეიძინა SILTECTRA და ამჟამად ფლობს ძირითად პატენტებს, რომლებიც მხარს უჭერს 8 დიუმიანი ვაფლების მასობრივ წარმოებას. ჩინეთში, ისეთმა კომპანიებმა, როგორიცაა Delong Laser, მიაღწიეს 30 ვაფლის გამომუშავების ეფექტურობას ზოდზე 6 დიუმიანი ვაფლის დამუშავებისას, რაც ტრადიციულ მეთოდებთან შედარებით 40%-იან გაუმჯობესებას წარმოადგენს.

რადგან შიდა აღჭურვილობის წარმოება აჩქარებს, მოსალოდნელია, რომ ეს ტექნოლოგია SiC სუბსტრატის დამუშავების მთავარ გადაწყვეტად იქცევა. ნახევარგამტარული მასალების დიამეტრის ზრდასთან ერთად, ტრადიციული ჭრის მეთოდები მოძველებულია. ამჟამინდელ ვარიანტებს შორის, ალმასის მავთულის ხერხის ტექნოლოგია ყველაზე პერსპექტიულ გამოყენების პერსპექტივებს აჩვენებს. ლაზერული ჭრა, როგორც ახალი ტექნიკა, მნიშვნელოვან უპირატესობებს გვთავაზობს და მოსალოდნელია, რომ მომავალში ის ჭრის ძირითად მეთოდად იქცევა.

2,SiC მონოკრისტალის დაფქვა

მესამე თაობის ნახევარგამტარების წარმომადგენლის სახით, სილიციუმის კარბიდი (SiC) მნიშვნელოვან უპირატესობებს გვთავაზობს ფართო ზოლის, მაღალი დაშლის ელექტრული ველის, მაღალი გაჯერების ელექტრონების დრიფტის სიჩქარისა და შესანიშნავი თბოგამტარობის გამო. ეს თვისებები SiC-ს განსაკუთრებით უპირატესობას ანიჭებს მაღალი ძაბვის აპლიკაციებში (მაგ., 1200 ვოლტიან გარემოში). SiC სუბსტრატების დამუშავების ტექნოლოგია მოწყობილობის დამზადების ფუნდამენტური ნაწილია. ზედაპირის ხარისხი და სუბსტრატის სიზუსტე პირდაპირ გავლენას ახდენს ეპიტაქსიური ფენის ხარისხზე და საბოლოო მოწყობილობის მუშაობაზე.

დაფქვის პროცესის ძირითადი მიზანია ზედაპირული ხერხის კვალისა და დაჭრის დროს გამოწვეული დაზიანების ფენების მოცილება და ჭრის პროცესით გამოწვეული დეფორმაციის გამოსწორება. SiC-ის უკიდურესად მაღალი სიმტკიცის გათვალისწინებით, დაფქვისთვის საჭიროა მყარი აბრაზივების, როგორიცაა ბორის კარბიდი ან ბრილიანტი, გამოყენება. ჩვეულებრივი დაფქვა, როგორც წესი, იყოფა უხეშ და წვრილ დაფქვად.

2.1 უხეში და წვრილი დაფქვა

დაფქვა შეიძლება დაიყოს კატეგორიებად აბრაზიული ნაწილაკების ზომის მიხედვით:

უხეში დაფქვა: უფრო დიდი ზომის აბრაზივები ძირითადად გამოიყენება ხერხის კვალისა და დაჭრის დროს გამოწვეული დაზიანების ფენების მოსაშორებლად, რაც აუმჯობესებს დამუშავების ეფექტურობას.

წვრილი დაფქვა: იყენებს უფრო წვრილ აბრაზივებს უხეში დაფქვის შედეგად დარჩენილი დაზიანებული ფენის მოსაშორებლად, ზედაპირის უხეშობის შესამცირებლად და ზედაპირის ხარისხის გასაუმჯობესებლად.

SiC სუბსტრატის მრავალი ადგილობრივი მწარმოებელი ფართომასშტაბიანი წარმოების პროცესებს იყენებს. გავრცელებული მეთოდი გულისხმობს ორმხრივ დაფქვას თუჯის ფირფიტისა და მონოკრისტალური ალმასის სუსპენზიის გამოყენებით. ეს პროცესი ეფექტურად აშორებს მავთულის ხერხით დარჩენილ დაზიანებულ ფენას, ასწორებს ვაფლის ფორმას და ამცირებს TTV-ს (სრული სისქის ვარიაციას), დახრას და დეფორმაციას. მასალის მოცილების სიჩქარე სტაბილურია, როგორც წესი, აღწევს 0.8–1.2 μm/წთ. თუმცა, შედეგად მიღებული ვაფლის ზედაპირი მქრქალია შედარებით მაღალი უხეშობით - როგორც წესი, დაახლოებით 50 ნმ - რაც შემდგომ გაპრიალების ეტაპებზე უფრო მაღალ მოთხოვნებს აწესებს.

2.2 ცალმხრივი დაფქვა

ცალმხრივი დაფქვის მეთოდით ვაფლის მხოლოდ ერთი მხარე მუშავდება ერთდროულად. ამ პროცესის დროს ვაფლი ცვილით მაგრდება ფოლადის ფირფიტაზე. წნევის ქვეშ, სუბსტრატი განიცდის მცირე დეფორმაციას და ზედა ზედაპირი ბრტყელდება. დაფქვის შემდეგ, ქვედა ზედაპირი გასწორდება. წნევის მოხსნის შემდეგ, ზედა ზედაპირი, როგორც წესი, უბრუნდება თავდაპირველ ფორმას, რაც ასევე მოქმედებს უკვე დაფქულ ქვედა ზედაპირზე - იწვევს ორივე მხარის დეფორმაციას და სიბრტყის დაქვეითებას.

გარდა ამისა, სახეხი ფირფიტა შეიძლება მოკლე დროში ჩაზნექილი გახდეს, რაც ვაფლის ამოზნექილ ფორმას გამოიწვევს. ფირფიტის სიბრტყის შესანარჩუნებლად საჭიროა ხშირი დამუშავება. დაბალი ეფექტურობისა და ვაფლის ცუდი სიბრტყის გამო, ცალმხრივი დაფქვა მასობრივი წარმოებისთვის შესაფერისი არ არის.

როგორც წესი, წვრილი დაფქვისთვის გამოიყენება #8000 სახეხი დისკები. იაპონიაში ეს პროცესი შედარებით განვითარებულია და #30000 გასაპრიალებელი დისკებიც კი გამოიყენება. ეს საშუალებას იძლევა, დამუშავებული ვაფლების ზედაპირის უხეშობა 2 ნმ-ზე ქვემოთ იყოს, რაც ვაფლებს დამატებითი დამუშავების გარეშე საბოლოო CMP-ისთვის (ქიმიური მექანიკური გაპრიალება) მზად ხდის.

2.3 ცალმხრივი გათხელების ტექნოლოგია

ბრილიანტის ცალმხრივი გათხელების ტექნოლოგია ცალმხრივი დაფქვის ახალი მეთოდია. როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 5-ში (აქ არ არის ნაჩვენები), პროცესი იყენებს ბრილიანტის შეერთებით დაფქვილ ფირფიტას. ვაფლი ფიქსირდება ვაკუუმური ადსორბციის გზით, ხოლო როგორც ვაფლი, ასევე ბრილიანტის სახეხი ბორბალი ერთდროულად ბრუნავს. სახეხი ბორბალი თანდათან ქვევით მოძრაობს, რათა ვაფლი სამიზნე სისქემდე გაათხელოს. ერთი მხარის დასრულების შემდეგ, ვაფლი გადაბრუნდება მეორე მხარის დასამუშავებლად.

გათხელების შემდეგ, 100 მმ-იანი ვაფლით შესაძლებელია შემდეგი შედეგების მიღწევა:

თაღი < 5 მკმ

TTV < 2 მკმ

ზედაპირის უხეშობა < 1 ნმ

ერთფაბრიკა დამუშავების ეს მეთოდი უზრუნველყოფს მაღალ სტაბილურობას, შესანიშნავ კონსისტენციას და მასალის მოცილების მაღალ მაჩვენებელს. ჩვეულებრივ ორმხრივ დაფქვასთან შედარებით, ეს ტექნიკა დაფქვის ეფექტურობას 50%-ზე მეტით აუმჯობესებს.

2.4 ორმხრივი დაფქვა

ორმხრივი დაფქვის დროს გამოიყენება როგორც ზედა, ასევე ქვედა სახეხი ფირფიტა სუბსტრატის ორივე მხარის ერთდროულად დასაფქვავად, რაც უზრუნველყოფს ზედაპირის შესანიშნავ ხარისხს ორივე მხრიდან.

პროცესის დროს, სახეხი ფირფიტები თავდაპირველად ზეწოლას ახდენს სამუშაო ნაწილის უმაღლეს წერტილებზე, რაც იწვევს დეფორმაციას და მასალის თანდათანობით მოცილებას ამ წერტილებში. როდესაც უმაღლეს წერტილებს ასწორებენ, სუბსტრატზე წნევა თანდათან უფრო ერთგვაროვანი ხდება, რაც იწვევს მთელ ზედაპირზე თანაბარ დეფორმაციას. ეს საშუალებას იძლევა ზედა და ქვედა ზედაპირები თანაბრად დაიფქვას. დაფქვის დასრულებისა და წნევის მოხსნის შემდეგ, სუბსტრატის თითოეული ნაწილი თანაბრად აღდგება მასზე განცდილი თანაბარი წნევის გამო. ეს იწვევს მინიმალურ დეფორმაციას და კარგ სიბრტყეს.

დაფქვის შემდეგ ვაფლის ზედაპირის უხეშობა დამოკიდებულია აბრაზიული ნაწილაკების ზომაზე - უფრო პატარა ნაწილაკები უფრო გლუვ ზედაპირებს იძლევა. ორმხრივი დაფქვისთვის 5 μm აბრაზივების გამოყენებისას, ვაფლის სიბრტყისა და სისქის ცვალებადობის კონტროლი 5 μm-ის ფარგლებშია შესაძლებელი. ატომური ძალის მიკროსკოპიის (AFM) გაზომვები აჩვენებს დაახლოებით 100 ნმ ზედაპირის უხეშობას (Rq), დაფქვის ორმოების სიღრმით 380 ნმ-მდე და აბრაზიული მოქმედებით გამოწვეული ხილული ხაზოვანი ნიშნებით.

უფრო მოწინავე მეთოდი გულისხმობს ორმხრივ დაფქვას პოლიურეთანის ქაფის ბალიშების გამოყენებით, რომლებიც შერწყმულია პოლიკრისტალურ ალმასის ნალექთან. ეს პროცესი წარმოქმნის ვაფლებს ძალიან დაბალი ზედაპირის უხეშობით, მიიღწევა Ra < 3 ნმ, რაც ძალიან სასარგებლოა SiC სუბსტრატების შემდგომი გაპრიალებისთვის.

თუმცა, ზედაპირული ნაკაწრები კვლავ გადაუჭრელ პრობლემად რჩება. გარდა ამისა, ამ პროცესში გამოყენებული პოლიკრისტალური ბრილიანტი ასაფეთქებელი სინთეზის გზით მიიღება, რაც ტექნიკურად რთულია, მცირე რაოდენობით მიიღება და ძალიან ძვირია.

SiC მონოკრისტალების გაპრიალება

სილიციუმის კარბიდის (SiC) ვაფლებზე მაღალი ხარისხის გაპრიალებული ზედაპირის მისაღწევად, გაპრიალებისას მთლიანად უნდა მოიხსნას დაფქვის ორმოები და ნანომეტრის მასშტაბის ზედაპირული ტალღები. მიზანია გლუვი, დეფექტების გარეშე ზედაპირის მიღება დაბინძურების ან დეგრადაციის, მიწისქვეშა დაზიანების და ნარჩენი ზედაპირული დაძაბულობის გარეშე.

3.1 SiC ვაფლების მექანიკური გაპრიალება და CMP

SiC მონოკრისტალური ზოდის ზრდის შემდეგ, ზედაპირული დეფექტები ხელს უშლის მის პირდაპირ გამოყენებას ეპიტაქსიალური ზრდისთვის. ამიტომ, საჭიროა შემდგომი დამუშავება. ზოდი თავდაპირველად ფორმირდება სტანდარტული ცილინდრული ფორმით მომრგვალების გზით, შემდეგ იჭრება ვაფლებად მავთულის ჭრის გამოყენებით, რასაც მოჰყვება კრისტალოგრაფიული ორიენტაციის შემოწმება. გაპრიალება ვაფლის ხარისხის გაუმჯობესების კრიტიკული ნაბიჯია, რომელიც აღმოფხვრის კრისტალის ზრდის დეფექტებით და წინა დამუშავების ეტაპებით გამოწვეულ პოტენციურ ზედაპირულ დაზიანებას.

SiC-ზე ზედაპირული დაზიანების ფენების მოსაშორებლად ოთხი ძირითადი მეთოდი არსებობს:

მექანიკური გაპრიალება: მარტივია, მაგრამ ნაკაწრებს ტოვებს; შესაფერისია საწყისი გაპრიალებისთვის.

ქიმიურ-მექანიკური გაპრიალება (CMP): აშორებს ნაკაწრებს ქიმიური გრავირების გზით; შესაფერისია ზუსტი გაპრიალებისთვის.

წყალბადის გრავირება: საჭიროებს რთულ აღჭურვილობას, რომელიც ხშირად გამოიყენება HTCVD პროცესებში.

პლაზმური დახმარებით გაპრიალება: რთული და იშვიათად გამოიყენება.

მხოლოდ მექანიკური გაპრიალება, როგორც წესი, ნაკაწრებს იწვევს, ხოლო მხოლოდ ქიმიური გაპრიალება შეიძლება არათანაბარი გრავირების მიზეზი გახდეს. CMP აერთიანებს ორივე უპირატესობას და გვთავაზობს ეფექტურ, ეკონომიურ გადაწყვეტას.

CMP-ის მუშაობის პრინციპი

CMP მუშაობს ვაფლის ბრუნვით მბრუნავი გასაპრიალებელი ბალიშის მიმართ დადგენილი წნევის ქვეშ. ეს ფარდობითი მოძრაობა, ნალექში არსებული ნანოზომის აბრაზივების მექანიკურ ცვეთასთან და რეაქტიული აგენტების ქიმიურ მოქმედებასთან ერთად, აღწევს ზედაპირის პლანარიზაციას.

გამოყენებული ძირითადი მასალები:

გასაპრიალებელი ხსნარი: შეიცავს აბრაზივებს და ქიმიურ რეაგენტებს.

გასაპრიალებელი დისკი: გამოყენებისას ცვდება, რაც ამცირებს ფორების ზომას და ხსნარის მიწოდების ეფექტურობას. უხეშობის აღსადგენად საჭიროა რეგულარული დამუშავება, როგორც წესი, ალმასის საწმენდი საშუალების გამოყენებით.

ტიპიური CMP პროცესი

აბრაზიული: 0.5 μm ალმასის ნალექი

სამიზნე ზედაპირის უხეშობა: ~0.7 ნმ

ქიმიური მექანიკური გაპრიალება:

გასაპრიალებელი მოწყობილობა: AP-810 ცალმხრივი გასაპრიალებელი

წნევა: 200 გ/სმ²

ფირფიტის ბრუნვის სიჩქარე: 50 ბრ/წთ

კერამიკული დამჭერის სიჩქარე: 38 ბრ/წთ

სუსპენზიის შემადგენლობა:

SiO₂ (30 წონითი%, pH = 10.15)

0–70 წონითი% H₂O₂ (30 წონითი%, რეაგენტის კლასი)

pH-ის 8.5-მდე დარეგულირება 5 წონ.% KOH-ის და 1 წონ.% HNO₃-ის გამოყენებით

სუსპენზიის ნაკადის სიჩქარე: 3 ლ/წთ, რეცირკულაციით

ეს პროცესი ეფექტურად აუმჯობესებს SiC ვაფლის ხარისხს და აკმაყოფილებს შემდგომი პროცესების მოთხოვნებს.

მექანიკური გაპრიალების ტექნიკური გამოწვევები

SiC, როგორც ფართო ზოლური უფსკრულის მქონე ნახევარგამტარი, სასიცოცხლო როლს ასრულებს ელექტრონიკის ინდუსტრიაში. შესანიშნავი ფიზიკური და ქიმიური თვისებებით, SiC მონოკრისტალები შესაფერისია ექსტრემალური გარემოსთვის, როგორიცაა მაღალი ტემპერატურა, მაღალი სიხშირე, მაღალი სიმძლავრე და რადიაციული წინააღმდეგობა. თუმცა, მისი მყარი და მყიფე ბუნება სერიოზულ სირთულეებს ქმნის დაფქვისა და გაპრიალებისთვის.

რადგან წამყვანი გლობალური მწარმოებლები 6 დიუმიანი ვაფლებიდან 8 დიუმიანზე გადადიან, დამუშავების დროს ისეთი პრობლემები, როგორიცაა ბზარები და ვაფლების დაზიანება, უფრო თვალსაჩინო გახდა, რაც მნიშვნელოვნად აისახება მოსავლიანობაზე. 8 დიუმიანი SiC სუბსტრატების ტექნიკური გამოწვევების მოგვარება ამჟამად ინდუსტრიის წინსვლის მთავარი საორიენტაციო ნიშანია.

8 დიუმიან ეპოქაში SiC ვაფლის დამუშავება მრავალი გამოწვევის წინაშე დგას:

ვაფლის მასშტაბირება აუცილებელია პარტიაზე ჩიპების წარმოების გაზრდის, კიდეების დანაკარგის შემცირებისა და წარმოების ხარჯების შესამცირებლად, განსაკუთრებით ელექტრომობილების გამოყენებაზე მზარდი მოთხოვნის გათვალისწინებით.

მიუხედავად იმისა, რომ 8 დიუმიანი SiC მონოკრისტალების ზრდა დამწიფდა, ისეთი დამატებითი პროცესები, როგორიცაა დაფქვა და გაპრიალება, კვლავ აწყდება შეფერხებებს, რაც იწვევს დაბალ მოსავლიანობას (მხოლოდ 40–50%).

უფრო დიდი ვაფლები განიცდიან უფრო რთულ წნევის განაწილებას, რაც ზრდის გაპრიალების სტრესის და მოსავლიანობის თანმიმდევრულობის მართვის სირთულეს.

მიუხედავად იმისა, რომ 8 დიუმიანი ვაფლის სისქე 6 დიუმიანის სისქეს უახლოვდება, ისინი უფრო მიდრეკილნი არიან დაზიანებისკენ დამუშავების დროს დაძაბულობისა და დეფორმაციის გამო.

ჭრასთან დაკავშირებული დატვირთვის, დეფორმაციისა და ბზარების შესამცირებლად, ლაზერული ჭრა სულ უფრო ხშირად გამოიყენება. თუმცა:

გრძელი ტალღის სიგრძის ლაზერები თერმულ დაზიანებას იწვევს.

მოკლეტალღოვანი ლაზერები წარმოქმნიან ძლიერ ნარჩენებს და აღრმავებენ დაზიანებულ ფენას, რაც ზრდის გაპრიალების სირთულეს.

SiC-ის მექანიკური გაპრიალების სამუშაო პროცესი

ზოგადი პროცესის მიმდინარეობა მოიცავს:

ორიენტაციული ჭრა

უხეში დაფქვა

წვრილი დაფქვა

მექანიკური გაპრიალება

ქიმიური მექანიკური გაპრიალება (CMP), როგორც საბოლოო ნაბიჯი

CMP მეთოდის არჩევა, პროცესის მარშრუტის დიზაინი და პარამეტრების ოპტიმიზაცია გადამწყვეტი მნიშვნელობისაა. ნახევარგამტარული წარმოებისას, CMP გადამწყვეტი ეტაპია ულტრაგლუვი, დეფექტებისა და დაზიანებისგან თავისუფალი ზედაპირის მქონე SiC ვაფლების წარმოებისთვის, რაც აუცილებელია მაღალი ხარისხის ეპიტაქსიური ზრდისთვის.

(ა) ამოიღეთ SiC ზოდი ტიგანიდან;

(ბ) გარე დიამეტრის დაფქვის გამოყენებით საწყისი ფორმირების შესრულება;

(გ) განსაზღვრეთ კრისტალის ორიენტაცია გასწორების სიბრტყეების ან ჭრილების გამოყენებით;

(დ) მრავალმავთულიანი ხერხის გამოყენებით, ზოდი თხელ ვაფლებად დაჭერით;

(ე) სარკისებრი ზედაპირის სიგლუვის მიღწევა დაფქვისა და გაპრიალების ეტაპების მეშვეობით.

დამუშავების ეტაპების სერიის დასრულების შემდეგ, SiC ვაფლის გარეთა კიდე ხშირად ბასრი ხდება, რაც ზრდის დამუშავების ან გამოყენების დროს დაბზარვის რისკს. ასეთი მყიფეობის თავიდან ასაცილებლად საჭიროა კიდეების დაფქვა.

ტრადიციული დაჭრის პროცესების გარდა, SiC ვაფლების მომზადების ინოვაციური მეთოდი მოიცავს შეერთების ტექნოლოგიას. ეს მიდგომა საშუალებას იძლევა ვაფლების დამზადების თხელი SiC მონოკრისტალური ფენის ჰეტეროგენულ სუბსტრატზე (საყრდენ სუბსტრატზე) შეერთებით.

სურათი 3 ასახავს პროცესის მიმდინარეობას:

პირველ რიგში, SiC მონოკრისტალის ზედაპირზე განსაზღვრულ სიღრმეზე წყალბადის იონების იმპლანტაციის ან მსგავსი ტექნიკის მეშვეობით წარმოიქმნება დელამინაციის ფენა. შემდეგ დამუშავებული SiC მონოკრისტალი მაგრდება ბრტყელ საყრდენ სუბსტრატზე და ექვემდებარება წნევასა და სითბოს. ეს საშუალებას იძლევა SiC მონოკრისტალური ფენის წარმატებით გადატანისა და გამოყოფის საყრდენ სუბსტრატზე.

გამოყოფილი SiC ფენა გადის ზედაპირულ დამუშავებას საჭირო სიბრტყის მისაღწევად და მისი ხელახლა გამოყენება შესაძლებელია შემდგომ შეერთების პროცესებში. SiC კრისტალების ტრადიციულ დაჭრასთან შედარებით, ეს ტექნიკა ამცირებს ძვირადღირებული მასალების მოთხოვნას. მიუხედავად იმისა, რომ ტექნიკური გამოწვევები კვლავ არსებობს, კვლევა და განვითარება აქტიურად მიიწევს წინ, რათა უზრუნველყოფილი იყოს უფრო დაბალი ღირებულების ვაფლის წარმოება.

SiC-ის მაღალი სიმტკიცისა და ქიმიური სტაბილურობის გათვალისწინებით, რაც მას ოთახის ტემპერატურაზე რეაქციების მიმართ მდგრადს ხდის, საჭიროა მექანიკური გაპრიალება წვრილი დაფქვის ორმოების მოსაშორებლად, ზედაპირის დაზიანების შესამცირებლად, ნაკაწრების, ორმოების და ფორთოხლის ქერქის დეფექტების აღმოსაფხვრელად, ზედაპირის უხეშობის შესამცირებლად, სიბრტყის გასაუმჯობესებლად და ზედაპირის ხარისხის გასაუმჯობესებლად.

მაღალი ხარისხის გაპრიალებული ზედაპირის მისაღებად, აუცილებელია:

აბრაზიული ტიპების კორექტირება,

ნაწილაკების ზომის შემცირება,

პროცესის პარამეტრების ოპტიმიზაცია,

შეარჩიეთ საკმარისი სიმტკიცის გასაპრიალებელი მასალები და საფენები.

სურათი 7 გვიჩვენებს, რომ 1 μm აბრაზივით ორმხრივი გაპრიალების შედეგად შესაძლებელია სიბრტყისა და სისქის ცვალებადობის კონტროლი 10 μm-ის ფარგლებში და ზედაპირის უხეშობის შემცირება დაახლოებით 0.25 ნმ-მდე.

3.2 ქიმიური მექანიკური გაპრიალება (CMP)

ქიმიურ-მექანიკური გაპრიალება (CMP) აერთიანებს ულტრაწვრილი ნაწილაკების აბრაზიას ქიმიურ გრავირებასთან, რათა დამუშავებულ მასალაზე გლუვი, ბრტყელი ზედაპირი შეიქმნას. ძირითადი პრინციპია:

გასაპრიალებელ ნალექსა და ვაფლის ზედაპირს შორის ქიმიური რეაქცია ხდება, რაც რბილ ფენას წარმოქმნის.

აბრაზიულ ნაწილაკებსა და რბილ ფენას შორის ხახუნი აშორებს მასალას.

CMP-ის უპირატესობები:

გადალახავს წმინდა მექანიკური ან ქიმიური გაპრიალების ნაკლოვანებებს,

აღწევს როგორც გლობალურ, ასევე ლოკალურ პლანარიზაციას,

ქმნის ზედაპირებს მაღალი სიბრტყით და დაბალი უხეშობით,

არ ტოვებს ზედაპირულ ან ქვედა ზედაპირის დაზიანებას.

დეტალურად:

წნევის ქვეშ ვაფლი მოძრაობს გასაპრიალებელ ბალიშთან შედარებით.

ნალექში შემავალი ნანომეტრიული მასშტაბის აბრაზივები (მაგ., SiO₂) მონაწილეობენ გახლეჩვაში, Si-C კოვალენტური ბმების შესუსტებაში და მასალის მოცილების გაძლიერებაში.

CMP ტექნიკის ტიპები:

თავისუფალი აბრაზიული გაპრიალება: აბრაზივები (მაგ., SiO₂) სუსპენზიის სახითაა. მასალის მოცილება ხდება სამნაწილიანი აბრაზიით (ვაფლი-პლიშები-აბრაზიული). ერთგვაროვნების გასაუმჯობესებლად ზუსტად უნდა კონტროლდებოდეს აბრაზივის ზომა (როგორც წესი, 60–200 ნმ), pH და ტემპერატურა.

ფიქსირებული აბრაზიული გაპრიალება: აბრაზივები ჩაშენებულია გასაპრიალებელ ბალიშში აგლომერაციის თავიდან ასაცილებლად - იდეალურია მაღალი სიზუსტის დამუშავებისთვის.

გაპრიალების შემდგომი გაწმენდა:

გაპრიალებული ვაფლები გადის:

ქიმიური გაწმენდა (მათ შორის, დიოქსიდანტური წყლისა და ნალექის ნარჩენების მოცილება),

DI წყლით გამორეცხვა და

ცხელი აზოტის გაშრობა

ზედაპირული დამაბინძურებლების მინიმუმამდე დასაყვანად.

ზედაპირის ხარისხი და შესრულება

ზედაპირის უხეშობა შეიძლება შემცირდეს Ra < 0.3 ნმ-მდე, რაც აკმაყოფილებს ნახევარგამტარული ეპიტაქსიის მოთხოვნებს.

გლობალური პლანარიზაცია: ქიმიური დარბილებისა და მექანიკური მოცილების კომბინაცია ამცირებს ნაკაწრებს და არათანაბარ გრავირებას, რითაც აღემატება წმინდა მექანიკურ ან ქიმიურ მეთოდებს.

მაღალი ეფექტურობა: შესაფერისია მყარი და მყიფე მასალებისთვის, როგორიცაა SiC, 200 ნმ/სთ-ზე მეტი მასალის მოცილების სიჩქარით.

სხვა ახალი გაპრიალების ტექნიკა

CMP-ის გარდა, შემოთავაზებულია ალტერნატიული მეთოდები, მათ შორის:

ელექტროქიმიური გაპრიალება, კატალიზატორის დახმარებით გაპრიალება ან გრავირება და

ტრიბოქიმიური გაპრიალება.

თუმცა, ეს მეთოდები ჯერ კიდევ კვლევის ეტაპზეა და ნელა ვითარდება SiC-ის მასალის რთული თვისებების გამო.

საბოლოო ჯამში, SiC დამუშავება ზედაპირის ხარისხის გასაუმჯობესებლად დეფორმაციისა და უხეშობის შემცირების თანდათანობითი პროცესია, სადაც სიბრტყე და უხეშობის კონტროლი კრიტიკულად მნიშვნელოვანია თითოეულ ეტაპზე.

დამუშავების ტექნოლოგია

ვაფლის დაფქვის ეტაპზე, სხვადასხვა ზომის ნაწილაკებიანი ბრილიანტის სუსპენზია გამოიყენება ვაფლის სასურველ სიბრტყემდე და ზედაპირის უხეშობამდე დასაფქვად. ამას მოჰყვება გაპრიალება, დაზიანების გარეშე გაპრიალებული სილიციუმის კარბიდის (SiC) ვაფლების მისაღებად, როგორც მექანიკური, ასევე ქიმიური მექანიკური გაპრიალების (CMP) ტექნიკის გამოყენებით.

გაპრიალების შემდეგ, SiC ვაფლები გადის მკაცრ ხარისხის შემოწმებას ისეთი ინსტრუმენტების გამოყენებით, როგორიცაა ოპტიკური მიკროსკოპები და რენტგენის დიფრაქტომეტრები, რათა უზრუნველყოფილი იყოს ყველა ტექნიკური პარამეტრის შესაბამისობა საჭირო სტანდარტებთან. და ბოლოს, გაპრიალებული ვაფლები იწმინდება სპეციალიზებული საწმენდი საშუალებებით და ულტრასუფთა წყლით ზედაპირის დამაბინძურებლების მოსაშორებლად. შემდეგ ისინი შრება ულტრამაღალი სისუფთავის აზოტის აირით და ბრუნვის საშრობებით, რითაც სრულდება მთელი წარმოების პროცესი.

მრავალწლიანი ძალისხმევის შემდეგ, ჩინეთში SiC მონოკრისტალების დამუშავებაში მნიშვნელოვანი პროგრესი იქნა მიღწეული. ქვეყნის შიგნით წარმატებით შემუშავდა 100 მმ დოპირებული ნახევრად იზოლირებული 4H-SiC მონოკრისტალები და ამჟამად შესაძლებელია n-ტიპის 4H-SiC და 6H-SiC მონოკრისტალების პარტიებად წარმოება. ისეთმა კომპანიებმა, როგორიცაა TankeBlue და TYST, უკვე შეიმუშავეს 150 მმ SiC მონოკრისტალები.

SiC ვაფლის დამუშავების ტექნოლოგიის თვალსაზრისით, ადგილობრივმა ინსტიტუტებმა წინასწარ შეისწავლეს კრისტალების დაჭრის, დაფქვისა და გაპრიალების პროცესის პირობები და გზები. მათ შეუძლიათ ისეთი ნიმუშების წარმოება, რომლებიც ძირითადად აკმაყოფილებენ მოწყობილობის დამზადების მოთხოვნებს. თუმცა, საერთაშორისო სტანდარტებთან შედარებით, ადგილობრივი ვაფლის ზედაპირის დამუშავების ხარისხი კვლავ მნიშვნელოვნად ჩამორჩება. არსებობს რამდენიმე საკითხი:

საერთაშორისო SiC თეორიები და დამუშავების ტექნოლოგიები მკაცრად არის დაცული და მათზე წვდომა ადვილი არ არის.

პროცესების გაუმჯობესებისა და ოპტიმიზაციის თეორიული კვლევისა და მხარდაჭერის ნაკლებობაა.

უცხოური აღჭურვილობისა და კომპონენტების იმპორტის ღირებულება მაღალია.

აღჭურვილობის დიზაინის, დამუშავების სიზუსტისა და მასალების ადგილობრივი კვლევა კვლავ აჩვენებს მნიშვნელოვან ხარვეზებს საერთაშორისო დონესთან შედარებით.

ამჟამად, ჩინეთში გამოყენებული მაღალი სიზუსტის ინსტრუმენტების უმეტესობა იმპორტირებულია. ტესტირების აღჭურვილობა და მეთოდოლოგიები ასევე საჭიროებს შემდგომ გაუმჯობესებას.

მესამე თაობის ნახევარგამტარების უწყვეტ განვითარებასთან ერთად, SiC მონოკრისტალური სუბსტრატების დიამეტრი სტაბილურად იზრდება, ზედაპირის დამუშავების ხარისხისადმი მოთხოვნები კი უფრო მაღალ დონეზეა. ვაფლის დამუშავების ტექნოლოგია SiC მონოკრისტალის ზრდის შემდეგ ერთ-ერთ ტექნიკურად ყველაზე რთულ ეტაპად იქცა.

დამუშავების სფეროში არსებული გამოწვევების გადასაჭრელად აუცილებელია ჭრის, დაფქვისა და გაპრიალების მექანიზმების შემდგომი შესწავლა და SiC ვაფლის წარმოების შესაბამისი პროცესის მეთოდებისა და მარშრუტების შესწავლა. ამავდროულად, აუცილებელია მოწინავე საერთაშორისო დამუშავების ტექნოლოგიების შესწავლა და მაღალი ხარისხის სუბსტრატების წარმოებისთვის უახლესი ულტრაზუსტი დამუშავების ტექნიკისა და აღჭურვილობის დანერგვა.

ვაფლის ზომის ზრდასთან ერთად, იზრდება კრისტალების ზრდისა და დამუშავების სირთულეც. თუმცა, ქვედა დინების მოწყობილობების წარმოების ეფექტურობა მნიშვნელოვნად უმჯობესდება და ერთეულის ღირებულება მცირდება. ამჟამად, SiC ვაფლის მთავარი მომწოდებლები გლობალურად გვთავაზობენ 4 ინჩიდან 6 ინჩამდე დიამეტრის პროდუქტებს. ისეთმა წამყვანმა კომპანიებმა, როგორიცაა Cree და II-VI, უკვე დაიწყეს 8 ინჩიანი SiC ვაფლის წარმოების ხაზების განვითარების დაგეგმვა.