Carbura de siliciu are o duritate Mohs de 9,2–9,5, a doua numai după diamant. Este foarte fragil și are o rezistență scăzută la rupere, oferind în același timp o rezistență excelentă la temperaturi înalte, rezistență la coroziune și rezistență la radiații. Cu toate acestea, este dificil și costisitor de prelucrat, necesitând mai mulți pași, cum ar fi tăierea, ridicarea, gravarea și lustruirea. Calitatea procesării afectează în mod direct pierderea conducției, nivelul tensiunii de rezistență și durata de viață a dispozitivelor de alimentare. În prezent, tăierea cu sârmă este utilizată pe scară largă din cauza costului redus, a structurii simple a echipamentelor și a adecvării pentru producția de masă, iar instrumentele de tăiere cu diamante sunt, de asemenea, relativ ușor de obținut. Cu toate acestea, tăierea sârmei cauzează pierderi substanțiale de material și are o eficiență de prelucrare extrem de scăzută.
Pierderea de material cauzată de tăierea sârmei
În timpul tăierii sârmei, mișcarea de mare viteză a sârmei de tăiere nu numai că produce pierderi de tăiere cu o lățime a tăieturii egală cu diametrul sârmei; deoarece suprafața plachetei pregătită prin tăierea sârmei este foarte aspră, sunt necesare, de asemenea, șlefuirea și lustruirea ulterioară și alte procese de finisare. În cele din urmă, pierderea cumulată de material poate ajunge la 30%-50% din totalul materiei prime. Procesul de tăiere cu mai multe fire necesită, de asemenea, soluții pentru a răci tăietura și a curăța resturile, generând cantități mari de lichid rezidual care conține siliciu. Particulele la scară micro/nano din el sunt greu de floculat și greu de reciclat, cauzând un impact semnificativ asupra mediului.
Ridicare cu laser: Efectuarea unei „operații invizibile” în interiorul cristalului
Ridicarea laserului este un proces important pentru felierea SiC și aparține tehnologiei de prelucrare a modificării interne și a straturilor de separare. Principiul său de bază este modificarea focalizării interne cu laser plus separarea divizării forței externe.
Schema schematică a tehnologiei de ridicare a laserului cu cristal SiC
Prima etapă este modificarea internă. Folosind caracteristicile ultra-înalte de penetrare și focalizare ale laserelor cu impuls ultrascurt, focalizarea laserului este controlată cu precizie de o cale optică și focalizată la o adâncime prestabilită în interiorul plachetei cu carbură de siliciu. După focalizarea laser de înaltă energie în interiorul plachetei, materialul local de carbură de siliciu suferă o distorsiune a rețelei, transformare de fază și propagare a microfisurilor, formând un strat modificat continuu, uniform. Rezistența mecanică a stratului modificat este mult mai mică decât cea a materialului substratului și nu există semne de prelucrare pe suprafață, realizând modificări invizibile. A doua etapă este separarea divizării. Prin micro-tensiune mecanică, suflare de gaz sau forță externă de tracțiune, napolitana este separată cu precizie de-a lungul stratului modificat intern, completând tăierea fără pierderi și separarea întregii plăci.
Spre deosebire de tăierea tradițională a sârmei, tehnologia de ridicare cu laser fără contact poate evita în mod eficient probleme precum uzura sculelor de tăiere și defectarea plachetei SiC cauzate de stres mecanic, obținând astfel o ridicare de înaltă calitate și de înaltă precizie. Tehnologia de ridicare cu laser îmbunătățește semnificativ eficiența și calitatea prelucrării plachetelor cu carbură de siliciu și reduce costul de producție al substraturilor cu carbură de siliciu. Are avantaje proeminente de eficiență ridicată a producției și pierderi reduse de material. Ridicarea cu laser are o grosime foarte mică a stratului modificată, ceea ce poate îmbunătăți semnificativ utilizarea materialului în timpul preparării plachetelor cu carbură de siliciu. Se așteaptă ca realizarea unei ridicări de înaltă calitate și de înaltă eficiență a plachetelor cu carbură de siliciu să depășească blocajele tehnice și constrângerile de costuri ridicate și să promoveze aplicații de piață în care dispozitivele cu carbură de siliciu înlocuiesc substraturile de siliciu. Efectele asupra mediului ale tehnologiei laser lift-off sunt, de asemenea, semnificative. În procesele tradiționale de tăiere, problemele poluării fluidului de tăiere și a prafului sunt relativ grave, în timp ce ridicarea laserului, ca proces fără contact, poate reduce emisiile de deșeuri industriale. Combinată cu performanța eficientă a dispozitivelor cu carbură de siliciu în conversia energiei, această tehnologie ajută la atingerea obiectivelor globale de neutralitate a emisiilor de carbon atât din punct de vedere al producției, cât și al aplicației.
Cursa globală: Starea actuală a dezvoltării tehnologiei de ridicare cu laser
Vaferele cu carbură de siliciu se dezvoltă spre dimensiuni mai mari, iar tehnologia de tăiere cu ridicare cu laser a fost promovată pe scară largă. Lungimea de undă laser, energia impulsului, adâncimea de focalizare și distanța de scanare sunt parametrii de bază care determină continuitatea și uniformitatea stratului modificat. 532 nm și laserele ultrarapide de 1064 nm au o penetrare excelentă în carbura de siliciu, iar punctul focalizat este mai mic. Grosimea stratului modificat poate fi controlată cu precizie la 10-30 μm, iar fisurile modificate se propagă într-o manieră direcționată, fără a se difuza în zona funcțională a dispozitivului. Prin controlul dinamic al polarizării și tehnologia de modelare a fasciculului, morfologia stratului modificat poate fi optimizată, planeitatea de tăiere poate fi îmbunătățită și deformarea divizării plachetelor poate fi suprimată eficient. Cercetarea internă se concentrează pe consistența procesării în loturi pentru napolitane de dimensiuni mari, tăierea cu efort redus a plachetelor ultra-subțiri (50-100 μm) și optimizarea tehnologiei de tăiere cu matriță cu distanțe înguste. A fost realizată tăierea complet automată cu ridicare cu laser a plachetelor cu carbură de siliciu de 8 inchi. În condiții optimizate de proces, lățimea străzii de tăiere poate fi redusă la 20 μm, randamentul matriței depășește 98%, iar eficiența prelucrării unei singure napolitane este crescută cu mai mult de 30% în comparație cu procesele tradiționale, rezolvând problema că modificarea tradițională unică nu se poate adapta la prelucrarea napolitanelor groase. Sursa: Shuoke Crystal.
În tehnologia de ridicare a cristalelor, încă din 1985, oamenii de știință americani au demonstrat că straturile subțiri ar putea fi ridicate din plachetele de Si și GaAs sub acțiunea tensiunii de tracțiune reziduale într-un strat de stres. Cu toate acestea, procesele experimentale timpurii de ridicare a cristalelor au fost dificil de controlat, deoarece atunci când stresul a atins pragul determinat de duritatea la rupere a plachetei, fisurile s-au generat spontan și s-au propagat aleatoriu, provocând grosimea neuniformă a stratului de ridicare sau chiar fragmentare.
IBM a dezvoltat o tehnologie de decolare controlată. Această metodă proiectează un strat suplimentar de tracțiune pentru a aplica forța externă pentru a declanșa fractura și a ghida direcțional propagarea fisurii și, de asemenea, stabilește un model teoretic pentru corelația dintre solicitarea critică și grosimea stratului de despicare, oferind îndrumări pentru optimizarea procesului. În plus, Si la nivel de plachetă, monocristalele GaN, precum și celulele solare III-V, circuitele integrate, LED-urile și alte dispozitive semiconductoare pot folosi această tehnologie pentru a obține o ridicare controlată.
În ceea ce privește tehnologia de industrializare, tehnologia Siltectra cold split din Germania și procesul de modificare cu laser Disco din Japonia pot controla pierderea materialului de feliere SiC până la 60 μm și au realizat o producție în masă de napolitane de 8 inci; Producătorii europeni și americani monopolizează sursele de lumină UV excimer și au dominat de mult timp piața echipamentelor de ridicare a interfeței pentru plachete epitaxiale Micro-LED.
În ultimii ani, progresul intern a fost semnificativ. Echipele de cercetare de la Universitatea de Știință și Tehnologie Huazhong și CETC au depășit modificarea internă a SiC și tehnologia de control direcțional a crack. Întreprinderi precum Han's Laser și HGTECH au realizat localizarea echipamentelor de ridicare cu laser UV, iar echipamentele casnice au intrat în verificare în liniile de producție cu LED-uri și dispozitive de alimentare. În prezent, indicatorii interni de proces de ridicare SiC de 6 inchi sunt aproape de nivelurile internaționale, dar uniformitatea energetică a plachetelor complete de 8 inci de dimensiuni mari este relativ slabă, iar problema deviației fisurii a carburii de siliciu de tip N nu a fost complet rezolvată. Laserele UV de mare putere și modulele optice de înaltă precizie se bazează în continuare pe importuri.