V: Wat zijn de belangrijkste technologieën die worden gebruikt bij het snijden en verwerken van SiC-wafers?
A:Siliciumcarbide Siliciumcarbide (SiC) heeft een hardheid die alleen onderdoet voor die van diamant en wordt beschouwd als een zeer hard en bros materiaal. Het snijproces, waarbij gegroeide kristallen in dunne wafers worden gesneden, is tijdrovend en gevoelig voor afbrokkeling. Als eerste stap inSiCBij de verwerking van enkelkristallen heeft de kwaliteit van het snijden een aanzienlijke invloed op het daaropvolgende slijpen, polijsten en verdunnen. Het snijden introduceert vaak scheuren aan het oppervlak en onder het oppervlak, wat leidt tot een hogere breukfrequentie van de wafer en hogere productiekosten. Het beheersen van schade door scheuren aan het oppervlak tijdens het snijden is daarom cruciaal voor de verdere ontwikkeling van de SiC-apparaatfabricage.
Momenteel worden er diverse snijmethoden voor SiC gebruikt, waaronder snijden met vaste en vrije schuurmiddelen, lasersnijden, laagoverdracht (koude scheiding) en elektro-erosiesnijden. Van deze methoden is heen-en-weer bewegend meeraderig draadsnijden met vaste diamantschuurmiddelen de meest gebruikte methode voor het bewerken van SiC-eenkristallen. Echter, bij ingots van 8 inch en groter wordt traditioneel draadzagen minder praktisch vanwege de hoge eisen aan de apparatuur, de kosten en het lage rendement. Er is dringend behoefte aan goedkope, verliesarme en zeer efficiënte snijtechnologieën.
V: Wat zijn de voordelen van lasersnijden ten opzichte van traditioneel meeraderig snijden?
A: Traditioneel draadzagen snijdt deSiC-staafDe wafers worden in een specifieke richting in plakjes van enkele honderden micrometers dik gesneden. Vervolgens worden de plakjes geslepen met diamantsuspensies om zaagsporen en beschadigingen onder het oppervlak te verwijderen, waarna chemisch-mechanisch polijsten (CMP) wordt toegepast om een algehele vlakheid te bereiken. Ten slotte worden de plakjes gereinigd om SiC-wafers te verkrijgen.
Vanwege de hoge hardheid en brosheid van SiC kunnen deze stappen echter gemakkelijk leiden tot kromtrekken, scheuren, een verhoogd breukpercentage, hogere productiekosten en een hoge oppervlakteruwheid en verontreiniging (stof, afvalwater, enz.). Bovendien is draadzagen een traag proces met een lage opbrengst. Schattingen tonen aan dat traditioneel meeraderig snijden slechts een materiaalbenutting van ongeveer 50% oplevert en dat tot 75% van het materiaal verloren gaat na polijsten en slijpen. Vroege buitenlandse productiegegevens gaven aan dat het ongeveer 273 dagen onafgebroken 24-uurs productie zou kosten om 10.000 wafers te produceren – een zeer tijdrovend proces.
In eigen land richten veel bedrijven die zich bezighouden met de groei van SiC-kristallen zich op het vergroten van de ovencapaciteit. Het is echter belangrijker om, in plaats van alleen de productie uit te breiden, te kijken naar manieren om verliezen te beperken, vooral wanneer de opbrengst van de kristalgroei nog niet optimaal is.
Lasersnijapparatuur kan materiaalverlies aanzienlijk verminderen en de opbrengst verbeteren. Bijvoorbeeld door gebruik te maken van een enkele 20 mm-laser.SiC-staafMet draadzagen kunnen ongeveer 30 wafers van 350 μm dikte worden geproduceerd. Lasersnijden kan meer dan 50 wafers opleveren. Als de waferdikte wordt teruggebracht tot 200 μm, kunnen er meer dan 80 wafers uit dezelfde ingot worden geproduceerd. Hoewel draadzagen veel wordt gebruikt voor wafers van 6 inch en kleiner, kan het snijden van een 8-inch SiC-ingot met traditionele methoden 10-15 dagen duren, wat hoogwaardige apparatuur vereist en hoge kosten met zich meebrengt bij een lage efficiëntie. Onder deze omstandigheden worden de voordelen van lasersnijden duidelijk, waardoor het de belangrijkste technologie van de toekomst is voor 8-inch wafers.
Met lasersnijden kan de snijtijd per 8-inch wafer minder dan 20 minuten bedragen, met een materiaalverlies per wafer van minder dan 60 μm.
Samenvattend biedt lasersnijden, vergeleken met snijden met meerdere draden, een hogere snelheid, een betere opbrengst, minder materiaalverlies en een schonere verwerking.
V: Wat zijn de belangrijkste technische uitdagingen bij het lasersnijden van SiC?
A: Het lasersnijproces omvat twee hoofdstappen: laserbewerking en het scheiden van de wafers.
De kern van lasermodificatie is het vormgeven van de laserstraal en het optimaliseren van de parameters. Parameters zoals laservermogen, spotdiameter en scansnelheid beïnvloeden de kwaliteit van de materiaalverwijdering en het succes van de daaropvolgende waferseparatie. De geometrie van de gemodificeerde zone bepaalt de oppervlakteruwheid en de moeilijkheid van de scheiding. Een hoge oppervlakteruwheid bemoeilijkt het latere slijpen en leidt tot meer materiaalverlies.
Na modificatie wordt de scheiding van de wafers doorgaans bereikt door middel van schuifkrachten, zoals koude breuk of mechanische spanning. Sommige binnenlandse systemen gebruiken ultrasone transducers om trillingen op te wekken voor de scheiding, maar dit kan leiden tot afbrokkeling en randdefecten, waardoor de uiteindelijke opbrengst afneemt.
Hoewel deze twee stappen op zich niet moeilijk zijn, hebben inconsistenties in de kristalkwaliteit – als gevolg van verschillende groeiprocessen, doteringsniveaus en interne spanningsverdelingen – een aanzienlijke invloed op de moeilijkheidsgraad van het snijden, de opbrengst en het materiaalverlies. Het enkel identificeren van probleemgebieden en het aanpassen van de laserscanzones zal de resultaten mogelijk niet substantieel verbeteren.
De sleutel tot wijdverspreide acceptatie ligt in het ontwikkelen van innovatieve methoden en apparatuur die zich kunnen aanpassen aan een breed scala aan kristalkwaliteiten van verschillende fabrikanten, het optimaliseren van procesparameters en het bouwen van lasersnijsystemen met universele toepasbaarheid.
V: Kan lasersnijtechnologie ook worden toegepast op andere halfgeleidermaterialen dan SiC?
A: Lasertechnologie is van oudsher toegepast op een breed scala aan materialen. In de halfgeleiderindustrie werd het aanvankelijk gebruikt voor het snijden van wafers en is het sindsdien uitgebreid naar het snijden van grote, massieve enkelkristallen.
Naast siliciumcarbide (SiC) kan lasersnijden ook worden gebruikt voor andere harde of brosse materialen zoals diamant, galliumnitride (GaN) en galliumoxide (Ga₂O₃). Voorlopige studies met deze materialen hebben de haalbaarheid en voordelen van lasersnijden voor halfgeleidertoepassingen aangetoond.
V: Zijn er momenteel volwaardige lasersnijapparatuurproducten op de markt in Nederland? In welk stadium bevindt uw onderzoek zich?
A: Lasersnijapparatuur voor SiC met een grote diameter wordt algemeen beschouwd als essentiële apparatuur voor de toekomstige productie van 8-inch SiC-wafers. Momenteel zijn dergelijke systemen alleen in Japan verkrijgbaar, maar ze zijn duur en onderhevig aan exportbeperkingen.
De binnenlandse vraag naar lasersnij-/verdunningssystemen wordt geschat op ongeveer 1.000 eenheden, gebaseerd op de productieplannen voor siliciumcarbide (SiC) en de bestaande capaciteit van draadzaagmachines. Grote binnenlandse bedrijven hebben fors geïnvesteerd in de ontwikkeling, maar er is nog geen volwaardige, commercieel verkrijgbare apparatuur van eigen bodem die de industriële markt bereikt.
Onderzoeksgroepen ontwikkelen al sinds 2001 eigen laser-lift-off-technologie en hebben deze nu uitgebreid naar het lasersnijden en verdunnen van SiC met een grote diameter. Ze hebben een prototypesysteem en snijprocessen ontwikkeld die geschikt zijn voor: het snijden en verdunnen van 4-6 inch semi-isolerende SiC-wafers en het snijden van 6-8 inch geleidende SiC-blokken. Prestatiebenchmarks: 6-8 inch semi-isolerend SiC: snijtijd 10-15 minuten/wafer; materiaalverlies <30 μm; 6-8 inch geleidend SiC: snijtijd 14-20 minuten/wafer; materiaalverlies <60 μm
De geschatte waferopbrengst is met meer dan 50% gestegen.
Na het snijden voldoen de wafers aan de nationale normen voor geometrie na slijpen en polijsten. Studies tonen bovendien aan dat door laser geïnduceerde thermische effecten geen significante invloed hebben op de spanning of geometrie in de wafers.
Dezelfde apparatuur is ook gebruikt om de haalbaarheid te verifiëren van het snijden van diamant-, GaN- en Ga₂O₃-eenkristallen.
Geplaatst op: 23 mei 2025