Nåværende status og trender innen SiC-waferbehandlingsteknologi

Som et tredjegenerasjons halvledersubstratmateriale,silisiumkarbid (SiC)Enkeltkrystall har brede anvendelsesmuligheter innen produksjon av høyfrekvente og høyeffekts elektroniske enheter. Prosesseringsteknologien til SiC spiller en avgjørende rolle i produksjonen av substratmaterialer av høy kvalitet. Denne artikkelen introduserer den nåværende forskningsstatusen innen SiC-prosesseringsteknologier både i Kina og i utlandet, og analyserer og sammenligner mekanismene for skjære-, slipe- og poleringsprosesser, samt trendene i waferflathet og overflateruhet. Den peker også på de eksisterende utfordringene innen SiC-waferprosessering og diskuterer fremtidige utviklingsretninger.

Silisiumkarbid (SiC)Wafere er kritiske grunnmaterialer for tredjegenerasjons halvlederkomponenter og har betydelig betydning og markedspotensial innen felt som mikroelektronikk, kraftelektronikk og halvlederbelysning. På grunn av den ekstremt høye hardheten og kjemiske stabiliteten tilSiC-enkeltkrystallerTradisjonelle halvlederbehandlingsmetoder er ikke helt egnet for maskinering av disse. Selv om mange internasjonale selskaper har utført omfattende forskning på den teknisk krevende behandlingen av SiC-enkeltkrystaller, holdes relevante teknologier strengt konfidensielle.

I de senere årene har Kina økt innsatsen for utvikling av SiC-enkrystallmaterialer og -enheter. Utviklingen av SiC-enhetsteknologi i landet er imidlertid for tiden begrenset av begrensninger i prosesseringsteknologier og waferkvalitet. Derfor er det viktig for Kina å forbedre SiC-prosesseringskapasiteten for å forbedre kvaliteten på SiC-enkrystallsubstrater og oppnå deres praktiske anvendelse og masseproduksjon.

De viktigste prosesstrinnene inkluderer: skjæring → grovsliping → finsliping → grovpolering (mekanisk polering) → finpolering (kjemisk-mekanisk polering, CMP) → inspeksjon.

Skjæring av SiC-enkeltkrystaller

I behandlingen avSiC-enkeltkrystaller, skjæring er det første og et svært kritisk trinn. Waferens bøyning, vridning og totale tykkelsesvariasjon (TTV) som følge av skjæreprosessen bestemmer kvaliteten og effektiviteten til påfølgende slipe- og poleringsoperasjoner.

Skjæreverktøy kan kategoriseres etter form i diamantsager med indre diameter (ID), sager med ytre diameter (OD), båndsager og vaiersager. Vaiersager kan igjen klassifiseres etter bevegelsestype i frem- og tilbakegående og løkkeformede (endeløse) vaiersystemer. Basert på slipemiddelets skjæremekanisme kan vaiersagskjæreteknikker deles inn i to typer: fri, slipende vaiersaging og fast, slipende diamantvaiersaging.

1.1 Tradisjonelle skjæremetoder

Skjæredybden til sager med ytre diameter (OD) er begrenset av bladets diameter. Under skjæreprosessen er bladet utsatt for vibrasjoner og avvik, noe som resulterer i høyt støynivå og dårlig stivhet. Sager med indre diameter (ID) bruker diamantslipemidler på den indre omkretsen av bladet som skjærekant. Disse bladene kan være så tynne som 0,2 mm. Under kutting roterer ID-bladet med høy hastighet mens materialet som skal kuttes beveger seg radielt i forhold til bladets sentrum, noe som oppnår kutting gjennom denne relative bevegelsen.

Diamantbåndsager krever hyppige stopp og reverseringer, og skjærehastigheten er svært lav – vanligvis ikke over 2 m/s. De lider også av betydelig mekanisk slitasje og høye vedlikeholdskostnader. På grunn av sagbladets bredde kan ikke skjæreradiusen være for liten, og flersnittsskjæring er ikke mulig. Disse tradisjonelle sagverktøyene er begrenset av stivheten til basen og kan ikke lage buede kutt eller har begrensede svingradier. De er bare i stand til rette kutt, produserer brede snitt, har lav utbytte og er dermed uegnet for skjæring.SiC-krystaller.

1.2 Gratis slipetrådsag med flertrådsskjæring

Teknikken med fri slipetrådsag bruker rask bevegelse av tråden for å føre slam inn i snittet, noe som muliggjør materialfjerning. Den benytter primært en frem- og tilbakegående struktur og er for tiden en moden og mye brukt metode for effektiv flerskiveskjæring av enkeltkrystallsilisium. Imidlertid har bruken av den i SiC-skjæring blitt mindre grundig studert.

Frie slipetrådsager kan bearbeide wafere med tykkelser på mindre enn 300 μm. De gir lavt snitttap, forårsaker sjelden avskalling og resulterer i relativt god overflatekvalitet. På grunn av materialfjerningsmekanismen – basert på valsing og inntrykking av slipemidler – har imidlertid waferoverflaten en tendens til å utvikle betydelig restspenning, mikrosprekker og dypere skadelag. Dette fører til wafervridning, gjør det vanskelig å kontrollere overflateprofilnøyaktigheten og øker belastningen på påfølgende behandlingstrinn.

Skjæreytelsen påvirkes sterkt av slammet; det er nødvendig å opprettholde slipemidlenes skarphet og slammets konsentrasjon. Slambehandling og resirkulering er kostbart. Ved kutting av store barrer har slipemidler problemer med å trenge inn i dype og lange snitt. Under samme slipekornstørrelse er snitttapet større enn for trådsager med fast slipemiddel.

1.3 Fast slipende diamantvaiersag med flere ledninger

Diamantsager med fast slipeevne lages vanligvis ved å legge diamantpartikler inn i et ståltrådsubstrat gjennom galvanisering, sintring eller harpiksbinding. Galvaniserte diamantsager gir fordeler som smalere snitt, bedre skivekvalitet, høyere effektivitet, lavere forurensning og evnen til å skjære materialer med høy hardhet.

Den frem- og tilbakegående elektropletterte diamantsagen er for tiden den mest brukte metoden for å skjære SiC. Figur 1 (ikke vist her) illustrerer overflateflatheten til SiC-wafere kuttet med denne teknikken. Etter hvert som skjæringen skrider frem, øker waferens vridning. Dette er fordi kontaktarealet mellom tråden og materialet øker når tråden beveger seg nedover, noe som øker motstanden og trådvibrasjonen. Når tråden når waferens maksimale diameter, er vibrasjonen på sitt høyeste, noe som resulterer i maksimal vridning.

I de senere stadiene av skjæringen, på grunn av at tråden gjennomgår akselerasjon, bevegelse med stabil hastighet, retardasjon, stopping og reversering, sammen med vanskeligheter med å fjerne rusk med kjølevæsken, forringes overflatekvaliteten til waferen. Trådreversering og hastighetssvingninger, samt store diamantpartikler på tråden, er de viktigste årsakene til overflateriper.

1.4 Kald separasjonsteknologi

Kald separasjon av SiC-enkeltkrystaller er en innovativ prosess innen tredjegenerasjons halvledermaterialebehandling. I de senere år har den fått betydelig oppmerksomhet på grunn av sine bemerkelsesverdige fordeler med å forbedre utbyttet og redusere materialtap. Teknologien kan analyseres fra tre aspekter: arbeidsprinsipp, prosessflyt og kjernefordeler.

Bestemmelse av krystallorientering og sliping av ytre diameter: Før bearbeiding må krystallorienteringen til SiC-barren bestemmes. Barren formes deretter til en sylindrisk struktur (vanligvis kalt en SiC-puck) via sliping av ytre diameter. Dette trinnet legger grunnlaget for påfølgende retningsbestemt kutting og skiving.

Flertrådsskjæring: Denne metoden bruker slipepartikler kombinert med skjæretråder for å skjære den sylindriske barren. Den lider imidlertid av betydelig snitttap og ujevnheter i overflaten.

Laserskjæringsteknologi: En laser brukes til å danne et modifisert lag i krystallen, hvorfra tynne skiver kan løsnes. Denne tilnærmingen reduserer materialtap og forbedrer prosesseringseffektiviteten, noe som gjør den til en lovende ny retning for SiC-waferskjæring.

Optimalisering av skjæreprosessen

Fast slipende flertrådskutting: Dette er for tiden den vanlige teknologien, godt egnet for de høye hardhetsegenskapene til SiC.

Elektrisk utladningsmaskinering (EDM) og kaldseparasjonsteknologi: Disse metodene gir varierte løsninger skreddersydd til spesifikke krav.

Poleringsprosess: Det er viktig å balansere materialfjerningshastigheten og overflateskaden. Kjemisk-mekanisk polering (CMP) brukes for å forbedre overflatejevnheten.

Sanntidsovervåking: Online inspeksjonsteknologier introduseres for å overvåke overflateruhet i sanntid.

Laserskjæring: Denne teknikken reduserer tap av kutt og forkorter prosesseringssyklusene, selv om den termisk berørte sonen fortsatt er en utfordring.

Hybride prosesseringsteknologier: Kombinasjonen av mekaniske og kjemiske metoder forbedrer prosesseringseffektiviteten.

Denne teknologien har allerede oppnådd industriell anvendelse. Infineon, for eksempel, kjøpte opp SILTECTRA og har nå kjernepatenter som støtter masseproduksjon av 8-tommers wafere. I Kina har selskaper som Delong Laser oppnådd en produksjonseffektivitet på 30 wafere per ingot for 6-tommers waferprosessering, noe som representerer en forbedring på 40 % i forhold til tradisjonelle metoder.

Etter hvert som produksjonen av husholdningsutstyr akselererer, forventes denne teknologien å bli den vanlige løsningen for SiC-substratbehandling. Med den økende diameteren til halvledermaterialer har tradisjonelle skjæremetoder blitt foreldet. Blant dagens alternativer viser bajonettsagteknologi med diamanttråd de mest lovende bruksmulighetene. Laserskjæring, som en fremvoksende teknikk, tilbyr betydelige fordeler og forventes å bli den primære skjæremetoden i fremtiden.

2.SiC enkeltkrystallsliping

Som en representant for tredjegenerasjons halvledere tilbyr silisiumkarbid (SiC) betydelige fordeler på grunn av sitt brede båndgap, høye elektriske felt med gjennombrudd, høy metningselektrondrifthastighet og utmerkede varmeledningsevne. Disse egenskapene gjør SiC spesielt fordelaktig i høyspenningsapplikasjoner (f.eks. 1200 V-miljøer). Prosesseringsteknologien for SiC-substrater er en grunnleggende del av enhetsfabrikasjonen. Overflatekvaliteten og presisjonen til substratet påvirker direkte kvaliteten på det epitaksiale laget og ytelsen til den endelige enheten.

Hovedformålet med slipeprosessen er å fjerne sagmerker og skadelag forårsaket under kutting, og å korrigere deformasjon forårsaket av skjæreprosessen. Gitt SiCs ekstremt høye hardhet krever sliping bruk av harde slipemidler som borkarbid eller diamant. Konvensjonell sliping deles vanligvis inn i grovsliping og finsliping.

2.1 Grov- og finsliping

Sliping kan kategoriseres basert på slipemiddelpartikkelstørrelse:

Grovsliping: Bruker større slipemidler primært for å fjerne sagmerker og skadelag forårsaket under kutting, noe som forbedrer prosesseringseffektiviteten.

Finsliping: Bruker finere slipemidler for å fjerne skadelaget etter grovsliping, redusere overflateruhet og forbedre overflatekvaliteten.

Mange innenlandske SiC-substratprodusenter bruker storskala produksjonsprosesser. En vanlig metode involverer dobbeltsidig sliping ved hjelp av en støpejernsplate og monokrystallinsk diamantslam. Denne prosessen fjerner effektivt skadelaget etter trådsaging, korrigerer waferformen og reduserer TTV (Total Thickness Variation), Bow og Warp. Materialfjerningshastigheten er stabil og når vanligvis 0,8–1,2 μm/min. Den resulterende waferoverflaten er imidlertid matt med relativt høy ruhet – vanligvis rundt 50 nm – noe som stiller høyere krav til påfølgende poleringstrinn.

2.2 Ensidig sliping

Ensidig sliping behandler bare én side av waferen om gangen. Under denne prosessen monteres waferen på en stålplate med voks. Under påført trykk deformeres substratet lett, og den øvre overflaten flates ut. Etter sliping jevnes den nedre overflaten ut. Når trykket fjernes, har den øvre overflaten en tendens til å gjenopprette sin opprinnelige form, noe som også påvirker den allerede slipte underoverflaten – noe som fører til at begge sider vrir seg og blir flate.

Dessuten kan slipeplaten bli konkav på kort tid, noe som fører til at waferen blir konveks. For å opprettholde platens flathet er hyppig sliping nødvendig. På grunn av lav effektivitet og dårlig waferflathet er ensidig sliping ikke egnet for masseproduksjon.

Vanligvis brukes #8000 slipeskiver til finsliping. I Japan er denne prosessen relativt moden og bruker til og med #30000 poleringsskiver. Dette gjør at overflateruheten på de bearbeidede waferene kan nå under 2 nm, noe som gjør waferne klare for endelig CMP (kjemisk mekanisk polering) uten ytterligere bearbeiding.

2.3 Ensidig tynningsteknologi

Diamant-ensidig tynningsteknologi er en ny metode for enkelsidig sliping. Som illustrert i figur 5 (ikke vist her), bruker prosessen en diamantbundet slipeplate. Skiven fikseres via vakuumadsorpsjon, mens både skiven og diamantslipeskiven roterer samtidig. Slipeskiven beveger seg gradvis nedover for å tynne ut skiven til en ønsket tykkelse. Etter at den ene siden er ferdig, snus skiven for å bearbeide den andre siden.

Etter tynning kan en 100 mm wafer oppnå:

Bøye < 5 μm

TTV < 2 μm

Overflateruhet < 1 nm

Denne metoden for bearbeiding med én skive gir høy stabilitet, utmerket konsistens og høy materialfjerningshastighet. Sammenlignet med konvensjonell dobbeltsidig sliping forbedrer denne teknikken slipeeffektiviteten med over 50 %.

2.4 Dobbeltsidig sliping

Dobbeltsidig sliping bruker både en øvre og en nedre slipeplate til å slipe begge sider av underlaget samtidig, noe som sikrer utmerket overflatekvalitet på begge sider.

Under prosessen legger slipeplatene først trykk på arbeidsstykkets høyeste punkt, noe som forårsaker deformasjon og gradvis materialfjerning på disse punktene. Etter hvert som de høye punktene jevnes ut, blir trykket på underlaget gradvis mer jevnt, noe som resulterer i jevn deformasjon over hele overflaten. Dette gjør at både øvre og nedre overflater slipes jevnt. Når slipingen er fullført og trykket slippes ut, gjenvinnes hver del av underlaget jevnt på grunn av det like trykket den opplevde. Dette fører til minimal vridning og god flathet.

Overflateruheten til waferen etter sliping avhenger av slipemiddelpartikkelstørrelsen – mindre partikler gir glattere overflater. Når man bruker 5 μm slipemidler for dobbeltsidig sliping, kan variasjonen i waferens flathet og tykkelse kontrolleres innenfor 5 μm. Målinger med atomkraftmikroskopi (AFM) viser en overflateruhet (Rq) på omtrent 100 nm, med slipegroper opptil 380 nm dype og synlige lineære merker forårsaket av slipeeffekten.

En mer avansert metode innebærer dobbeltsidig sliping med polyuretanskumputer kombinert med polykrystallinsk diamantslam. Denne prosessen produserer wafere med svært lav overflateruhet, og oppnår Ra < 3 nm, noe som er svært gunstig for påfølgende polering av SiC-substrater.

Imidlertid er overflateskraping fortsatt et uløst problem. I tillegg produseres den polykrystallinske diamanten som brukes i denne prosessen via eksplosiv syntese, noe som er teknisk utfordrende, gir lave mengder og er ekstremt dyrt.

Polering av SiC-enkeltkrystaller

For å oppnå en polert overflate av høy kvalitet på silisiumkarbid (SiC)-wafere, må poleringen fjerne slipegroper og nanometerstore overflateujevnheter fullstendig. Målet er å produsere en glatt, defektfri overflate uten forurensning eller degradering, ingen skade på underlaget og ingen gjenværende overflatespenning.

3.1 Mekanisk polering og CMP av SiC-wafere

Etter veksten av en SiC-enkrystallbarre, hindrer overflatedefekter den i å bli direkte brukt til epitaksial vekst. Derfor kreves videre bearbeiding. Barren formes først til en standard sylindrisk form gjennom avrunding, deretter skjæres den i skiver ved hjelp av trådskjæring, etterfulgt av krystallografisk orienteringsverifisering. Polering er et kritisk trinn for å forbedre waferkvaliteten, adressere potensielle overflateskader forårsaket av krystallvekstdefekter og forutgående bearbeidingstrinn.

Det finnes fire hovedmetoder for å fjerne overflateskadelag på SiC:

Mekanisk polering: Enkel, men etterlater riper; egnet for førstegangspolering.

Kjemisk-mekanisk polering (CMP): Fjerner riper via kjemisk etsing; egnet for presisjonspolering.

Hydrogenetsing: Krever komplekst utstyr, som ofte brukes i HTCVD-prosesser.

Plasmaassistert polering: Kompleks og sjelden brukt.

Kun mekanisk polering har en tendens til å forårsake riper, mens kun kjemisk polering kan føre til ujevn etsing. CMP kombinerer begge fordeler og tilbyr en effektiv og kostnadseffektiv løsning.

CMP-arbeidsprinsipp

CMP fungerer ved å rotere waferen under et innstilt trykk mot en roterende poleringspute. Denne relative bevegelsen, kombinert med mekanisk slitasje fra nanostørrelsesslipemidler i slammet og den kjemiske virkningen av reaktive stoffer, oppnår overflateplanarisering.

Viktige materialer brukt:

Poleringsslam: Inneholder slipemidler og kjemiske reagenser.

Poleringspute: Slites ned under bruk, noe som reduserer porestørrelsen og effektiviteten til slamleveringen. Regelmessig avretning, vanligvis med en diamantavretning, er nødvendig for å gjenopprette ruheten.

Typisk CMP-prosess

Slipemiddel: 0,5 μm diamantslam

Måloverflateruhet: ~0,7 nm

Kjemisk mekanisk polering:

Poleringsutstyr: AP-810 ensidig poleringsmaskin

Trykk: 200 g/cm²

Platehastighet: 50 o/min

Keramisk holderhastighet: 38 o/min

Slamsammensetning:

SiO₂ (30 vekt%, pH = 10,15)

0–70 vekt% H₂O₂ (30 vekt%, reagenskvalitet)

Juster pH til 8,5 ved bruk av 5 vekt% KOH og 1 vekt% HNO₃

Slamstrømningshastighet: 3 l/min, resirkulert

Denne prosessen forbedrer SiC-waferkvaliteten effektivt og oppfyller kravene til nedstrømsprosesser.

Tekniske utfordringer innen mekanisk polering

SiC, som en halvleder med bredt båndgap, spiller en viktig rolle i elektronikkindustrien. Med utmerkede fysiske og kjemiske egenskaper er SiC-enkeltkrystaller egnet for ekstreme miljøer, som høy temperatur, høy frekvens, høy effekt og strålingsmotstand. Dens harde og sprø natur byr imidlertid på store utfordringer for sliping og polering.

Etter hvert som ledende globale produsenter går over fra 6-tommers til 8-tommers wafere, har problemer som sprekker og waferskader under prosessering blitt mer fremtredende, noe som påvirker utbyttet betydelig. Å håndtere de tekniske utfordringene med 8-tommers SiC-substrater er nå en viktig målestokk for bransjens fremskritt.

I 8-tommers-æraen står SiC-waferbehandling overfor en rekke utfordringer:

Waferskalering er nødvendig for å øke brikkeproduksjonen per batch, redusere kanttap og senke produksjonskostnadene – spesielt gitt økende etterspørsel innen elbilapplikasjoner.

Selv om veksten av 8-tommers SiC-enkeltkrystaller har modnet, står bakprosesser som sliping og polering fortsatt overfor flaskehalser, noe som resulterer i lave utbytter (bare 40–50 %).

Større wafere opplever mer komplekse trykkfordelinger, noe som øker vanskeligheten med å håndtere poleringsstress og utbyttekonsistens.

Selv om tykkelsen på 8-tommers wafere nærmer seg tykkelsen på 6-tommers wafere, er de mer utsatt for skade under håndtering på grunn av stress og vridning.

For å redusere skjærerelatert stress, vridning og sprekker, brukes laserskjæring i økende grad. Imidlertid:

Langbølgede lasere forårsaker termisk skade.

Kortbølgede lasere genererer tungt rusk og utdyper skadelaget, noe som øker kompleksiteten ved polering.

Mekanisk poleringsarbeidsflyt for SiC

Den generelle prosessflyten inkluderer:

Orienteringsskjæring

Grovmaling

Finsliping

Mekanisk polering

Kjemisk-mekanisk polering (CMP) som siste trinn

Valg av CMP-metode, prosessrutedesign og optimalisering av parametere er avgjørende. I halvlederproduksjon er CMP det avgjørende trinnet for å produsere SiC-wafere med ultraglatte, defektfrie og skadefrie overflater, noe som er essensielt for epitaksial vekst av høy kvalitet.

(a) Fjern SiC-barren fra digelen;

(b) Utfør innledende forming ved sliping av ytterdiameter;

(c) Bestem krystallens orientering ved hjelp av justeringsflater eller hakk;

(d) Skjær barren i tynne skiver ved hjelp av flertrådssaging;

(e) Oppnå speilblank overflateglatthet gjennom sliping og polering.

Etter at prosessen er fullført, blir ofte den ytre kanten av SiC-skiven skarp, noe som øker risikoen for avskalling under håndtering eller bruk. For å unngå slik skjørhet er kantsliping nødvendig.

I tillegg til tradisjonelle skjæreprosesser, involverer en innovativ metode for å fremstille SiC-wafere bindingsteknologi. Denne tilnærmingen muliggjør waferfabrikasjon ved å binde et tynt SiC-enkeltkrystalllag til et heterogent substrat (støttesubstrat).

Figur 3 illustrerer prosessflyten:

Først dannes et delamineringslag i en spesifisert dybde på overflaten av SiC-enkeltkrystallen via hydrogenionimplantasjon eller lignende teknikker. Den bearbeidede SiC-enkeltkrystallen bindes deretter til et flatt støttesubstrat og utsettes for trykk og varme. Dette muliggjør vellykket overføring og separasjon av SiC-enkeltkrystalllaget til støttesubstratet.

Det separerte SiC-laget gjennomgår overflatebehandling for å oppnå den nødvendige flatheten og kan gjenbrukes i påfølgende bindingsprosesser. Sammenlignet med tradisjonell kutting av SiC-krystaller reduserer denne teknikken behovet for dyre materialer. Selv om det fortsatt er tekniske utfordringer, går forskning og utvikling aktivt fremover for å muliggjøre lavere kostnadsproduksjon av wafere.

Gitt den høye hardheten og kjemiske stabiliteten til SiC – som gjør den motstandsdyktig mot reaksjoner ved romtemperatur – er mekanisk polering nødvendig for å fjerne fine slipegroper, redusere overflateskader, eliminere riper, gropdannelse og appelsinskalldefekter, redusere overflateruhet, forbedre flathet og forbedre overflatekvaliteten.

For å oppnå en polert overflate av høy kvalitet, er det nødvendig å:

Juster slipemiddeltyper,

Reduser partikkelstørrelsen,

Optimaliser prosessparametere,

Velg poleringsmaterialer og -puter med tilstrekkelig hardhet.

Figur 7 viser at dobbeltsidig polering med 1 μm slipemidler kan kontrollere flathet og tykkelsesvariasjon innenfor 10 μm, og redusere overflateruhet til omtrent 0,25 nm.

3.2 Kjemisk-mekanisk polering (CMP)

Kjemisk-mekanisk polering (CMP) kombinerer ultrafine partikkelsliping med kjemisk etsing for å danne en glatt, plan overflate på materialet som bearbeides. Grunnprinsippet er:

En kjemisk reaksjon oppstår mellom poleringsoppslemmingen og waferoverflaten, og danner et mykt lag.

Friksjon mellom slipepartiklene og det myke laget fjerner materialet.

CMP-fordeler:

Overvinner ulempene med rent mekanisk eller kjemisk polering,

Oppnår både global og lokal planarisering,

Produserer overflater med høy flathet og lav ruhet,

Etterlater ingen skader på overflaten eller undergrunnen.

I detalj:

Waferen beveger seg i forhold til poleringsputen under trykk.

Nanometerstore slipemidler (f.eks. SiO₂) i slammet bidrar til skjæring, svekker Si-C kovalente bindinger og forbedrer materialfjerning.

Typer CMP-teknikker:

Fri slipemiddelpolering: Slipemidler (f.eks. SiO₂) suspenderes i en oppslemming. Materialfjerning skjer gjennom tredelt sliping (wafer-pad-slipemiddel). Slipemiddelstørrelse (vanligvis 60–200 nm), pH og temperatur må kontrolleres nøyaktig for å forbedre ensartetheten.

Fast slipemiddelpolering: Slipemidler er innebygd i poleringsputen for å forhindre agglomerering – ideelt for høypresisjonsbehandling.

Rengjøring etter polering:

Polerte wafere gjennomgår:

Kjemisk rengjøring (inkludert fjerning av avjonisert vann og slamrester),

skylling med avjonisert vann, og

Varm nitrogentørking

for å minimere overflateforurensninger.

Overflatekvalitet og ytelse

Overflateruhet kan reduseres til Ra < 0,3 nm, noe som oppfyller kravene til halvlederepitaksi.

Global planarisering: Kombinasjonen av kjemisk mykgjøring og mekanisk fjerning reduserer riper og ujevn etsing, og overgår dermed rene mekaniske eller kjemiske metoder.

Høy effektivitet: Egnet for harde og sprø materialer som SiC, med materialfjerningshastigheter over 200 nm/t.

Andre nye poleringsteknikker

I tillegg til CMP har alternative metoder blitt foreslått, inkludert:

Elektrokjemisk polering, katalysatorassistert polering eller etsing, og

Tribokjemisk polering.

Disse metodene er imidlertid fortsatt på forskningsstadiet og har utviklet seg sakte på grunn av SiCs utfordrende materialegenskaper.

Til syvende og sist er SiC-prosessering en gradvis prosess for å redusere vridning og ruhet for å forbedre overflatekvaliteten, der kontroll av flathet og ruhet er avgjørende gjennom hvert trinn.

Prosesseringsteknologi

Under waferslipingsfasen brukes diamantslam med forskjellige partikkelstørrelser til å slipe waferen til ønsket flathet og overflateruhet. Dette etterfølges av polering, ved bruk av både mekaniske og kjemisk-mekaniske poleringsteknikker (CMP) for å produsere skadefrie polerte silisiumkarbid (SiC)-wafere.

Etter polering gjennomgår SiC-wafere streng kvalitetsinspeksjon ved hjelp av instrumenter som optiske mikroskop og røntgendiffraktometre for å sikre at alle tekniske parametere oppfyller de nødvendige standardene. Til slutt rengjøres de polerte wafere med spesialiserte rengjøringsmidler og ultrarent vann for å fjerne overflateforurensninger. Deretter tørkes de med nitrogengass med ultrahøy renhet og sentrifuger, noe som fullfører hele produksjonsprosessen.

Etter årelang innsats har det blitt gjort betydelige fremskritt innen SiC-enkeltkrystallbehandling i Kina. Innenlands har 100 mm dopede halvisolerende 4H-SiC-enkeltkrystaller blitt utviklet med suksess, og n-type 4H-SiC- og 6H-SiC-enkeltkrystaller kan nå produseres i batcher. Selskaper som TankeBlue og TYST har allerede utviklet 150 mm SiC-enkeltkrystaller.

Når det gjelder SiC-waferbehandlingsteknologi, har innenlandske institusjoner foreløpig utforsket prosessforhold og ruter for krystallskjæring, sliping og polering. De er i stand til å produsere prøver som i utgangspunktet oppfyller kravene til enhetsfabrikasjon. Sammenlignet med internasjonale standarder henger imidlertid overflatebehandlingskvaliteten til innenlandske wafere fortsatt betydelig etter. Det er flere problemer:

Internasjonale SiC-teorier og prosesseringsteknologier er strengt beskyttet og ikke lett tilgjengelige.

Det mangler teoretisk forskning og støtte for prosessforbedring og optimalisering.

Kostnaden ved å importere utenlandsk utstyr og komponenter er høy.

Innenlandsk forskning på utstyrsdesign, prosesseringspresisjon og materialer viser fortsatt betydelige hull sammenlignet med internasjonale nivåer.

For tiden importeres de fleste høypresisjonsinstrumentene som brukes i Kina. Testutstyr og -metoder trenger også ytterligere forbedring.

Med den fortsatte utviklingen av tredjegenerasjons halvledere øker diameteren til SiC-enkeltkrystallsubstrater jevnt og trutt, sammen med høyere krav til overflatebehandlingskvalitet. Waferbehandlingsteknologi har blitt et av de mest teknisk utfordrende trinnene etter SiC-enkeltkrystallvekst.

For å håndtere eksisterende utfordringer innen prosessering er det viktig å studere mekanismene involvert i kutting, sliping og polering videre, og å utforske passende prosessmetoder og ruter for produksjon av SiC-wafere. Samtidig er det nødvendig å lære av avanserte internasjonale prosesseringsteknologier og ta i bruk toppmoderne ultrapresisjonsmaskineringsteknikker og -utstyr for å produsere substrater av høy kvalitet.

Etter hvert som waferstørrelsen øker, øker også vanskeligheten med krystallvekst og -prosessering. Produksjonseffektiviteten til nedstrømsenheter forbedres imidlertid betydelig, og enhetskostnaden reduseres. For tiden tilbyr de viktigste SiC-waferleverandørene globalt produkter med en diameter fra 4 tommer til 6 tommer. Ledende selskaper som Cree og II-VI har allerede begynt å planlegge utviklingen av 8-tommers SiC-waferproduksjonslinjer.