SiC վաֆլի մշակման տեխնոլոգիայի ներկայիս վիճակը և միտումները

Որպես երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային հիմքային նյութ,սիլիցիումի կարբիդ (SiC)Միաբյուրեղը լայն կիրառման հեռանկարներ ունի բարձր հաճախականության և բարձր հզորության էլեկտրոնային սարքերի արտադրության մեջ: SiC-ի մշակման տեխնոլոգիան որոշիչ դեր է խաղում բարձրորակ հիմքային նյութերի արտադրության մեջ: Այս հոդվածը ներկայացնում է SiC մշակման տեխնոլոգիաների վերաբերյալ հետազոտությունների ներկայիս վիճակը՝ ինչպես Չինաստանում, այնպես էլ արտերկրում՝ վերլուծելով և համեմատելով կտրման, հղկման և հղկման գործընթացների մեխանիզմները, ինչպես նաև վաֆլիների հարթության և մակերեսի կոպտության միտումները: Այն նաև մատնանշում է SiC վաֆլիի մշակման առկա մարտահրավերները և քննարկում է ապագա զարգացման ուղղությունները:

Սիլիցիումի կարբիդ (SiC)թիթեղները կարևորագույն հիմնարար նյութեր են երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային սարքերի համար և ունեն զգալի նշանակություն և շուկայական ներուժ այնպիսի ոլորտներում, ինչպիսիք են միկրոէլեկտրոնիկան, ուժային էլեկտրոնիկան և կիսահաղորդչային լուսավորությունը: Չափազանց բարձր կարծրության և քիմիական կայունության շնորհիվSiC միաբյուրեղներ, կիսահաղորդչային մշակման ավանդական մեթոդները լիովին հարմար չեն դրանց մեքենայացման համար: Չնայած շատ միջազգային ընկերություններ լայնածավալ հետազոտություններ են անցկացրել SiC միաբյուրեղների տեխնիկապես պահանջկոտ մշակման վերաբերյալ, համապատասխան տեխնոլոգիաները պահվում են խիստ գաղտնի:

Վերջին տարիներին Չինաստանը մեծացրել է SiC միաբյուրեղային նյութերի և սարքերի մշակման ջանքերը: Այնուամենայնիվ, SiC սարքերի տեխնոլոգիայի զարգացումը երկրում ներկայումս սահմանափակվում է մշակման տեխնոլոգիաների և թիթեղների որակի սահմանափակումներով: Հետևաբար, Չինաստանի համար կարևոր է բարելավել SiC մշակման կարողությունները՝ SiC միաբյուրեղային հիմքերի որակը բարելավելու և դրանց գործնական կիրառմանն ու զանգվածային արտադրությանը հասնելու համար:

Մշակման հիմնական քայլերն են՝ կտրում → կոպիտ հղկում → նուրբ հղկում → կոպիտ հղկում (մեխանիկական հղկում) → նուրբ հղկում (քիմիական մեխանիկական հղկում, CMP) → զննում։

SiC միաբյուրեղների կտրում

Մշակման մեջSiC միաբյուրեղներ, կտրումը առաջին և խիստ կարևոր քայլն է: Կտրման գործընթացից առաջացող վաֆլիի կորը, ծռվածքը և ընդհանուր հաստության փոփոխությունը (TTV) որոշում են հետագա հղկման և փայլեցման գործողությունների որակը և արդյունավետությունը:

Կտրող գործիքները կարելի է դասակարգել ըստ ձևի՝ ադամանդե ներքին տրամագծով (ID) սղոցներ, արտաքին տրամագծով (OD) սղոցներ, ժապավենային սղոցներ և մետաղալարե սղոցներ: Մետաղալարե սղոցները, իրենց հերթին, կարելի է դասակարգել իրենց շարժման տեսակի՝ փոխադարձ և օղակաձև (անվերջ) մետաղալարե համակարգերի: Հղկող նյութի կտրման մեխանիզմի հիման վրա մետաղալարե սղոցով կտրման տեխնիկան կարելի է բաժանել երկու տեսակի՝ ազատ հղկող մետաղալարե սղոց և ֆիքսված հղկող ադամանդե մետաղալարե սղոց:

1.1 Ավանդական կտրման մեթոդներ

Արտաքին տրամագծով (ՇՏ) սղոցների կտրման խորությունը սահմանափակվում է շեղբի տրամագծով: Կտրման գործընթացում շեղբը հակված է տատանումների և շեղման, ինչը հանգեցնում է աղմուկի բարձր մակարդակի և վատ կոշտության: Ներքին տրամագծով (ՇՏ) սղոցները շեղբի ներքին շրջագծի վրա օգտագործում են ադամանդե հղկող նյութեր՝ որպես կտրող եզր: Այս շեղբերը կարող են լինել մինչև 0.2 մմ բարակ: Կտրման ընթացքում ՇՏ շեղբը պտտվում է մեծ արագությամբ, մինչդեռ կտրվող նյութը շարժվում է ճառագայթաձև՝ շեղբի կենտրոնի նկատմամբ, հասնելով կտրման այս հարաբերական շարժման միջոցով:

Ադամանդե ժապավենային սղոցները պահանջում են հաճախակի կանգառներ և շրջադարձեր, իսկ կտրման արագությունը շատ ցածր է՝ սովորաբար չի գերազանցում 2 մ/վրկ-ը։ Դրանք նաև տառապում են զգալի մեխանիկական մաշվածությունից և բարձր սպասարկման ծախսերից։ Սղոցի շեղբի լայնության պատճառով կտրման շառավիղը չի կարող չափազանց փոքր լինել, և բազմաշերտ կտրումը հնարավոր չէ։ Այս ավանդական սղոց գործիքները սահմանափակված են հիմքի կոշտությամբ և չեն կարող կատարել կոր կտրվածքներ կամ ունենալ սահմանափակ պտտման շառավիղներ։ Դրանք ունակ են միայն ուղիղ կտրվածքների, առաջացնում են լայն կտրվածքներ, ունեն ցածր արտադրողականություն և, հետևաբար, անպիտան են կտրելու համար։SiC բյուրեղներ.

1.2 Անվճար հղկող մետաղալարային սղոցով բազմալարային կտրում

Ազատ հղկող մետաղալարով սղոցով կտրման տեխնիկան օգտագործում է մետաղալարի արագ շարժումը՝ խառնուրդը կտրվածքի մեջ տեղափոխելու համար, ինչը հնարավորություն է տալիս հեռացնել նյութը: Այն հիմնականում օգտագործում է փոխադարձ կառուցվածք և ներկայումս հասուն և լայնորեն օգտագործվող մեթոդ է միաբյուրեղային սիլիցիումի արդյունավետ բազմաբյուրեղային կտրման համար: Այնուամենայնիվ, դրա կիրառումը SiC կտրման մեջ պակաս լայնորեն ուսումնասիրված է:

Ազատ հղկող մետաղալարե սղոցները կարող են մշակել 300 մկմ-ից պակաս հաստությամբ թիթեղներ: Դրանք ապահովում են կտրվածքի ցածր կորուստ, հազվադեպ են առաջացնում ճաքեր և հանգեցնում են համեմատաբար լավ մակերեսի որակի: Այնուամենայնիվ, նյութի հեռացման մեխանիզմի պատճառով, որը հիմնված է հղկող նյութերի գլորման և խորացման վրա, թիթեղների մակերեսը հակված է զարգացնել զգալի մնացորդային լարվածություն, միկրոճաքեր և ավելի խորը վնասման շերտեր: Սա հանգեցնում է թիթեղների ծռմռման, դժվարացնում է մակերեսի պրոֆիլի ճշգրտության վերահսկումը և մեծացնում է հետագա մշակման փուլերի բեռը:

Կտրման արդյունավետության վրա մեծապես ազդում է խառնուրդը. անհրաժեշտ է պահպանել հղկող նյութերի սրությունը և խառնուրդի կոնցենտրացիան: Խառնուրդի մշակումը և վերամշակումը թանկ են: Մեծ չափի ձուլակտորներ կտրելիս հղկող նյութերը դժվարանում են թափանցել խորը և երկար կտրվածքներ: Նույն հղկող հատիկի չափի դեպքում կտրվածքի կորուստն ավելի մեծ է, քան ֆիքսված հղկող մետաղալարե սղոցների դեպքում:

1.3 Ֆիքսված հղկող ադամանդե մետաղալարային սղոցով բազմալարային կտրում

Ֆիքսված հղկող ադամանդե մետաղալարե սղոցները սովորաբար պատրաստվում են ադամանդի մասնիկներ պողպատե մետաղալարե հիմքի վրա ներդնելով՝ էլեկտրոլիզացման, սինտերացման կամ խեժային միացման մեթոդներով: Էլեկտրալիզացված ադամանդե մետաղալարե սղոցներն առաջարկում են այնպիսի առավելություններ, ինչպիսիք են՝ ավելի նեղ կտրվածքները, կտրման ավելի լավ որակը, ավելի բարձր արդյունավետությունը, աղտոտվածության ցածր մակարդակը և բարձր կարծրության նյութեր կտրելու հնարավորությունը:

SiC-ի կտրման ամենատարածված մեթոդը ներկայումս փոխադարձ էլեկտրոլիտիկացված ադամանդե մետաղալարով սղոցն է: Նկար 1-ը (այստեղ չի ցուցադրվում) պատկերում է այս տեխնիկայով կտրված SiC թիթեղների մակերևույթի հարթությունը: Կտրման ընթացքում թիթեղների ծռումը մեծանում է: Դա պայմանավորված է նրանով, որ մետաղալարի և նյութի միջև շփման մակերեսը մեծանում է, երբ մետաղալարը շարժվում է դեպի ներքև, մեծացնելով դիմադրությունը և մետաղալարի թրթռումը: Երբ մետաղալարը հասնում է թիթեղի առավելագույն տրամագծին, թրթռումը հասնում է իր գագաթնակետին, ինչը հանգեցնում է առավելագույն ծռման:

Կտրման ուշ փուլերում, մետաղալարի արագացման, կայուն արագությամբ շարժման, դանդաղեցման, կանգառի և շրջադարձի պատճառով, ինչպես նաև սառեցնող հեղուկով աղբը հեռացնելու դժվարությունների հետ մեկտեղ, թիթեղի մակերեսի որակը վատանում է: Մետաղալարի շրջադարձը և արագության տատանումները, ինչպես նաև մետաղալարի վրա ադամանդի խոշոր մասնիկները մակերեսային քերծվածքների հիմնական պատճառներն են:

1.4 Սառը տարանջատման տեխնոլոգիա

SiC միաբյուրեղների սառը բաժանումը նորարարական գործընթաց է երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութերի մշակման ոլորտում: Վերջին տարիներին այն մեծ ուշադրություն է գրավել արտադրողականության բարձրացման և նյութական կորստի նվազեցման իր նշանակալի առավելությունների շնորհիվ: Տեխնոլոգիան կարելի է վերլուծել երեք ասպեկտով՝ աշխատանքային սկզբունք, գործընթացի հոսք և հիմնական առավելություններ:

Բյուրեղների կողմնորոշման որոշում և արտաքին տրամագծի մանրացում. Մշակումից առաջ պետք է որոշվի SiC ձուլակտորի բյուրեղների կողմնորոշումը: Այնուհետև ձուլակտորը արտաքին տրամագծի մանրացման միջոցով ձևավորվում է գլանաձև կառուցվածքի (սովորաբար կոչվում է SiC փաք): Այս քայլը հիմք է հանդիսանում հետագա ուղղորդված կտրման և կտրատման համար:

Բազմալարային կտրում. Այս մեթոդը օգտագործում է հղկող մասնիկներ՝ համակցված կտրող մետաղալարերի հետ՝ գլանաձև ձուլակտորը կտրելու համար: Այնուամենայնիվ, այն տառապում է կտրվածքի զգալի կորստի և մակերեսի անհարթության խնդիրներից:

Լազերային կտրման տեխնոլոգիա. Լազերն օգտագործվում է բյուրեղի ներսում փոփոխված շերտ ձևավորելու համար, որից կարելի է անջատել բարակ շերտեր: Այս մոտեցումը նվազեցնում է նյութի կորուստը և բարձրացնում մշակման արդյունավետությունը, ինչը այն դարձնում է SiC թիթեղների կտրման խոստումնալից նոր ուղղություն:

Կտրման գործընթացի օպտիմալացում

Ֆիքսված հղկող բազմալար կտրում. Սա ներկայումս հիմնական տեխնոլոգիան է, որը լավ համապատասխանում է SiC-ի բարձր կարծրության բնութագրերին։

Էլեկտրական պարպման մեքենայացում (EDM) և սառը տարանջատման տեխնոլոգիա. Այս մեթոդները ապահովում են բազմազան լուծումներ, որոնք հարմարեցված են կոնկրետ պահանջներին:

Հղկման գործընթաց. Կարևոր է հավասարակշռել նյութի հեռացման արագությունը և մակերեսի վնասը: Մակերեսի միատարրությունը բարելավելու համար կիրառվում է քիմիական մեխանիկական հղկում (CMP):

Իրական ժամանակի մոնիթորինգ. ներդրվում են առցանց ստուգման տեխնոլոգիաներ՝ մակերեսի կոպտությունը իրական ժամանակում մոնիթորինգի ենթարկելու համար։

Լազերային կտրում. Այս տեխնիկան նվազեցնում է կտրվածքի կորուստը և կրճատում մշակման ցիկլերը, չնայած ջերմային ազդեցության գոտին շարունակում է խնդիր լինել:

Հիբրիդային մշակման տեխնոլոգիաներ. Մեխանիկական և քիմիական մեթոդների համադրությունը բարձրացնում է մշակման արդյունավետությունը։

Այս տեխնոլոգիան արդեն իսկ հասել է արդյունաբերական կիրառման։ Օրինակ՝ Infineon-ը ձեռք բերեց SILTECTRA-ն և այժմ ունի հիմնական արտոնագրեր, որոնք աջակցում են 8 դյույմանոց վաֆլիների զանգվածային արտադրությանը։ Չինաստանում Delong Laser-ի նման ընկերությունները 6 դյույմանոց վաֆլի մշակման համար հասել են մեկ ձուլակտորի համար 30 վաֆլի արտադրողականության, ինչը 40% բարելավում է ավանդական մեթոդների համեմատ։

Քանի որ տեղական սարքավորումների արտադրությունը արագանում է, այս տեխնոլոգիան, ինչպես սպասվում է, կդառնա SiC հիմքերի մշակման հիմնական լուծումը: Կիսահաղորդչային նյութերի տրամագծի աճին զուգընթաց, ավանդական կտրման մեթոդները դարձել են հնացած: Ներկայիս տարբերակների շարքում, փոխադարձ ադամանդե մետաղալարով սղոցի տեխնոլոգիան ցույց է տալիս ամենախոստումնալից կիրառման հեռանկարները: Լազերային կտրումը, որպես զարգացող տեխնիկա, առաջարկում է զգալի առավելություններ և, ինչպես սպասվում է, ապագայում կդառնա կտրման հիմնական մեթոդը:

2,SiC միաբյուրեղյա մանրացում

Որպես երրորդ սերնդի կիսահաղորդիչների ներկայացուցիչ, սիլիցիումի կարբիդը (SiC) առաջարկում է զգալի առավելություններ՝ շնորհիվ իր լայն արգելակային գոտու, բարձր ճեղքման էլեկտրական դաշտի, բարձր հագեցվածության էլեկտրոնային դրեյֆի արագության և գերազանց ջերմահաղորդականության: Այս հատկությունները SiC-ն դարձնում են հատկապես առավելություն բարձր լարման կիրառություններում (օրինակ՝ 1200 Վ միջավայրերում): SiC հիմքերի մշակման տեխնոլոգիան սարքերի արտադրության հիմնարար մասն է կազմում: Մակերեսի որակը և հիմքի ճշգրտությունը անմիջականորեն ազդում են էպիտաքսիալ շերտի որակի և վերջնական սարքի աշխատանքի վրա:

Հղկման գործընթացի հիմնական նպատակն է հեռացնել մակերեսային սղոցի հետքերը և կտրման ընթացքում առաջացած վնասված շերտերը, ինչպես նաև շտկել կտրման գործընթացի հետևանքով առաջացած դեֆորմացիան: Հաշվի առնելով SiC-ի չափազանց բարձր կարծրությունը, հղկման համար անհրաժեշտ է օգտագործել կոշտ հղկող նյութեր, ինչպիսիք են բորի կարբիդը կամ ադամանդը: Ավանդական հղկումը սովորաբար բաժանվում է խոշոր հղկման և նուրբ հղկման:

2.1 Կոպիտ և նուրբ մանրացում

Հղկումը կարելի է դասակարգել հղկող մասնիկների չափի հիման վրա՝

Կոպիտ հղկում. Ավելի խոշոր հղկող նյութերն օգտագործվում են հիմնականում սղոցի հետքերը և կտրատման ընթացքում առաջացած վնասված շերտերը հեռացնելու համար, ինչը բարելավում է մշակման արդյունավետությունը։

Մանր հղկում. Օգտագործվում են ավելի մանր հղկող նյութեր՝ կոպիտ հղկման հետևանքով առաջացած վնասված շերտը հեռացնելու, մակերեսի կոպտությունը նվազեցնելու և մակերեսի որակը բարելավելու համար։

Շատ տեղական SiC հիմք արտադրողներ օգտագործում են լայնածավալ արտադրական գործընթացներ: Տարածված մեթոդը ներառում է երկկողմանի հղկում՝ օգտագործելով թուջե թիթեղ և մոնոբյուրեղային ադամանդե խառնուրդ: Այս գործընթացը արդյունավետորեն հեռացնում է մետաղալարով սղոցման հետևանքով մնացած վնասված շերտը, ուղղում է վաֆլիի ձևը և նվազեցնում է TTV-ն (ընդհանուր հաստության տատանում), կորությունը և ծռվածությունը: Նյութի հեռացման արագությունը կայուն է, սովորաբար հասնում է 0.8–1.2 մկմ/րոպե: Այնուամենայնիվ, արդյունքում ստացված վաֆլիի մակերեսը անփայլ է՝ համեմատաբար բարձր կոպտությամբ՝ սովորաբար մոտ 50 նմ, ինչը հետագա հղկման քայլերի վրա ավելի բարձր պահանջներ է առաջացնում:

2.2 Միակողմանի հղկում

Միակողմանի հղկումը միաժամանակ մշակում է թիթեղի միայն մեկ կողմը: Այս գործընթացի ընթացքում թիթեղը մոմապատվում է պողպատե թիթեղի վրա: Կիրառվող ճնշման տակ հիմքը ենթարկվում է աննշան դեֆորմացիայի, և վերին մակերեսը հարթվում է: Հղկումից հետո ստորին մակերեսը հարթեցվում է: Երբ ճնշումը վերանում է, վերին մակերեսը հակված է վերականգնել իր սկզբնական ձևը, ինչը նաև ազդում է արդեն հղկված ստորին մակերեսի վրա՝ առաջացնելով երկու կողմերի ծռում և հարթության քայքայում:

Ավելին, հղկող թիթեղը կարող է կարճ ժամանակում գոգավոր դառնալ, ինչը կհանգեցնի թիթեղի ուռուցիկ դառնալուն: Թիթեղի հարթությունը պահպանելու համար անհրաժեշտ է հաճախակի մշակում: Ցածր արդյունավետության և թիթեղի վատ հարթության պատճառով միակողմանի հղկումը հարմար չէ զանգվածային արտադրության համար:

Սովորաբար, նուրբ հղկման համար օգտագործվում են #8000 հղկող սկավառակներ: Ճապոնիայում այս գործընթացը համեմատաբար զարգացած է և նույնիսկ օգտագործվում են #30000 հղկող սկավառակներ: Սա թույլ է տալիս մշակված վաֆլիների մակերեսային կոպտությունը հասցնել 2 նմ-ից ցածր, ինչը վաֆլիները պատրաստ է դարձնում վերջնական CMP-ի (քիմիական մեխանիկական հղկում) համար՝ առանց լրացուցիչ մշակման:

2.3 Միակողմանի նոսրացման տեխնոլոգիա

Ադամանդե միակողմանի նոսրացման տեխնոլոգիան միակողմանի հղկման նորարարական մեթոդ է: Ինչպես պատկերված է նկար 5-ում (այստեղ չի ցուցադրվում), գործընթացում օգտագործվում է ադամանդե կապակցված հղկման թիթեղ: Վաֆլին ամրացվում է վակուումային ադսորբցիայի միջոցով, մինչդեռ և՛ վաֆլին, և՛ ադամանդե հղկող սկավառակը պտտվում են միաժամանակ: Հղկող սկավառակը աստիճանաբար շարժվում է ներքև՝ վաֆլին նոսրացնելու համար մինչև նպատակային հաստությունը: Մի կողմի մշակումից հետո վաֆլին շրջվում է՝ մյուս կողմը մշակելու համար:

Նոսրացումից հետո 100 մմ տրամագծով վաֆլիով կարելի է հասնել հետևյալին.

Աղեղ < 5 մկմ

TTV < 2 մկմ

Մակերեսային կոպտություն < 1 նմ

Այս մեկ թիթեղյա մշակման մեթոդը ապահովում է բարձր կայունություն, գերազանց խտություն և նյութի հեռացման բարձր մակարդակ: Համեմատած ավանդական երկկողմանի հղկման հետ, այս տեխնիկան բարելավում է հղկման արդյունավետությունը ավելի քան 50%-ով:

2.4 Երկկողմանի հղկում

Երկկողմանի հղկման դեպքում օգտագործվում են վերին և ստորին հղկող թիթեղներ՝ հիմքի երկու կողմերը միաժամանակ հղկելու համար, ապահովելով երկու կողմերից էլ գերազանց մակերեսի որակ:

Գործընթացի ընթացքում հղկման թիթեղները նախ ճնշում են գործադրում աշխատանքային մասի ամենաբարձր կետերի վրա՝ առաջացնելով դեֆորմացիա և նյութի աստիճանական հեռացում այդ կետերում: Երբ բարձր կետերը հարթվում են, հիմքի վրա ճնշումը աստիճանաբար դառնում է ավելի միատարր, ինչը հանգեցնում է ամբողջ մակերեսի վրա հաստատուն դեֆորմացիայի: Սա թույլ է տալիս հավասարաչափ հղկել և՛ վերին, և՛ ստորին մակերեսները: Հղկումն ավարտվելուց և ճնշումը թեթևացնելուց հետո, հիմքի յուրաքանչյուր մասը հավասարաչափ վերականգնվում է իր վրա կրած հավասար ճնշման շնորհիվ: Սա հանգեցնում է նվազագույն ծռմռման և լավ հարթության:

Հղկումից հետո վաֆլիի մակերեսային կոպտությունը կախված է հղկող մասնիկի չափից. ավելի փոքր մասնիկները տալիս են ավելի հարթ մակերեսներ: Երկկողմանի հղկման համար 5 մկմ հղկող նյութեր օգտագործելիս վաֆլիի հարթությունը և հաստության տատանումը կարելի է վերահսկել 5 մկմ-ի սահմաններում: Ատոմային ուժային մանրադիտակի (AFM) չափումները ցույց են տալիս մոտ 100 նմ մակերեսային կոպտություն (Rq), մինչև 380 նմ խորությամբ հղկող փոսերով և հղկող ազդեցության հետևանքով առաջացած տեսանելի գծային հետքերով:

Ավելի առաջադեմ մեթոդը ներառում է երկկողմանի հղկում՝ օգտագործելով պոլիուրեթանային փրփուրե բարձիկներ՝ համակցված պոլիբյուրեղային ադամանդե խառնուրդի հետ: Այս գործընթացը արտադրում է շատ ցածր մակերևութային կոպտությամբ թիթեղներ, որոնք հասնում են Ra < 3 նմ-ի, ինչը խիստ օգտակար է SiC հիմքերի հետագա հղկման համար:

Սակայն մակերեսային քերծվածքը մնում է չլուծված խնդիր։ Բացի այդ, այս գործընթացում օգտագործվող պոլիբյուրեղային ադամանդը ստացվում է պայթուցիկ սինթեզի միջոցով, որը տեխնիկապես դժվար է, տալիս է փոքր քանակություններ և չափազանց թանկ է։

SiC միաբյուրեղների հղկում

Սիլիցիումի կարբիդային (SiC) վեֆլերի վրա բարձրորակ հղկված մակերես ստանալու համար հղկման ժամանակ պետք է ամբողջությամբ հեռացվեն հղկման փոսիկները և նանոմետրական մասշտաբի մակերեսային ալիքները: Նպատակն է ստանալ հարթ, թերություններից զերծ մակերես՝ առանց աղտոտման կամ քայքայման, առանց ենթամակերեսային վնասների և առանց մնացորդային մակերեսային լարվածության:

3.1 SiC թիթեղների մեխանիկական հղկում և CMP

SiC միաբյուրեղային ձուլակտորի աճեցումից հետո մակերեսային թերությունները թույլ չեն տալիս այն ուղղակիորեն օգտագործել էպիտաքսիալ աճի համար: Հետևաբար, անհրաժեշտ է հետագա մշակում: Ձուլակտորը նախ կլորացման միջոցով ձևավորվում է ստանդարտ գլանաձև ձևի, այնուհետև մետաղալարով կտրատվում է վաֆլիների, որին հաջորդում է բյուրեղագրական կողմնորոշման ստուգումը: Հղկումը վաֆլիի որակը բարելավելու կարևոր քայլ է, որը լուծում է բյուրեղի աճի թերությունների և նախորդ մշակման փուլերի պատճառով առաջացած մակերեսային հնարավոր վնասը:

SiC-ի մակերեսային վնասված շերտերը հեռացնելու չորս հիմնական մեթոդ կա.

Մեխանիկական հղկում. Պարզ է, բայց թողնում է քերծվածքներ, հարմար է նախնական հղկման համար։

Քիմիական մեխանիկական հղկում (CMP): Հեռացնում է քերծվածքները քիմիական փորագրման միջոցով։ Հարմար է ճշգրիտ հղկման համար։

Ջրածնային փորագրություն. Պահանջում է բարդ սարքավորումներ, որոնք սովորաբար օգտագործվում են HTCVD գործընթացներում:

Պլազմային օգնությամբ հղկում. բարդ է և հազվադեպ է կիրառվում։

Միայն մեխանիկական հղկումը հակված է քերծվածքներ առաջացնելու, մինչդեռ միայն քիմիական հղկումը կարող է հանգեցնել անհավասար փորագրման: CMP-ն համատեղում է երկու առավելություններն էլ և առաջարկում է արդյունավետ, մատչելի լուծում:

CMP-ի աշխատանքային սկզբունքը

CMP-ն աշխատում է վաֆլի պտտեցմամբ՝ պտտվող հղկող բարձիկի դեմ որոշակի ճնշման տակ։ Այս հարաբերական շարժումը, զուգորդված խառնուրդի մեջ առկա նանոչափի հղկող նյութերի մեխանիկական քերծվածքի և ռեակտիվ նյութերի քիմիական ազդեցության հետ, ապահովում է մակերեսի հարթեցում։

Օգտագործված հիմնական նյութեր՝

Փայլեցնող շաղախ. Պարունակում է հղկող նյութեր և քիմիական ռեակտիվներ:

Փայլեցնող բարձիկ. Օգտագործման ընթացքում մաշվում է՝ նվազեցնելով ծակոտիների չափը և շաղախի մատակարարման արդյունավետությունը: Կոպիտությունը վերականգնելու համար անհրաժեշտ է կանոնավոր մշակում, սովորաբար ադամանդե մշակման մեքենայով:

Տիպիկ CMP գործընթաց

Հղկող նյութ՝ 0.5 մկմ ադամանդե խառնուրդ

Նպատակային մակերեսի կոպտություն՝ ~0.7 նմ

Քիմիական մեխանիկական հղկում.

Փայլեցնող սարքավորումներ՝ AP-810 միակողմանի փայլեցնող սարք

Ճնշումը՝ 200 գ/սմ²

Թիթեղի արագությունը՝ 50 պտույտ/րոպե

Կերամիկական պահոցի պտտման արագությունը՝ 38 պտ/րոպե

Շաղախի կազմը.

SiO₂ (30 զանգվածային%, pH = 10.15)

0–70 զանգվածային% H₂O₂ (30 զանգվածային%, ռեակտիվի որակի)

Կարգավորեք pH-ը մինչև 8.5՝ օգտագործելով 5 զանգվածային % KOH և 1 զանգվածային % HNO₃

Շիճուկի հոսքի արագությունը՝ 3 լ/րոպե, շրջանառվող

Այս գործընթացը արդյունավետորեն բարելավում է SiC թիթեղների որակը և բավարարում է հետագա գործընթացների պահանջները։

Մեխանիկական հղկման տեխնիկական մարտահրավերները

SiC-ը, որպես լայն գոտիական բացվածքով կիսահաղորդիչ, կարևոր դեր է խաղում էլեկտրոնիկայի արդյունաբերության մեջ: Գերազանց ֆիզիկական և քիմիական հատկություններով, SiC միաբյուրեղները հարմար են ծայրահեղ միջավայրերի համար, ինչպիսիք են բարձր ջերմաստիճանը, բարձր հաճախականությունը, բարձր հզորությունը և ճառագայթային դիմադրությունը: Այնուամենայնիվ, դրա կարծր և փխրուն բնույթը լուրջ մարտահրավերներ է ներկայացնում հղկման և հղկման համար:

Քանի որ առաջատար համաշխարհային արտադրողները 6 դյույմանոց վաֆլիներից անցնում են 8 դյույմանոց վաֆլիների, մշակման ընթացքում վաֆլիների ճաքերի և վնասման նման խնդիրները դարձել են ավելի ցայտուն, ինչը զգալիորեն ազդում է արտադրողականության վրա: 8 դյույմանոց SiC հիմքերի տեխնիկական մարտահրավերների լուծումն այժմ ոլորտի զարգացման հիմնական չափանիշն է:

8 դյույմանոց դարաշրջանում SiC վաֆլի մշակումը բախվում է բազմաթիվ մարտահրավերների.

Վաֆլերի մասշտաբավորումը անհրաժեշտ է չիպերի խմբաքանակի արտադրությունը մեծացնելու, եզրերի կորուստը նվազեցնելու և արտադրական ծախսերը իջեցնելու համար, հատկապես էլեկտրական տրանսպորտային միջոցների կիրառման աճող պահանջարկի հաշվի առնելով։

Թեև 8 դյույմանոց SiC միաբյուրեղների աճը հասունացել է, հետին պլանում իրականացվող գործընթացները, ինչպիսիք են հղկումը և փայլեցումը, դեռևս բախվում են խոչընդոտների, ինչը հանգեցնում է ցածր արտադրողականության (ընդամենը 40-50%):

Ավելի մեծ վեֆլիները ենթարկվում են ավելի բարդ ճնշման բաշխման, ինչը մեծացնում է հղկման լարման և բերքատվության կայունության կառավարման դժվարությունը։

Չնայած 8 դյույմանոց վեֆլիների հաստությունը մոտենում է 6 դյույմանոց վեֆլիների հաստությանը, դրանք ավելի հակված են վնասվելու մշակման ընթացքում՝ լարվածության և ծռման պատճառով։

Կտրման հետ կապված լարվածությունը, ծռումը և ճաքերը նվազեցնելու համար լազերային կտրումը ավելի ու ավելի է օգտագործվում։ Այնուամենայնիվ,

Երկար ալիքի երկարությամբ լազերները ջերմային վնաս են պատճառում։

Կարճալիքային լազերները առաջացնում են ծանր բեկորներ և խորացնում վնասված շերտը՝ մեծացնելով հղկման բարդությունը։

SiC-ի մեխանիկական հղկման աշխատանքային հոսք

Գործընթացի ընդհանուր հոսքը ներառում է.

Կողմնորոշման կտրում

Կոպիտ մանրացում

նուրբ մանրացում

Մեխանիկական հղկում

Քիմիական մեխանիկական հղկում (CMP) որպես վերջնական քայլ

Կիսահաղորդչային արտադրության մեջ CMP մեթոդի ընտրությունը, գործընթացի ուղու նախագծումը և պարամետրերի օպտիմալացումը կարևորագույն նշանակություն ունեն: Կիսահաղորդչային արտադրության մեջ CMP-ն որոշիչ քայլ է SiC թիթեղներ ստանալու համար՝ գերհարթ, թերություններից զերծ և վնասվածքներից զերծ մակերեսներով, որոնք կարևոր են բարձրորակ էպիտաքսիալ աճի համար:

(ա) Հեռացրեք SiC ձուլակտորը հալքանոթից։

(բ) Կատարել նախնական ձևավորումը՝ օգտագործելով արտաքին տրամագծի հղկում։

(գ) Որոշեք բյուրեղի կողմնորոշումը՝ օգտագործելով հավասարեցման հարթ գծեր կամ կտրվածքներ։

(դ) Կտրեք ձուլակտորը բարակ թիթեղների՝ օգտագործելով բազմալար սղոց։

(ե) Հասնել հայելու նման մակերեսային հարթության՝ հղկման և փայլեցման փուլերի միջոցով։

Մշակման քայլերի շարքն ավարտելուց հետո SiC թիթեղի արտաքին եզրը հաճախ սուր է դառնում, ինչը մեծացնում է ճաքերի առաջացման ռիսկը մշակման կամ օգտագործման ընթացքում: Նման փխրունությունից խուսափելու համար անհրաժեշտ է եզրերի հղկում:

Ավանդական կտրատման գործընթացներից բացի, SiC վաֆլի պատրաստման նորարարական մեթոդը ներառում է կապակցման տեխնոլոգիա: Այս մոտեցումը հնարավորություն է տալիս վաֆլի պատրաստել՝ բարակ SiC միաբյուրեղային շերտը կապելով տարասեռ հիմքի (կրող հիմքի) հետ:

Նկար 3-ը պատկերում է գործընթացի հոսքը.

Նախ, SiC միաբյուրեղի մակերեսին որոշակի խորության վրա ձևավորվում է շերտազատման շերտ՝ ջրածնի իոնների իմպլանտացիայի կամ նմանատիպ տեխնիկայի միջոցով: Այնուհետև մշակված SiC միաբյուրեղը միացվում է հարթ կրող հիմքին և ենթարկվում ճնշման և ջերմության: Սա հնարավորություն է տալիս SiC միաբյուրեղային շերտը հաջողությամբ տեղափոխել և առանձնացնել կրող հիմքի վրա:

Առանձնացված SiC շերտը ենթարկվում է մակերեսային մշակման՝ անհրաժեշտ հարթությանը հասնելու համար, և կարող է վերօգտագործվել հետագա կապման գործընթացներում: SiC բյուրեղների ավանդական կտրատման համեմատ, այս տեխնիկան նվազեցնում է թանկարժեք նյութերի պահանջարկը: Չնայած տեխնիկական մարտահրավերները մնում են, հետազոտություններն ու մշակումները ակտիվորեն առաջ են շարժվում՝ ավելի ցածր գնով վաֆլի արտադրություն ապահովելու համար:

Հաշվի առնելով SiC-ի բարձր կարծրությունը և քիմիական կայունությունը, ինչը այն դարձնում է սենյակային ջերմաստիճանում ռեակցիաների նկատմամբ դիմացկուն, անհրաժեշտ է մեխանիկական հղկում՝ մանր հղկման փոսիկները հեռացնելու, մակերեսային վնասվածքները նվազեցնելու, քերծվածքները, փոսիկները և նարնջի կեղևի թերությունները վերացնելու, մակերեսի կոպտությունը նվազեցնելու, հարթությունը բարելավելու և մակերեսի որակը բարելավելու համար։

Բարձրորակ փայլեցված մակերես ստանալու համար անհրաժեշտ է.

Կարգավորեք հղկող տեսակները,

Նվազեցնել մասնիկների չափը,

Գործընթացի պարամետրերի օպտիմալացում,

Ընտրեք բավարար կարծրության փայլեցնող նյութեր և բարձիկներ։

Նկար 7-ը ցույց է տալիս, որ 1 մկմ հղկող նյութերով երկկողմանի հղկումը կարող է կարգավորել հարթությունը և հաստության տատանումները 10 մկմ-ի սահմաններում և նվազեցնել մակերեսի կոպտությունը մինչև մոտ 0.25 նմ:

3.2 Քիմիական մեխանիկական հղկում (ՔՄՀ)

Քիմիական մեխանիկական հղկումը (ՔՄՀ) համատեղում է գերմանր մասնիկների մաշումը քիմիական փորագրման հետ՝ մշակվող նյութի վրա հարթ, հարթ մակերես ստեղծելու համար: Հիմնական սկզբունքն է.

Քիմիական ռեակցիա է տեղի ունենում փայլեցնող շաղախի և վաֆլիի մակերեսի միջև, որի արդյունքում առաջանում է փափուկ շերտ։

Հղկող մասնիկների և փափուկ շերտի միջև շփումը հեռացնում է նյութը։

CMP-ի առավելությունները՝

Հաղթահարում է զուտ մեխանիկական կամ քիմիական հղկման թերությունները,

Հասնում է ինչպես գլոբալ, այնպես էլ տեղային պլանարիզացիայի,

Ստեղծում է բարձր հարթություն և ցածր կոպտություն ունեցող մակերեսներ,

Չի թողնում մակերեսային կամ ենթամակերեսային վնասվածքներ։

Մանրամասնորեն՝

Վաֆլինը ճնշման տակ շարժվում է հղկող բարձիկի նկատմամբ։

Շաղախի մեջ պարունակվող նանոմետրային մասշտաբի հղկող նյութերը (օրինակ՝ SiO₂) մասնակցում են կտրմանը, թուլացնում Si-C կովալենտ կապերը և ուժեղացնում նյութի հեռացումը։

CMP տեխնիկաների տեսակները՝

Ազատ հղկող հղկում. Հղկող նյութերը (օրինակ՝ SiO₂) կախված են խառնուրդի մեջ: Նյութի հեռացումը տեղի է ունենում եռամաս հղկման միջոցով (վաֆլի-բարձիկ-հղկող): Հղկող նյութի չափը (սովորաբար 60–200 նմ), pH-ը և ջերմաստիճանը պետք է ճշգրիտ վերահսկվեն՝ միատարրությունը բարելավելու համար:

Ֆիքսված հղկող հղկում. հղկող նյութերը ներդրված են հղկող սկավառակի մեջ՝ կուտակումը կանխելու համար, ինչը իդեալական է բարձր ճշգրտության մշակման համար։

Մաքրում փայլեցումից հետո.

Փայլեցված վաֆլիները ենթարկվում են.

Քիմիական մաքրում (ներառյալ անջատված ջրի և շլամի մնացորդների հեռացումը),

DI ջրով լվացում, և

Տաք ազոտային չորացում

մակերեսային աղտոտիչները նվազագույնի հասցնելու համար։

Մակերեսի որակը և կատարողականությունը

Մակերեսի կոպտությունը կարող է նվազեցվել մինչև Ra < 0.3 նմ, ինչը բավարարում է կիսահաղորդչային էպիտաքսիայի պահանջները։

Գլոբալ պլանարիզացիա. Քիմիական մեղմացման և մեխանիկական հեռացման համադրությունը նվազեցնում է քերծվածքները և անհավասար փորագրությունը՝ գերազանցելով մաքուր մեխանիկական կամ քիմիական մեթոդներին։

Բարձր արդյունավետություն. Հարմար է SiC-ի նման կոշտ և փխրուն նյութերի համար, որի նյութի հեռացման արագությունը գերազանցում է 200 նմ/ժ-ը։

Այլ զարգացող հղկման տեխնիկաներ

Բացի CMP-ից, առաջարկվել են նաև այլընտրանքային մեթոդներ, այդ թվում՝

Էլեկտրաքիմիական հղկում, կատալիզատորով հղկում կամ փորագրում, և

Տրիբոքիմիական հղկում։

Սակայն այս մեթոդները դեռևս հետազոտության փուլում են և դանդաղ են զարգացել SiC-ի նյութական դժվար հատկությունների պատճառով։

Վերջին հաշվով, SiC մշակումը մակերեսի որակը բարելավելու համար ծռվածության և կոպտության նվազեցման աստիճանական գործընթաց է, որտեղ հարթության և կոպտության վերահսկումը կարևորագույն նշանակություն ունեն յուրաքանչյուր փուլում։

Մշակման տեխնոլոգիա

Վաֆլիի հղկման փուլում տարբեր մասնիկների չափսերով ադամանդե խառնուրդ է օգտագործվում՝ վաֆլին անհրաժեշտ հարթությանը և մակերեսային կոպտությանը հասնելու համար: Դրան հաջորդում է հղկումը՝ օգտագործելով ինչպես մեխանիկական, այնպես էլ քիմիական մեխանիկական հղկման (CMP) տեխնիկա՝ վնասվածքներից զերծ հղկված սիլիցիումի կարբիդային (SiC) վաֆլի ստանալու համար:

Հղկումից հետո SiC թիթեղները ենթարկվում են խիստ որակի ստուգման՝ օգտագործելով այնպիսի գործիքներ, ինչպիսիք են օպտիկական մանրադիտակները և ռենտգենյան դիֆրակտոմետրերը՝ ապահովելու համար, որ բոլոր տեխնիկական պարամետրերը համապատասխանում են պահանջվող չափանիշներին: Վերջապես, հղկված թիթեղները մաքրվում են մասնագիտացված մաքրող միջոցներով և գերմաքուր ջրով՝ մակերեսային աղտոտիչները հեռացնելու համար: Այնուհետև դրանք չորացվում են գերբարձր մաքրության ազոտային գազով և պտտվող չորանոցներով, որոնք ավարտում են ամբողջ արտադրական գործընթացը:

Տարիների ջանքերից հետո, Չինաստանում SiC միաբյուրեղների մշակման ոլորտում զգալի առաջընթաց է գրանցվել: Երկրի ներսում հաջողությամբ մշակվել են 100 մմ լեգիրված կիսամեկուսիչ 4H-SiC միաբյուրեղներ, և n-տիպի 4H-SiC և 6H-SiC միաբյուրեղները այժմ կարող են արտադրվել խմբաքանակներով: TankeBlue-ի և TYST-ի նման ընկերություններն արդեն մշակել են 150 մմ SiC միաբյուրեղներ:

SiC վաֆլիի մշակման տեխնոլոգիայի առումով, տեղական հաստատությունները նախապես ուսումնասիրել են բյուրեղների կտրատման, մանրացման և հղկման գործընթացային պայմաններն ու ուղիները: Նրանք ի վիճակի են արտադրել նմուշներ, որոնք հիմնականում համապատասխանում են սարքերի արտադրության պահանջներին: Այնուամենայնիվ, միջազգային չափանիշների համեմատ, տեղական վաֆլիների մակերեսային մշակման որակը դեռևս զգալիորեն հետ է մնում: Կան մի քանի խնդիրներ.

Միջազգային SiC տեսություններն ու մշակման տեխնոլոգիաները խստորեն պաշտպանված են և հեշտությամբ հասանելի չեն։

Գործընթացների բարելավման և օպտիմալացման համար տեսական հետազոտությունների և աջակցության պակաս կա։

Արտասահմանյան սարքավորումների և բաղադրիչների ներմուծման արժեքը բարձր է։

Սարքավորումների նախագծման, մշակման ճշգրտության և նյութերի վերաբերյալ ներքին հետազոտությունները դեռևս ցույց են տալիս զգալի բացթողումներ միջազգային մակարդակի համեմատ։

Ներկայումս Չինաստանում օգտագործվող բարձր ճշգրտության գործիքների մեծ մասը ներմուծվում է։ Փորձարկման սարքավորումներն ու մեթոդաբանությունները նույնպես հետագա կատարելագործման կարիք ունեն։

Երրորդ սերնդի կիսահաղորդիչների շարունակական զարգացման հետ մեկտեղ, SiC միաբյուրեղային հիմքերի տրամագիծը կայուն աճում է, ինչպես նաև մակերեսային մշակման որակի նկատմամբ ավելի բարձր պահանջներ են առաջանում: Թիթեղների մշակման տեխնոլոգիան դարձել է SiC միաբյուրեղային աճեցումից հետո տեխնիկապես ամենաբարդ քայլերից մեկը:

Մշակման ոլորտում առկա մարտահրավերները լուծելու համար անհրաժեշտ է հետագա ուսումնասիրել կտրման, հղկման և հղկման մեխանիզմները, ինչպես նաև ուսումնասիրել SiC թիթեղների արտադրության համար համապատասխան գործընթացային մեթոդներն ու ուղիները: Միևնույն ժամանակ, անհրաժեշտ է սովորել առաջադեմ միջազգային վերամշակման տեխնոլոգիաներից և ներդնել ժամանակակից գերճշգրիտ մեքենայացման տեխնիկաներ և սարքավորումներ՝ բարձրորակ հիմքեր ստանալու համար:

Վաֆլիի չափի մեծացմանը զուգընթաց մեծանում է նաև բյուրեղների աճեցման և մշակման դժվարությունը։ Այնուամենայնիվ, ներքևի մասերի արտադրության արդյունավետությունը զգալիորեն բարելավվում է, և միավորի արժեքը նվազում է։ Ներկայումս SiC վաֆլիի հիմնական մատակարարները համաշխարհային մասշտաբով առաջարկում են 4 դյույմից մինչև 6 դյույմ տրամագծով արտադրանք։ Առաջատար ընկերությունները, ինչպիսիք են Cree-ն և II-VI-ը, արդեն սկսել են պլանավորել 8 դյույմանոց SiC վաֆլիի արտադրության գծերի մշակումը։