P: Quais são as principais tecnologias usadas no fatiamento e processamento de wafers de SiC?
A:Carboneto de silício (SiC) tem uma dureza inferior apenas à do diamante e é considerado um material altamente duro e quebradiço. O processo de fatiamento, que envolve o corte dos cristais crescidos em lâminas finas, é demorado e propenso a lascas. Como primeira etapaSiCNo processamento de cristais únicos, a qualidade do fatiamento influencia significativamente a retificação, o polimento e o desbaste subsequentes. O fatiamento frequentemente introduz trincas superficiais e subsuperficiais, aumentando as taxas de quebra de wafers e os custos de produção. Portanto, controlar os danos causados pelas trincas superficiais durante o fatiamento é crucial para o avanço da fabricação de dispositivos de SiC.
Os métodos de fatiamento de SiC atualmente relatados incluem fatiamento com abrasivo fixo, fatiamento com abrasivo livre, corte a laser, transferência de camadas (separação a frio) e fatiamento por descarga elétrica. Dentre eles, o fatiamento reciprocante de múltiplos fios com abrasivos diamantados fixos é o método mais comumente utilizado para o processamento de monocristais de SiC. No entanto, à medida que os tamanhos dos lingotes atingem 20 cm ou mais, o corte com fio tradicional torna-se menos prático devido à alta demanda de equipamentos, aos custos e à baixa eficiência. Há uma necessidade urgente de tecnologias de fatiamento de baixo custo, baixas perdas e alta eficiência.
P: Quais são as vantagens do corte a laser em relação ao corte multifio tradicional?
A: A serra de arame tradicional corta olingote de SiCao longo de uma direção específica, em fatias com centenas de micrômetros de espessura. As fatias são então moídas com pastas de diamante para remover marcas de serra e danos subsuperficiais, seguidas de polimento químico-mecânico (CMP) para obter planarização global e, finalmente, limpas para obter wafers de SiC.
No entanto, devido à alta dureza e fragilidade do SiC, essas etapas podem facilmente causar empenamento, rachaduras, aumento nas taxas de quebra, custos de produção mais elevados e resultar em alta rugosidade superficial e contaminação (poeira, águas residuais, etc.). Além disso, o corte com fio é lento e apresenta baixo rendimento. Estimativas mostram que o corte tradicional com múltiplos fios atinge apenas cerca de 50% de aproveitamento do material, e até 75% do material é perdido após o polimento e a retificação. Dados iniciais de produção estrangeira indicavam que seriam necessários aproximadamente 273 dias de produção contínua de 24 horas para produzir 10.000 wafers — um processo muito demorado.
No mercado interno, muitas empresas de crescimento de cristais de SiC estão focadas em aumentar a capacidade dos fornos. No entanto, em vez de apenas expandir a produção, é mais importante considerar como reduzir as perdas — especialmente quando os rendimentos do crescimento de cristais ainda não são ideais.
Equipamentos de corte a laser podem reduzir significativamente a perda de material e melhorar o rendimento. Por exemplo, usando um único cortador de 20 mmlingote de SiCO corte com fio pode produzir cerca de 30 wafers com espessura de 350 μm. O fatiamento a laser pode produzir mais de 50 wafers. Se a espessura do wafer for reduzida para 200 μm, mais de 80 wafers podem ser produzidos a partir do mesmo lingote. Embora o corte com fio seja amplamente utilizado para wafers de 6 polegadas ou menos, o fatiamento de um lingote de SiC de 8 polegadas pode levar de 10 a 15 dias com os métodos tradicionais, exigindo equipamentos de última geração e incorrendo em altos custos com baixa eficiência. Nessas condições, as vantagens do fatiamento a laser tornam-se claras, tornando-o a tecnologia predominante do futuro para wafers de 8 polegadas.
Com o corte a laser, o tempo de fatiamento por wafer de 8 polegadas pode ser inferior a 20 minutos, com perda de material por wafer inferior a 60 μm.
Em resumo, comparado ao corte multifios, o fatiamento a laser oferece maior velocidade, melhor rendimento, menor perda de material e processamento mais limpo.
P: Quais são os principais desafios técnicos no fatiamento a laser de SiC?
R: O processo de fatiamento a laser envolve duas etapas principais: modificação a laser e separação do wafer.
O cerne da modificação a laser é a modelagem do feixe e a otimização dos parâmetros. Parâmetros como potência do laser, diâmetro do ponto e velocidade de varredura afetam a qualidade da ablação do material e o sucesso da separação subsequente do wafer. A geometria da zona modificada determina a rugosidade da superfície e a dificuldade de separação. Uma rugosidade superficial elevada dificulta a retificação posterior e aumenta a perda de material.
Após a modificação, a separação do wafer é normalmente obtida por meio de forças de cisalhamento, como fratura a frio ou estresse mecânico. Alguns sistemas domésticos utilizam transdutores ultrassônicos para induzir vibrações na separação, mas isso pode causar lascas e defeitos nas bordas, reduzindo o rendimento final.
Embora essas duas etapas não sejam inerentemente difíceis, inconsistências na qualidade do cristal — devido a diferentes processos de crescimento, níveis de dopagem e distribuições internas de tensões — afetam significativamente a dificuldade de fatiamento, o rendimento e a perda de material. A mera identificação de áreas problemáticas e o ajuste das zonas de varredura a laser podem não melhorar substancialmente os resultados.
A chave para a adoção generalizada está no desenvolvimento de métodos e equipamentos inovadores que possam se adaptar a uma ampla gama de qualidades de cristais de vários fabricantes, otimizando parâmetros de processo e construindo sistemas de fatiamento a laser com aplicabilidade universal.
P: A tecnologia de fatiamento a laser pode ser aplicada a outros materiais semicondutores além do SiC?
R: A tecnologia de corte a laser tem sido historicamente aplicada a uma ampla gama de materiais. Em semicondutores, foi inicialmente usada para corte de wafers e, desde então, expandiu-se para o corte de grandes volumes de monocristais.
Além do SiC, o fatiamento a laser também pode ser usado para outros materiais duros ou quebradiços, como diamante, nitreto de gálio (GaN) e óxido de gálio (Ga₂O₃). Estudos preliminares com esses materiais demonstraram a viabilidade e as vantagens do fatiamento a laser para aplicações em semicondutores.
P: Existem equipamentos nacionais de corte a laser já desenvolvidos? Em que estágio está a sua pesquisa?
R: Equipamentos de fatiamento a laser de SiC de grande diâmetro são amplamente considerados equipamentos essenciais para o futuro da produção de wafers de SiC de 8 polegadas. Atualmente, apenas o Japão pode fornecer tais sistemas, que são caros e sujeitos a restrições de exportação.
Estima-se que a demanda doméstica por sistemas de fatiamento/desbaste a laser seja de cerca de 1.000 unidades, com base nos planos de produção de SiC e na capacidade existente de serras de fio. Grandes empresas nacionais investiram pesadamente em desenvolvimento, mas nenhum equipamento nacional maduro e comercialmente disponível chegou ainda à implantação industrial.
Grupos de pesquisa desenvolvem tecnologia proprietária de decolagem a laser desde 2001 e agora a estenderam para o fatiamento e afinamento a laser de SiC de grande diâmetro. Eles desenvolveram um sistema protótipo e processos de fatiamento capazes de: Cortar e afinar wafers de SiC semi-isolantes de 4 a 6 polegadas; Fatiar lingotes de SiC condutivos de 6 a 8 polegadas. Benchmarks de desempenho: SiC semi-isolante de 6 a 8 polegadas: tempo de fatiamento de 10 a 15 minutos/wafer; perda de material <30 μm; SiC condutivo de 6 a 8 polegadas: tempo de fatiamento de 14 a 20 minutos/wafer; perda de material <60 μm.
O rendimento estimado do wafer aumentou em mais de 50%
Após o fatiamento, os wafers atendem aos padrões nacionais de geometria após a trituração e o polimento. Estudos também demonstram que os efeitos térmicos induzidos pelo laser não afetam significativamente o estresse ou a geometria dos wafers.
O mesmo equipamento também foi usado para verificar a viabilidade de fatiar cristais únicos de diamante, GaN e Ga₂O₃.
Horário de publicação: 23 de maio de 2025