P: Quais são as principais tecnologias utilizadas no corte e processamento de wafers de SiC?
A:Carbeto de silício O carboneto de silício (SiC) possui dureza superada apenas pela do diamante e é considerado um material extremamente duro e quebradiço. O processo de fatiamento, que envolve o corte de cristais cultivados em finas lâminas, é demorado e propenso a lascas. Como primeiro passo emSiCNo processamento de monocristais, a qualidade do corte influencia significativamente as etapas subsequentes de retificação, polimento e adelgaçamento. O corte frequentemente introduz trincas superficiais e subsuperficiais, aumentando as taxas de quebra do wafer e os custos de produção. Portanto, o controle dos danos por trincas superficiais durante o corte é crucial para o avanço da fabricação de dispositivos de SiC.
Os métodos de corte de SiC atualmente relatados incluem corte com abrasivo fixo, corte com abrasivo livre, corte a laser, transferência de camadas (separação a frio) e corte por descarga elétrica. Dentre esses, o corte com múltiplos fios reciprocantes e abrasivos de diamante fixos é o método mais comumente utilizado para o processamento de monocristais de SiC. No entanto, à medida que o tamanho dos lingotes atinge 8 polegadas ou mais, o corte com fio tradicional torna-se menos prático devido às altas demandas de equipamentos, custos elevados e baixa eficiência. Há uma necessidade urgente de tecnologias de corte de baixo custo, baixa perda e alta eficiência.
P: Quais são as vantagens do corte a laser em relação ao corte tradicional com múltiplos fios?
A: O corte tradicional com fio de aço é feito através de...lingote de SiCAo longo de uma direção específica, as lâminas são cortadas em fatias com várias centenas de micrômetros de espessura. Em seguida, as fatias são retificadas com pastas diamantadas para remover marcas de serra e danos subsuperficiais, seguidas por 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 deformações, fissuras, aumento nas taxas de quebra, custos de produção mais elevados e resultar em alta rugosidade superficial e contaminação (poeira, efluentes, etc.). Além disso, o corte com fio é lento e tem 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 no exterior indicavam que seriam necessários aproximadamente 273 dias de produção contínua 24 horas por dia 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.
O equipamento de corte a laser pode reduzir significativamente a perda de material e melhorar o rendimento. Por exemplo, usando um único laser de 20 mmlingote de SiCO corte com fio diamantado permite obter cerca de 30 wafers com 350 μm de espessura. O corte a laser permite obter 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 diamantado seja amplamente utilizado para wafers de 6 polegadas ou menores, o corte de um lingote de SiC de 8 polegadas pode levar de 10 a 15 dias com métodos tradicionais, exigindo equipamentos de ponta e incorrendo em altos custos com baixa eficiência. Nessas condições, as vantagens do corte a laser tornam-se evidentes, consolidando-o como a principal tecnologia para wafers de 8 polegadas no futuro.
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 com múltiplos fios, o corte a laser oferece maior velocidade, melhor rendimento, menor perda de material e processamento mais limpo.
P: Quais são os principais desafios técnicos no corte a laser de SiC?
A: O processo de corte a laser envolve duas etapas principais: modificação a laser e separação do wafer.
O princípio fundamental da modificação a laser reside na modelagem do feixe e na otimização de parâmetros. Parâmetros como potência do laser, diâmetro do ponto focal e velocidade de varredura afetam a qualidade da ablação do material e o sucesso da subsequente separação do wafer. A geometria da zona modificada determina a rugosidade da superfície e a dificuldade de separação. Uma alta rugosidade superficial complica o processo de retificação posterior e aumenta a perda de material.
Após a modificação, a separação dos wafers é normalmente realizada por meio de forças de cisalhamento, como fratura a frio ou tensão mecânica. Alguns sistemas domésticos utilizam transdutores ultrassônicos para induzir vibrações para a 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 de tensão interna — afetam significativamente a dificuldade de corte, o rendimento e a perda de material. A simples 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 reside no desenvolvimento de métodos e equipamentos inovadores que possam se adaptar a uma ampla gama de qualidades de cristal de diversos fabricantes, otimizando os parâmetros do processo e construindo sistemas de corte a laser com aplicabilidade universal.
P: A tecnologia de corte a laser pode ser aplicada a outros materiais semicondutores além do SiC?
A: A tecnologia de corte a laser tem sido historicamente aplicada a uma ampla gama de materiais. Em semicondutores, foi inicialmente usada para o corte de wafers e, desde então, expandiu-se para o corte de grandes monocristais.
Além do SiC, o corte a laser também pode ser usado para outros materiais duros ou frágeis, como diamante, nitreto de gálio (GaN) e óxido de gálio (Ga₂O₃). Estudos preliminares com esses materiais demonstraram a viabilidade e as vantagens do corte a laser para aplicações em semicondutores.
P: Existem atualmente produtos de equipamentos de corte a laser consolidados no mercado nacional? Em que fase se encontra sua pesquisa?
A: Os equipamentos de corte a laser de SiC de grande diâmetro são amplamente considerados essenciais para o futuro da produção de wafers de SiC de 8 polegadas. Atualmente, apenas o Japão oferece esses sistemas, que são caros e sujeitos a restrições de exportação.
A demanda interna por sistemas de corte/desbaste a laser é estimada em 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 fortemente no desenvolvimento, mas nenhum equipamento nacional maduro e comercialmente disponível chegou ainda à implantação industrial.
Grupos de pesquisa vêm desenvolvendo tecnologia proprietária de remoção a laser desde 2001 e agora a estenderam para o corte e afinamento a laser de SiC de grande diâmetro. Eles desenvolveram um sistema protótipo e processos de corte capazes de: cortar e afinar wafers de SiC semi-isolantes de 4 a 6 polegadas; cortar lingotes de SiC condutores de 6 a 8 polegadas. Parâmetros de desempenho: SiC semi-isolante de 6 a 8 polegadas: tempo de corte de 10 a 15 minutos/wafer; perda de material <30 μm; SiC condutor de 6 a 8 polegadas: tempo de corte de 14 a 20 minutos/wafer; perda de material <60 μm.
A estimativa de rendimento de wafers aumentou em mais de 50%.
Após o corte, os wafers atendem aos padrões nacionais de geometria após o processo de retificação e polimento. Estudos também mostram que os efeitos térmicos induzidos por laser não impactam significativamente a tensão ou a geometria dos wafers.
O mesmo equipamento também foi utilizado para verificar a viabilidade do corte de monocristais de diamante, GaN e Ga₂O₃.
Data da publicação: 23 de maio de 2025