O status atual e as tendências da tecnologia de processamento de wafers de SiC

Como um material de substrato semicondutor de terceira geração,carboneto de silício (SiC)O cristal único apresenta amplas perspectivas de aplicação na fabricação de dispositivos eletrônicos de alta frequência e alta potência. A tecnologia de processamento de SiC desempenha um papel decisivo na produção de materiais de substrato de alta qualidade. Este artigo apresenta o estado atual da pesquisa sobre tecnologias de processamento de SiC na China e no exterior, analisando e comparando os mecanismos de corte, retificação e polimento, bem como as tendências de planicidade e rugosidade superficial de wafers. Também aponta os desafios existentes no processamento de wafers de SiC e discute as futuras direções de desenvolvimento.

Carboneto de silício (SiC)Os wafers são materiais fundamentais essenciais para dispositivos semicondutores de terceira geração e possuem importância e potencial de mercado significativos em áreas como microeletrônica, eletrônica de potência e iluminação com semicondutores. Devido à dureza extremamente alta e à estabilidade química deCristais únicos de SiCOs métodos tradicionais de processamento de semicondutores não são totalmente adequados para sua usinagem. Embora muitas empresas internacionais tenham conduzido pesquisas extensivas sobre o processamento tecnicamente exigente de monocristais de SiC, as tecnologias relevantes são mantidas em estrita confidencialidade.

Nos últimos anos, a China tem intensificado seus esforços no desenvolvimento de materiais e dispositivos monocristais de SiC. No entanto, o avanço da tecnologia de dispositivos de SiC no país é atualmente limitado por limitações nas tecnologias de processamento e na qualidade dos wafers. Portanto, é essencial que a China aprimore suas capacidades de processamento de SiC para aprimorar a qualidade dos substratos monocristais de SiC e alcançar sua aplicação prática e produção em massa.

As principais etapas de processamento incluem: corte → retificação grosseira → retificação fina → polimento bruto (polimento mecânico) → polimento fino (polimento químico-mecânico, CMP) → inspeção.

Corte de cristais únicos de SiC

No processamento deCristais únicos de SiCO corte é a primeira e extremamente crítica etapa. O arco, a deformação e a variação da espessura total (VTT) da pastilha resultantes do processo de corte determinam a qualidade e a eficácia das operações subsequentes de retificação e polimento.

As ferramentas de corte podem ser categorizadas por formato em serras de diâmetro interno (ID) diamantadas, serras de diâmetro externo (OD) diamantadas, serras de fita e serras de fio. As serras de fio, por sua vez, podem ser classificadas por seu tipo de movimento em sistemas de fio reciprocantes e de laço (sem fim). Com base no mecanismo de corte do abrasivo, as técnicas de corte com serra de fio podem ser divididas em dois tipos: serra de fio abrasivo livre e serra de fio diamantado abrasivo fixo.

1.1 Métodos de corte tradicionais

A profundidade de corte das serras de diâmetro externo (OD) é limitada pelo diâmetro da lâmina. Durante o processo de corte, a lâmina está sujeita a vibrações e desvios, resultando em altos níveis de ruído e baixa rigidez. As serras de diâmetro interno (ID) utilizam abrasivos diamantados na circunferência interna da lâmina como fio de corte. Essas lâminas podem ter espessura de até 0,2 mm. Durante o corte, a lâmina de DI gira em alta velocidade enquanto o material a ser cortado se move radialmente em relação ao centro da lâmina, conseguindo o corte por meio desse movimento relativo.

Serras de fita diamantadas exigem paradas e reversões frequentes, e a velocidade de corte é muito baixa — normalmente não excedendo 2 m/s. Elas também sofrem com desgaste mecânico significativo e altos custos de manutenção. Devido à largura da lâmina de serra, o raio de corte não pode ser muito pequeno, impossibilitando o corte de múltiplas fatias. Essas ferramentas de serra tradicionais são limitadas pela rigidez da base e não conseguem fazer cortes curvos ou têm raios de giro limitados. Elas só conseguem cortes retos, produzem ranhuras largas, têm baixa taxa de rendimento e, portanto, são inadequadas para cortes.Cristais de SiC.

1.2 Serra de fio abrasivo grátis para corte de vários fios

A técnica de corte com serra de fio abrasivo livre utiliza o movimento rápido do fio para transportar a lama para dentro do corte, permitindo a remoção do material. Utiliza principalmente uma estrutura reciprocante e é atualmente um método maduro e amplamente utilizado para o corte eficiente de múltiplas lâminas de silício monocristalino. No entanto, sua aplicação no corte de SiC tem sido menos estudada.

Serras de fio abrasivo livre podem processar wafers com espessuras inferiores a 300 μm. Elas oferecem baixa perda de corte, raramente causam lascas e resultam em uma qualidade de superfície relativamente boa. No entanto, devido ao mecanismo de remoção de material — baseado na laminação e indentação de abrasivos — a superfície do wafer tende a desenvolver tensões residuais significativas, microfissuras e camadas de danos mais profundas. Isso leva à deformação do wafer, dificulta o controle da precisão do perfil da superfície e aumenta a carga nas etapas subsequentes de processamento.

O desempenho de corte é fortemente influenciado pela polpa; é necessário manter a nitidez dos abrasivos e a concentração da polpa. O tratamento e a reciclagem da polpa são dispendiosos. Ao cortar lingotes de grande porte, os abrasivos têm dificuldade em penetrar em ranhuras profundas e longas. Sob o mesmo tamanho de grão abrasivo, a perda de ranhura é maior do que a das serras de fio abrasivo fixo.

1.3 Serra de fio diamantado abrasivo fixo para corte de múltiplos fios

Serras de fio diamantado abrasivas fixas são normalmente fabricadas pela incorporação de partículas de diamante em um substrato de fio de aço por meio de galvanoplastia, sinterização ou métodos de colagem com resina. Serras de fio diamantado galvanizadas oferecem vantagens como cortes mais estreitos, melhor qualidade de corte, maior eficiência, menor contaminação e a capacidade de cortar materiais de alta dureza.

A serra de fio diamantado eletrodepositado reciprocante é atualmente o método mais utilizado para cortar SiC. A Figura 1 (não mostrada aqui) ilustra a planura da superfície de wafers de SiC cortados com essa técnica. À medida que o corte avança, a deformação do wafer aumenta. Isso ocorre porque a área de contato entre o fio e o material aumenta à medida que o fio se move para baixo, aumentando a resistência e a vibração do fio. Quando o fio atinge o diâmetro máximo do wafer, a vibração atinge seu pico, resultando em deformação máxima.

Nas fases finais do corte, devido à aceleração, movimento em velocidade estável, desaceleração, parada e reversão do fio, além da dificuldade de remoção de resíduos com o refrigerante, a qualidade da superfície do wafer se deteriora. A reversão do fio e as flutuações de velocidade, bem como grandes partículas de diamante no fio, são as principais causas de arranhões na superfície.

1.4 Tecnologia de Separação a Frio

A separação a frio de monocristais de SiC é um processo inovador na área de processamento de materiais semicondutores de terceira geração. Nos últimos anos, tem atraído atenção significativa devido às suas notáveis ​​vantagens em aumentar o rendimento e reduzir a perda de material. A tecnologia pode ser analisada sob três aspectos: princípio de funcionamento, fluxo do processo e principais vantagens.

Determinação da Orientação do Cristal e Moagem do Diâmetro Externo: Antes do processamento, a orientação do cristal do lingote de SiC deve ser determinada. O lingote é então moldado em uma estrutura cilíndrica (comumente chamada de disco de SiC) por meio de moagem do diâmetro externo. Esta etapa estabelece a base para o corte direcional e o fatiamento subsequentes.

Corte Multifio: Este método utiliza partículas abrasivas combinadas com fios de corte para fatiar o lingote cilíndrico. No entanto, apresenta perda significativa de corte e problemas de irregularidade da superfície.

Tecnologia de Corte a Laser: Um laser é usado para formar uma camada modificada dentro do cristal, da qual finas fatias podem ser destacadas. Essa abordagem reduz a perda de material e aumenta a eficiência do processamento, tornando-se uma nova direção promissora para o corte de wafers de SiC.

Otimização do Processo de Corte

Corte multifio abrasivo fixo: esta é atualmente a tecnologia predominante, adequada às características de alta dureza do SiC.

Usinagem por eletroerosão (EDM) e tecnologia de separação a frio: esses métodos fornecem soluções diversificadas adaptadas a requisitos específicos.

Processo de polimento: É essencial equilibrar a taxa de remoção de material e os danos à superfície. O polimento químico-mecânico (CMP) é empregado para melhorar a uniformidade da superfície.

Monitoramento em tempo real: tecnologias de inspeção on-line são introduzidas para monitorar a rugosidade da superfície em tempo real.

Fatiamento a laser: essa técnica reduz a perda de corte e encurta os ciclos de processamento, embora a zona termicamente afetada continue sendo um desafio.

Tecnologias de processamento híbrido: a combinação de métodos mecânicos e químicos aumenta a eficiência do processamento.

Essa tecnologia já alcançou aplicação industrial. A Infineon, por exemplo, adquiriu a SILTECTRA e agora detém patentes essenciais que dão suporte à produção em massa de wafers de 8 polegadas. Na China, empresas como a Delong Laser alcançaram uma eficiência de produção de 30 wafers por lingote no processamento de wafers de 6 polegadas, representando uma melhoria de 40% em relação aos métodos tradicionais.

Com a aceleração da fabricação de equipamentos nacionais, espera-se que essa tecnologia se torne a solução predominante para o processamento de substratos de SiC. Com o aumento do diâmetro dos materiais semicondutores, os métodos tradicionais de corte tornaram-se obsoletos. Entre as opções atuais, a tecnologia de serras de fio diamantado reciprocante apresenta as perspectivas de aplicação mais promissoras. O corte a laser, como técnica emergente, oferece vantagens significativas e deverá se tornar o principal método de corte no futuro.

2、Moagem de cristal único de SiC

Como representante dos semicondutores de terceira geração, o carboneto de silício (SiC) oferece vantagens significativas devido à sua ampla banda proibida, alto campo elétrico de ruptura, alta velocidade de deriva de elétrons de saturação e excelente condutividade térmica. Essas propriedades tornam o SiC particularmente vantajoso em aplicações de alta tensão (por exemplo, ambientes de 1200 V). A tecnologia de processamento para substratos de SiC é uma parte fundamental da fabricação de dispositivos. A qualidade da superfície e a precisão do substrato afetam diretamente a qualidade da camada epitaxial e o desempenho do dispositivo final.

O objetivo principal do processo de retificação é remover marcas de serra e camadas de danos superficiais causadas durante o corte, além de corrigir a deformação induzida pelo processo de corte. Dada a dureza extremamente alta do SiC, a retificação requer o uso de abrasivos duros, como carboneto de boro ou diamante. A retificação convencional é normalmente dividida em retificação grossa e retificação fina.

2.1 Moagem grossa e fina

A moagem pode ser categorizada com base no tamanho das partículas abrasivas:

Retificação grossa: usa abrasivos maiores principalmente para remover marcas de serra e camadas de danos causadas durante o corte, melhorando a eficiência do processamento.

Desbaste fino: utiliza abrasivos mais finos para remover a camada de danos deixada pelo desbaste grosso, reduzir a rugosidade da superfície e melhorar a qualidade da superfície.

Muitos fabricantes nacionais de substratos de SiC utilizam processos de produção em larga escala. Um método comum envolve a retificação dupla face utilizando uma placa de ferro fundido e pasta de diamante monocristalino. Esse processo remove com eficácia a camada de dano deixada pela serragem com fio, corrige o formato do wafer e reduz a TTV (Variação Total da Espessura), o Arco e a Deformação. A taxa de remoção de material é estável, atingindo tipicamente 0,8–1,2 μm/min. No entanto, a superfície do wafer resultante é fosca, com rugosidade relativamente alta — tipicamente em torno de 50 nm — o que impõe maiores exigências nas etapas subsequentes de polimento.

2.2 Retificação unilateral

A retificação unilateral processa apenas um lado da lâmina por vez. Durante esse processo, a lâmina é fixada com cera sobre uma placa de aço. Sob pressão aplicada, o substrato sofre uma leve deformação e a superfície superior é achatada. Após a retificação, a superfície inferior é nivelada. Quando a pressão é removida, a superfície superior tende a retornar à sua forma original, o que também afeta a superfície inferior já retificada, causando deformações e degradação da planura em ambos os lados.

Além disso, a placa de moagem pode se tornar côncava em pouco tempo, fazendo com que o wafer se torne convexo. Para manter a planicidade da placa, é necessário um polimento frequente. Devido à baixa eficiência e à baixa planicidade do wafer, a moagem unilateral não é adequada para produção em massa.

Normalmente, rebolos #8000 são usados ​​para retificação fina. No Japão, esse processo é relativamente avançado e utiliza até rebolos #30000. Isso permite que a rugosidade superficial dos wafers processados ​​atinja menos de 2 nm, deixando-os prontos para o CMP (Polimento Químico-Mecânico) final sem processamento adicional.

2.3 Tecnologia de desbaste unilateral

A Tecnologia de Desbaste Unilateral com Diamante é um método inovador de retificação unilateral. Conforme ilustrado na Figura 5 (não mostrado aqui), o processo utiliza uma placa de retificação com revestimento de diamante. O wafer é fixado por adsorção a vácuo, enquanto o wafer e a roda de retificação diamantada giram simultaneamente. A roda de retificação se move gradualmente para baixo para afinar o wafer até a espessura desejada. Após a conclusão de um lado, o wafer é girado para processar o outro lado.

Após o desbaste, um wafer de 100 mm pode atingir:

Arco < 5 μm

TTV < 2 μm

Rugosidade da superfície < 1 nm

Este método de processamento de wafer único oferece alta estabilidade, excelente consistência e alta taxa de remoção de material. Comparado à moagem dupla face convencional, esta técnica melhora a eficiência da moagem em mais de 50%.

2.4 Retificação de dupla face

O lixamento duplo usa uma placa de lixamento superior e uma inferior para lixar simultaneamente ambos os lados do substrato, garantindo excelente qualidade de superfície em ambos os lados.

Durante o processo, as placas de retificação aplicam pressão inicialmente nos pontos mais altos da peça, causando deformação e remoção gradual do material nesses pontos. À medida que os pontos altos são nivelados, a pressão sobre o substrato torna-se gradualmente mais uniforme, resultando em deformação consistente em toda a superfície. Isso permite que as superfícies superior e inferior sejam retificadas uniformemente. Uma vez concluída a retificação e a pressão liberada, cada parte do substrato se recupera uniformemente devido à pressão igual sofrida. Isso resulta em empenamento mínimo e boa planicidade.

A rugosidade da superfície do wafer após a retificação depende do tamanho da partícula abrasiva — partículas menores produzem superfícies mais lisas. Ao utilizar abrasivos de 5 μm para retificação dupla face, a planicidade e a variação da espessura do wafer podem ser controladas em até 5 μm. Medições de Microscopia de Força Atômica (AFM) mostram uma rugosidade superficial (Rq) de cerca de 100 nm, com cavidades de retificação de até 380 nm de profundidade e marcas lineares visíveis causadas pela ação abrasiva.

Um método mais avançado envolve a retificação dupla face usando almofadas de espuma de poliuretano combinadas com pasta de diamante policristalino. Esse processo produz wafers com rugosidade superficial muito baixa, atingindo Ra < 3 nm, o que é altamente benéfico para o polimento subsequente de substratos de SiC.

No entanto, a corrosão superficial continua sendo um problema sem solução. Além disso, o diamante policristalino utilizado nesse processo é produzido por síntese explosiva, o que é tecnicamente desafiador, rende baixas quantidades e é extremamente caro.

Polimento de Monocristais de SiC

Para obter uma superfície polida de alta qualidade em wafers de carboneto de silício (SiC), o polimento deve remover completamente os pontos de desgaste e as ondulações superficiais em escala nanométrica. O objetivo é produzir uma superfície lisa e sem defeitos, sem contaminação ou degradação, sem danos subsuperficiais e sem tensões superficiais residuais.

3.1 Polimento Mecânico e CMP de Wafers de SiC

Após o crescimento de um lingote de cristal único de SiC, defeitos superficiais impedem que ele seja usado diretamente para crescimento epitaxial. Portanto, é necessário um processamento adicional. O lingote é primeiramente moldado em um formato cilíndrico padrão por meio de arredondamento, depois fatiado em wafers por meio de corte com fio, seguido pela verificação da orientação cristalográfica. O polimento é uma etapa crítica para melhorar a qualidade do wafer, abordando potenciais danos superficiais causados ​​por defeitos de crescimento do cristal e etapas anteriores de processamento.

Existem quatro métodos principais para remover camadas de danos superficiais em SiC:

Polimento mecânico: Simples, mas deixa arranhões; adequado para polimento inicial.

Polimento Químico-Mecânico (CMP): Remove arranhões por meio de corrosão química; adequado para polimento de precisão.

Gravação de hidrogênio: requer equipamento complexo, comumente usado em processos HTCVD.

Polimento assistido por plasma: complexo e raramente utilizado.

O polimento exclusivamente mecânico tende a causar arranhões, enquanto o polimento exclusivamente químico pode causar corrosão irregular. O CMP combina ambas as vantagens e oferece uma solução eficiente e econômica.

Princípio de funcionamento do CMP

O CMP funciona girando o wafer sob uma pressão definida contra uma almofada de polimento rotativa. Esse movimento relativo, combinado com a abrasão mecânica dos abrasivos nanométricos presentes na pasta e a ação química dos agentes reativos, resulta na planarização da superfície.

Principais materiais utilizados:

Pasta de polimento: Contém abrasivos e reagentes químicos.

Disco de polimento: Desgasta-se com o uso, reduzindo o tamanho dos poros e a eficiência da aplicação da pasta. É necessário um polimento regular, normalmente com uma lixa de diamante, para restaurar a rugosidade.

Processo CMP típico

Abrasivo: pasta de diamante de 0,5 μm

Rugosidade da superfície alvo: ~0,7 nm

Polimento Químico-Mecânico:

Equipamento de polimento: polidora unilateral AP-810

Pressão: 200 g/cm²

Velocidade da placa: 50 rpm

Velocidade do suporte de cerâmica: 38 rpm

Composição da pasta:

SiO₂ (30% em peso, pH = 10,15)

0–70% em peso de H₂O₂ (30% em peso, grau reagente)

Ajuste o pH para 8,5 usando 5% em peso de KOH e 1% em peso de HNO₃

Taxa de fluxo de polpa: 3 L/min, recirculada

Este processo melhora efetivamente a qualidade do wafer de SiC e atende aos requisitos dos processos posteriores.

Desafios técnicos no polimento mecânico

O SiC, como um semicondutor de banda larga, desempenha um papel vital na indústria eletrônica. Com excelentes propriedades físicas e químicas, os monocristais de SiC são adequados para ambientes extremos, como alta temperatura, alta frequência, alta potência e resistência à radiação. No entanto, sua natureza dura e quebradiça apresenta grandes desafios para retificação e polimento.

À medida que os principais fabricantes globais migram de wafers de 6 para 8 polegadas, problemas como rachaduras e danos aos wafers durante o processamento se tornaram mais proeminentes, impactando significativamente o rendimento. Lidar com os desafios técnicos dos substratos de SiC de 8 polegadas é agora uma referência fundamental para o avanço do setor.

Na era de 8 polegadas, o processamento de wafers de SiC enfrenta inúmeros desafios:

O dimensionamento de wafers é necessário para aumentar a produção de chips por lote, reduzir a perda de bordas e diminuir os custos de produção, especialmente devido à crescente demanda em aplicações de veículos elétricos.

Embora o crescimento de cristais únicos de SiC de 8 polegadas tenha amadurecido, processos de back-end como retificação e polimento ainda enfrentam gargalos, resultando em baixos rendimentos (apenas 40–50%).

Wafers maiores sofrem distribuições de pressão mais complexas, aumentando a dificuldade de gerenciar o estresse de polimento e a consistência do rendimento.

Embora a espessura dos wafers de 8 polegadas seja próxima à dos wafers de 6 polegadas, eles são mais propensos a danos durante o manuseio devido ao estresse e à deformação.

Para reduzir o estresse, a deformação e as rachaduras relacionados ao corte, o corte a laser é cada vez mais utilizado. No entanto:

Lasers de longo comprimento de onda causam danos térmicos.

Lasers de comprimento de onda curto geram detritos pesados ​​e aprofundam a camada de dano, aumentando a complexidade do polimento.

Fluxo de trabalho de polimento mecânico para SiC

O fluxo geral do processo inclui:

Corte de orientação

Moagem grossa

Moagem fina

Polimento mecânico

Polimento Químico Mecânico (CMP) como etapa final

A escolha do método CMP, o projeto da rota do processo e a otimização dos parâmetros são cruciais. Na fabricação de semicondutores, o CMP é a etapa determinante para a produção de wafers de SiC com superfícies ultralisas, livres de defeitos e danos, essenciais para o crescimento epitaxial de alta qualidade.

(a) Remova o lingote de SiC do cadinho;

(b) Executar a conformação inicial usando retificação do diâmetro externo;

(c) Determinar a orientação do cristal usando planos de alinhamento ou entalhes;

(d) Corte o lingote em fatias finas usando uma serra multi-fio;

(e) Obter uma superfície lisa como a de um espelho por meio de etapas de retificação e polimento.

Após a conclusão da série de etapas de processamento, a borda externa do wafer de SiC frequentemente se torna afiada, o que aumenta o risco de lascas durante o manuseio ou uso. Para evitar essa fragilidade, é necessário o polimento das bordas.

Além dos processos tradicionais de fatiamento, um método inovador para a preparação de wafers de SiC envolve a tecnologia de ligação. Essa abordagem permite a fabricação de wafers por meio da ligação de uma fina camada monocristalina de SiC a um substrato heterogêneo (substrato de suporte).

A Figura 3 ilustra o fluxo do processo:

Primeiramente, uma camada de delaminação é formada a uma profundidade especificada na superfície do monocristal de SiC por meio de implantação de íons de hidrogênio ou técnicas semelhantes. O monocristal de SiC processado é então ligado a um substrato de suporte plano e submetido a pressão e calor. Isso permite a transferência e a separação bem-sucedidas da camada monocristalina de SiC para o substrato de suporte.

A camada de SiC separada passa por um tratamento de superfície para atingir a planura necessária e pode ser reutilizada em processos de colagem subsequentes. Comparada ao fatiamento tradicional de cristais de SiC, essa técnica reduz a demanda por materiais caros. Embora ainda existam desafios técnicos, a pesquisa e o desenvolvimento estão avançando ativamente para permitir a produção de wafers a custos mais baixos.

Dada a alta dureza e estabilidade química do SiC — que o torna resistente a reações em temperatura ambiente — o polimento mecânico é necessário para remover pequenas corrosão por atrito, reduzir danos superficiais, eliminar arranhões, corrosão por atrito e defeitos de casca de laranja, reduzir a rugosidade da superfície, melhorar a planura e aprimorar a qualidade da superfície.

Para obter uma superfície polida de alta qualidade, é necessário:

Ajuste os tipos de abrasivos,

Reduzir o tamanho das partículas,

Otimizar parâmetros do processo,

Selecione materiais de polimento e almofadas com dureza adequada.

A Figura 7 mostra que o polimento de dupla face com abrasivos de 1 μm pode controlar a planura e a variação de espessura dentro de 10 μm e reduzir a rugosidade da superfície para cerca de 0,25 nm.

3.2 Polimento Químico-Mecânico (CMP)

O Polimento Químico-Mecânico (CMP) combina abrasão de partículas ultrafinas com ataque químico para formar uma superfície lisa e plana no material processado. O princípio básico é:

Uma reação química ocorre entre a pasta de polimento e a superfície do wafer, formando uma camada macia.

O atrito entre as partículas abrasivas e a camada macia remove o material.

Vantagens do CMP:

Supera as desvantagens do polimento puramente mecânico ou químico,

Alcança a planarização global e local,

Produz superfícies com alta planicidade e baixa rugosidade,

Não deixa danos na superfície ou no subsolo.

Em detalhes:

A pastilha se move em relação à almofada de polimento sob pressão.

Abrasivos em escala nanométrica (por exemplo, SiO₂) na pasta participam do cisalhamento, enfraquecendo as ligações covalentes Si–C e melhorando a remoção do material.

Tipos de técnicas de CMP:

Polimento Abrasivo Livre: Abrasivos (p. ex., SiO₂) são suspensos em uma pasta. A remoção do material ocorre por abrasão de três corpos (wafer-pad-abrasivo). O tamanho do abrasivo (tipicamente 60–200 nm), o pH e a temperatura devem ser controlados com precisão para melhorar a uniformidade.

Polimento abrasivo fixo: os abrasivos são incorporados na almofada de polimento para evitar aglomeração, ideal para processamento de alta precisão.

Limpeza pós-polimento:

Os wafers polidos passam por:

Limpeza química (incluindo remoção de água DI e resíduos de lama),

Enxágue com água DI e

Secagem com nitrogênio quente

para minimizar contaminantes de superfície.

Qualidade e desempenho da superfície

A rugosidade da superfície pode ser reduzida para Ra < 0,3 nm, atendendo aos requisitos de epitaxia de semicondutores.

Planarização global: a combinação de amolecimento químico e remoção mecânica reduz arranhões e corrosão irregular, superando métodos puramente mecânicos ou químicos.

Alta eficiência: adequado para materiais duros e quebradiços como SiC, com taxas de remoção de material acima de 200 nm/h.

Outras técnicas de polimento emergentes

Além do CMP, métodos alternativos foram propostos, incluindo:

Polimento eletroquímico, polimento ou gravação assistida por catalisador e

Polimento triboquímico.

No entanto, esses métodos ainda estão em fase de pesquisa e têm se desenvolvido lentamente devido às propriedades desafiadoras do material SiC.

Em última análise, o processamento de SiC é um processo gradual de redução de empenamento e rugosidade para melhorar a qualidade da superfície, onde o controle da planura e da rugosidade são essenciais em cada estágio.

Tecnologia de Processamento

Durante a etapa de moagem do wafer, uma pasta de diamante com diferentes tamanhos de partículas é usada para moer o wafer até a planura e rugosidade superficial necessárias. Em seguida, ocorre o polimento, utilizando técnicas de polimento mecânico e químico-mecânico (CMP) para produzir wafers de carboneto de silício (SiC) polidos e sem danos.

Após o polimento, os wafers de SiC passam por uma rigorosa inspeção de qualidade, utilizando instrumentos como microscópios ópticos e difratômetros de raios X, para garantir que todos os parâmetros técnicos atendam aos padrões exigidos. Por fim, os wafers polidos são limpos com agentes de limpeza especializados e água ultrapura para remover contaminantes da superfície. Em seguida, são secos com nitrogênio gasoso de altíssima pureza e centrifugadores, completando todo o processo de produção.

Após anos de esforço, houve um progresso significativo no processamento de monocristais de SiC na China. No mercado interno, monocristais semi-isolantes de 4H-SiC dopados de 100 mm foram desenvolvidos com sucesso, e monocristais de 4H-SiC e 6H-SiC tipo n agora podem ser produzidos em lotes. Empresas como TankeBlue e TYST já desenvolveram monocristais de SiC de 150 mm.

Em termos de tecnologia de processamento de wafers de SiC, instituições nacionais exploraram preliminarmente as condições e rotas do processo para fatiamento, moagem e polimento de cristais. Elas são capazes de produzir amostras que atendem basicamente aos requisitos para a fabricação de dispositivos. No entanto, em comparação com os padrões internacionais, a qualidade do processamento de superfície dos wafers nacionais ainda está significativamente aquém. Há vários problemas:

As teorias internacionais de SiC e tecnologias de processamento são fortemente protegidas e não facilmente acessíveis.

Há falta de pesquisa teórica e suporte para melhoria e otimização de processos.

O custo de importação de equipamentos e componentes estrangeiros é alto.

Pesquisas nacionais sobre design de equipamentos, precisão de processamento e materiais ainda mostram lacunas significativas em comparação aos níveis internacionais.

Atualmente, a maioria dos instrumentos de alta precisão utilizados na China são importados. Equipamentos e metodologias de teste também precisam ser aprimorados.

Com o desenvolvimento contínuo de semicondutores de terceira geração, o diâmetro dos substratos de cristal único de SiC está aumentando constantemente, juntamente com requisitos mais elevados para a qualidade do processamento de superfície. A tecnologia de processamento de wafers tornou-se uma das etapas tecnicamente mais desafiadoras após o crescimento do cristal único de SiC.

Para enfrentar os desafios existentes no processamento, é essencial aprofundar o estudo dos mecanismos envolvidos no corte, retificação e polimento, e explorar métodos e rotas de processo adequados para a fabricação de wafers de SiC. Ao mesmo tempo, é necessário aprender com tecnologias de processamento internacionais avançadas e adotar técnicas e equipamentos de usinagem de ultraprecisão de última geração para produzir substratos de alta qualidade.

À medida que o tamanho do wafer aumenta, a dificuldade de crescimento e processamento dos cristais também aumenta. No entanto, a eficiência de fabricação dos dispositivos subsequentes melhora significativamente e o custo unitário é reduzido. Atualmente, os principais fornecedores globais de wafers de SiC oferecem produtos com diâmetros que variam de 4 a 6 polegadas. Empresas líderes como Cree e II-VI já começaram a planejar o desenvolvimento de linhas de produção de wafers de SiC de 8 polegadas.