Estado atual e tendências da tecnologia de processamento de wafers de SiC

Como material de substrato semicondutor de terceira geração,carbeto de silício (SiC)O silício monocristalino (SiC) apresenta amplas perspectivas de aplicação na fabricação de dispositivos eletrônicos de alta frequência e alta potência. A tecnologia de processamento do 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 dos processos de corte, retificação e polimento, bem como as tendências de planicidade e rugosidade superficial dos 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 críticos para dispositivos semicondutores de terceira geração e possuem importância significativa e potencial de mercado em áreas como microeletrônica, eletrônica de potência e iluminação semicondutora. Devido à sua extrema dureza e estabilidade química,monocristais de SiCOs métodos tradicionais de processamento de semicondutores não são totalmente adequados para sua usinagem. Embora muitas empresas internacionais tenham realizado extensas pesquisas sobre o processamento tecnicamente complexo de monocristais de SiC, as tecnologias relevantes são mantidas em sigilo absoluto.

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

As principais etapas de processamento incluem: corte → desbaste grosseiro → desbaste fino → polimento grosseiro (polimento mecânico) → polimento fino (polimento químico-mecânico, CMP) → inspeção.

Corte de monocristais de SiC

No processamento demonocristais de SiCO corte é a primeira etapa e uma etapa crucial. A curvatura, a deformação e a variação total da espessura (TTV) do wafer 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 (DI) diamantadas, serras de diâmetro externo (DE), serras de fita e serras de fio. As serras de fio, por sua vez, podem ser classificadas pelo tipo de movimento em sistemas de fio alternativo e de fio contínuo (em espiral). Com base no mecanismo de corte do abrasivo, as técnicas de corte com serra de fio podem ser divididas em dois tipos: serragem com fio diamantado de abrasivo livre e serragem com fio diamantado de abrasivo fixo.

1.1 Métodos de Corte Tradicionais

A profundidade de corte das serras de diâmetro externo (DE) 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 (DI) utilizam abrasivos diamantados na circunferência interna da lâmina como aresta de corte. Essas lâminas podem ter uma espessura de até 0,2 mm. Durante o corte, a lâmina DI gira em alta velocidade enquanto o material a ser cortado se move radialmente em relação ao centro da lâmina, realizando o corte por meio desse movimento relativo.

As serras de fita diamantadas exigem paradas e inversões frequentes, e a velocidade de corte é muito baixa — normalmente não ultrapassando 2 m/s. Elas também sofrem com desgaste mecânico significativo e altos custos de manutenção. Devido à largura da lâmina, o raio de corte não pode ser muito pequeno, e o corte em múltiplas fatias não é possível. Essas ferramentas de serra tradicionais são limitadas pela rigidez da base e não conseguem fazer cortes curvos ou têm raios de giro restritos. Elas são capazes apenas de cortes retos, produzem fendas largas, têm baixa taxa de rendimento e, portanto, são inadequadas para cortes em geral.Cristais de SiC.

1.2 Serra de fio abrasivo gratuita para corte de múltiplos fios

A técnica de corte com serra de fio abrasivo livre utiliza o movimento rápido do fio para transportar a pasta abrasiva para dentro da fenda, permitindo a remoção de material. Ela emprega principalmente uma estrutura de movimento alternativo e é atualmente um método consolidado e amplamente utilizado para o corte eficiente de múltiplas pastilhas 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 material, raramente causam lascamento e resultam em uma qualidade de superfície relativamente boa. No entanto, devido ao mecanismo de remoção de material — baseado no rolamento e indentação dos abrasivos — a superfície do wafer tende a desenvolver tensões residuais significativas, microfissuras e camadas de danos mais profundas. Isso leva ao empenamento do wafer, dificulta o controle da precisão do perfil da superfície e aumenta a carga nas etapas de processamento subsequentes.

O desempenho de corte é fortemente influenciado pela pasta abrasiva; é necessário manter a afiação dos abrasivos e a concentração da pasta. O tratamento e a reciclagem da pasta abrasiva são dispendiosos. Ao cortar lingotes de grandes dimensões, os abrasivos têm dificuldade em penetrar em sulcos profundos e longos. Com o mesmo tamanho de grão abrasivo, a perda de material no corte é maior do que a observada em serras de fio com abrasivo fixo.

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

As serras de fio diamantado fixo são geralmente fabricadas incorporando partículas de diamante em um substrato de fio de aço por meio de métodos de galvanoplastia, sinterização ou colagem com resina. As serras de fio diamantado galvanizado 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 com movimento alternativo é atualmente o método mais utilizado para o corte de SiC. A Figura 1 (não mostrada aqui) ilustra a planicidade da superfície de wafers de SiC cortados utilizando essa técnica. À medida que o corte progride, a deformação do wafer aumenta. Isso ocorre porque a área de contato entre o fio e o material aumenta conforme 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 na deformação máxima.

Nas fases finais do corte, devido à aceleração, movimento em velocidade constante, desaceleração, parada e inversão do fio, juntamente com as dificuldades na remoção de detritos com o fluido refrigerante, a qualidade da superfície do wafer se deteriora. A inversão do fio e as flutuações de velocidade, bem como as 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 no campo do processamento de materiais semicondutores de terceira geração. Nos últimos anos, tem atraído considerável atenção devido às suas notáveis ​​vantagens em termos de aumento de rendimento e redução de perdas de material. A tecnologia pode ser analisada sob três aspectos: princípio de funcionamento, fluxo do processo e principais vantagens.

Determinação da orientação cristalina e retificação do diâmetro externo: Antes do processamento, a orientação cristalina 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 retificação do diâmetro externo. Esta etapa estabelece a base para o subsequente corte direcional e fatiamento.

Corte com múltiplos fios: Este método utiliza partículas abrasivas combinadas com fios de corte para fatiar o lingote cilíndrico. No entanto, apresenta problemas significativos de perda de largura do corte e irregularidades na superfície.

Tecnologia de corte a laser: Um laser é usado para formar uma camada modificada dentro do cristal, da qual fatias finas 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 com múltiplos fios abrasivos fixos: Esta é atualmente a tecnologia mais utilizada, adequada às características de alta dureza do SiC.

Usinagem por eletroerosão (EDM) e tecnologia de separação a frio: esses métodos oferecem 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 online são introduzidas para monitorar a rugosidade da superfície em tempo real.

Corte a laser: Essa técnica reduz a perda de material no corte e encurta os ciclos de processamento, embora a zona afetada pelo calor 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 viabilizam a 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 para o processamento de wafers de 6 polegadas, o que representa 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 principal solução para o processamento de substratos de SiC. Com o aumento do diâmetro dos materiais semicondutores, os métodos de corte tradicionais tornaram-se obsoletos. Dentre as opções atuais, a tecnologia de serra de fio diamantado recíproco apresenta as perspectivas de aplicação mais promissoras. O corte a laser, como uma técnica emergente, oferece vantagens significativas e prevê-se que se torne o principal método de corte no futuro.

2.Retificação de monocristais de SiC

Como representante dos semicondutores de terceira geração, o carbeto de silício (SiC) oferece vantagens significativas devido à sua ampla banda proibida, alto campo elétrico de ruptura, alta velocidade de deriva de elétrons na 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 de substratos de SiC é fundamental na fabricação de dispositivos. A qualidade e a precisão da superfície do substrato afetam diretamente a qualidade da camada epitaxial e o desempenho do dispositivo final.

O principal objetivo do processo de retificação é remover marcas de serra e camadas danificadas na superfície, causadas durante o corte, e corrigir a deformação induzida pelo processo de corte. Devido à extrema dureza 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:

Desbaste grosso: Utiliza abrasivos maiores principalmente para remover marcas de serra e camadas danificadas durante o corte, melhorando a eficiência do processamento.

Retificação fina: Utiliza abrasivos mais finos para remover a camada danificada deixada pela retificação grosseira, reduzir a rugosidade da superfície e melhorar a qualidade da mesma.

Muitos fabricantes nacionais de substratos de SiC utilizam processos de produção em larga escala. Um método comum envolve o desbaste em ambos os lados utilizando uma placa de ferro fundido e pasta de diamante monocristalino. Este processo remove eficazmente a camada danificada deixada pelo corte com fio diamantado, corrige a forma do wafer e reduz a variação total da espessura (TTV), a curvatura 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 às etapas subsequentes de polimento.

2.2 Retificação unilateral

O processo de retificação unilateral processa apenas um lado do wafer de cada vez. Durante esse processo, o wafer é fixado com cera em uma placa de aço. Sob pressão aplicada, o substrato sofre uma leve deformação e a superfície superior é aplainada. 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, fazendo com que ambos os lados se deformem e percam a planicidade.

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

Normalmente, rebolos de grão #8000 são usados ​​para o desbaste fino. No Japão, esse processo é relativamente consolidado e utiliza até mesmo rebolos de polimento de grão #30000. Isso permite que a rugosidade superficial dos wafers processados ​​atinja valores abaixo de 2 nm, tornando-os aptos para o polimento químico-mecânico (CMP) final sem necessidade de processamento adicional.

2.3 Tecnologia de Desbaste Unilateral

A tecnologia de desbaste unilateral com diamante é um método inovador de retificação de um único lado. Conforme ilustrado na Figura 5 (não mostrada 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 move-se gradualmente para baixo, reduzindo a espessura do wafer até atingir o valor desejado. Após a conclusão de um lado, o wafer é virado para processar o outro lado.

Após o afinamento, 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. Comparada à retificação convencional de dupla face, esta técnica melhora a eficiência da retificação em mais de 50%.

2.4 Retificação em ambos os lados

A retificação dupla utiliza uma placa de retificação superior e uma inferior para retificar simultaneamente os dois 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 de 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. Assim que a retificação é concluída e a pressão é liberada, cada parte do substrato se recupera uniformemente devido à pressão igual que sofreu. Isso resulta em empenamento mínimo e boa planicidade.

A rugosidade da superfície do wafer após o desbaste depende do tamanho das partículas abrasivas — partículas menores produzem superfícies mais lisas. Ao usar abrasivos de 5 μm para desbaste em ambos os lados, a planicidade e a variação de espessura do wafer podem ser controladas com uma precisão de 5 μm. Medições por Microscopia de Força Atômica (AFM) mostram uma rugosidade superficial (Rq) de cerca de 100 nm, com cavidades de desbaste de até 380 nm de profundidade e marcas lineares visíveis causadas pela ação abrasiva.

Um método mais avançado envolve o desbaste em ambos os lados utilizando almofadas de espuma de poliuretano combinadas com pasta de diamante policristalino. Este 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, o risco de arranhões na superfície continua sendo um problema não resolvido. Além disso, o diamante policristalino usado nesse processo é produzido por síntese explosiva, que é tecnicamente complexa, produz baixas quantidades e é extremamente cara.

Polimento de monocristais de SiC

Para obter uma superfície polida de alta qualidade em wafers de carbeto de silício (SiC), o polimento deve remover completamente as irregularidades de retificação e as ondulações superficiais em escala nanométrica. O objetivo é produzir uma superfície lisa e livre de defeitos, sem contaminação ou degradação, sem danos subsuperficiais e sem tensão superficial residual.

3.1 Polimento Mecânico e CMP de Wafers de SiC

Após o crescimento de um lingote monocristalino de SiC, defeitos superficiais impedem seu uso direto para crescimento epitaxial. Portanto, é necessário um processamento adicional. O lingote é inicialmente moldado em um formato cilíndrico padrão por meio de arredondamento, em seguida, cortado em wafers utilizando corte a fio, seguido pela verificação da orientação cristalográfica. O polimento é uma etapa crítica para melhorar a qualidade dos wafers, corrigindo possíveis danos superficiais causados ​​por defeitos de crescimento cristalino e etapas de processamento anteriores.

Existem quatro métodos principais para remover camadas superficiais danificadas em SiC:

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

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

Gravação com hidrogênio: Requer equipamentos complexos, comumente usados ​​em processos HTCVD.

Polimento assistido por plasma: Complexo e raramente utilizado.

O polimento puramente mecânico tende a causar riscos, enquanto o polimento puramente químico pode levar a uma corrosão irregular. O CMP combina as vantagens de ambos os métodos e oferece uma solução eficiente e econômica.

Princípio de funcionamento do CMP

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

Principais materiais utilizados:

Pasta de polimento: Contém abrasivos e reagentes químicos.

Disco de polimento: Desgasta-se durante o uso, reduzindo o tamanho dos poros e a eficiência da aplicação da pasta abrasiva. É necessário realizar um recondicionamento regular, geralmente com um dressador diamantado, 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 do prato: 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 KOH a 5% em peso e HNO₃ a 1% em peso.

Vazão da lama: 3 L/min, recirculada

Este processo melhora efetivamente a qualidade dos wafers de SiC e atende aos requisitos para os processos subsequentes.

Desafios técnicos no polimento mecânico

O SiC, como um semicondutor de banda proibida 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 a retificação e o polimento.

À medida que os principais fabricantes globais fazem a transição de wafers de 6 polegadas para wafers de 8 polegadas, problemas como rachaduras e danos aos wafers durante o processamento tornaram-se mais evidentes, impactando significativamente o rendimento. Superar os desafios técnicos dos substratos de SiC de 8 polegadas é agora um marco fundamental para o avanço da indústria.

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

A miniaturização do wafer é necessária para aumentar a produção de chips por lote, reduzir as perdas nas bordas e diminuir os custos de produção, especialmente devido à crescente demanda em aplicações para veículos elétricos.

Embora o crescimento de monocristais de SiC de 8 polegadas tenha amadurecido, os processos finais, como retificação e polimento, ainda enfrentam gargalos, resultando em baixos rendimentos (apenas 40-50%).

Os wafers maiores sofrem distribuições de pressão mais complexas, aumentando a dificuldade de controlar a tensão de polimento e a consistência do rendimento.

Embora a espessura dos wafers de 8 polegadas esteja se aproximando da dos wafers de 6 polegadas, eles são mais propensos a danos durante o manuseio devido à tensão e à deformação.

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

Os lasers de comprimento de onda longo causam danos térmicos.

Os lasers de comprimento de onda curto geram detritos pesados ​​e aprofundam a camada danificada, aumentando a complexidade do polimento.

Fluxograma de trabalho de polimento mecânico para SiC

O fluxo geral do processo inclui:

corte de orientação

Moagem grosseira

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) Retire o lingote de SiC do cadinho;

(b) Realizar o formato inicial utilizando retificação do diâmetro externo;

(c) Determine a orientação do cristal usando superfícies planas ou entalhes de alinhamento;

(d) Corte o lingote em lâminas finas usando serra de múltiplos fios;

(e) Obter uma superfície lisa como um espelho através de etapas de retificação e polimento.

Após a conclusão da série de etapas de processamento, a borda externa da pastilha de SiC frequentemente fica afiada, o que aumenta o risco de lascamento durante o manuseio ou uso. Para evitar essa fragilidade, é necessário realizar o desbaste das bordas.

Além dos processos tradicionais de corte, um método inovador para preparar wafers de SiC envolve a tecnologia de colagem. Essa abordagem permite a fabricação de wafers através da colagem 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 específica na superfície do monocristal de SiC por meio de implantação de íons de hidrogênio ou técnicas similares. O monocristal de SiC processado é então colado a um substrato plano de suporte e submetido a pressão e calor. Isso permite a transferência e separação bem-sucedidas da camada de monocristal de SiC para o substrato de suporte.

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

Devido à elevada dureza e estabilidade química do SiC — que o torna resistente a reações à temperatura ambiente — o polimento mecânico é necessário para remover pequenas imperfeições de retificação, reduzir danos na superfície, eliminar riscos, corrosão e defeitos tipo casca de laranja, diminuir a rugosidade da superfície, melhorar a planicidade e aprimorar a qualidade da superfície.

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

Ajustar tipos de abrasivos,

Reduzir o tamanho das partículas,

Otimizar parâmetros do processo,

Selecione materiais e discos de polimento com dureza adequada.

A Figura 7 mostra que o polimento em ambos os lados com abrasivos de 1 μm pode controlar a planicidade e a variação de espessura em até 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 por partículas ultrafinas com ataque químico para formar uma superfície lisa e plana no material processado. O princípio básico é:

Ocorre uma reação química 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.

Consegue planarização tanto global quanto local.

Produz superfícies com alta planicidade e baixa rugosidade.

Não causa danos na superfície ou no subsolo.

Em detalhe:

O wafer se move em relação à almofada de polimento sob pressão.

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

Tipos de técnicas de CMP:

Polimento abrasivo livre: Abrasivos (por exemplo, SiO₂) são suspensos em uma pasta abrasiva. A remoção de material ocorre por abrasão de três corpos (disco – almofada – abrasivo). O tamanho do abrasivo (tipicamente 60–200 nm), o pH e a temperatura devem ser controlados com precisão para melhorar a uniformidade.

Polimento com abrasivos fixos: Os abrasivos são incorporados na almofada de polimento para evitar aglomeração — ideal para processamento de alta precisão.

Limpeza pós-polimento:

As lâminas polidas passam por:

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

Enxágue com água DI e

Secagem com nitrogênio quente

para minimizar os contaminantes superficiais.

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 riscos e corrosão irregular, superando os métodos puramente mecânicos ou químicos.

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

Outras técnicas de polimento emergentes

Além do CMP, foram propostos métodos alternativos, incluindo:

Polimento eletroquímico, polimento ou corrosão assistida por catalisador e

Polimento triboquímico.

No entanto, esses métodos ainda estão em fase de pesquisa e têm se desenvolvido lentamente devido às propriedades complexas do 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 de planicidade e rugosidade é crucial em cada etapa.

Tecnologia de Processamento

Durante a etapa de retificação do wafer, utiliza-se uma pasta de diamante com diferentes tamanhos de partículas para retificar o wafer até atingir a planicidade e a rugosidade superficial desejadas. Em seguida, realiza-se o polimento, utilizando técnicas de polimento mecânico e químico-mecânico (CMP) para produzir wafers de carbeto 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. Finalmente, os wafers polidos são limpos com agentes de limpeza especializados e água ultrapura para remover contaminantes da superfície. Em seguida, são secos com nitrogênio de ultra-alta pureza e secadores de centrifugação, completando todo o processo de produção.

Após anos de esforços, progressos significativos foram alcançados no processamento de monocristais de SiC na China. No mercado interno, monocristais de 4H-SiC dopados e semi-isolantes de 100 mm foram desenvolvidos com sucesso, e monocristais de 4H-SiC e 6H-SiC do tipo n já podem ser produzidos em lotes. Empresas como a TankeBlue e a 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 de processo para fatiamento, retificação 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. Existem vários problemas:

As teorias e tecnologias de processamento de SiC em nível internacional são rigorosamente protegidas e de difícil acesso.

Há uma carência de pesquisa teórica e de suporte para o aprimoramento e a otimização de processos.

O custo da importação de equipamentos e componentes estrangeiros é elevado.

A pesquisa nacional sobre projeto de equipamentos, precisão de processamento e materiais ainda apresenta lacunas significativas em comparação com os níveis internacionais.

Atualmente, a maioria dos instrumentos de alta precisão utilizados na China são importados. Os equipamentos e metodologias de teste também necessitam de aprimoramento.

Com o desenvolvimento contínuo de semicondutores de terceira geração, o diâmetro dos substratos monocristalinos de SiC está aumentando constantemente, juntamente com exigências cada vez maiores em relação à qualidade do processamento de superfície. A tecnologia de processamento de wafers tornou-se uma das etapas tecnicamente mais desafiadoras após o crescimento do monocristal de SiC.

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

Com o aumento do tamanho do wafer, 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 a Cree e a II-VI já iniciaram o planejamento para o desenvolvimento de linhas de produção de wafers de SiC de 8 polegadas.