Πλακέτες από καρβυρό πυριτίου (SiC)έχουν γίνει ένα από τα σημαντικότερα υποστρώματα ημιαγωγών για την ηλεκτρονική ισχύς επόμενης γενιάς, τα ηλεκτρικά οχήματα, τα συστήματα ανανεώσιμης ενέργειας και τις συσκευές επικοινωνίας υψηλής συχνότητας.Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά πλακάκια πυριτίου (Si)Το SiC προσφέρει ανώτερες ηλεκτρικές, θερμικές και μηχανικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένου ενός ευρέος εύρους ζώνης, υψηλής τάσης διάσπασης, υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και εξαιρετικής χημικής σταθερότητας.

Ωστόσο, οι ίδιες ιδιότητες που κάνουν το SiC ένα ιδανικό υλικό ημιαγωγών δημιουργούν επίσης σημαντικές προκλήσεις κατά την κατασκευή πλακών.κατασκευή διεργασιών όπως η άλεσηΗ επεξεργασία των πλακών από πυρίτιο είναι πολύ πιο δύσκολη σε σύγκριση με την παραδοσιακή επεξεργασία των πλακών από πυρίτιο.

Η επίτευξη υψηλής ποιότητας πλακών SiC απαιτεί ακριβή έλεγχο της αφαίρεσης υλικού, της τραχύτητας της επιφάνειας, της βλάβης των κρυστάλλων, των ελαττωμάτων και της μόλυνσης.Αυτοί οι παράγοντες επηρεάζουν άμεσα την απόδοση και την αξιοπιστία των συσκευών SiC.

Αυτό το άρθρο παρέχει μια τεχνική επισκόπηση των προκλήσεων επεξεργασίας κυψελών SiC, με επίκεντρο τις τεχνολογίες άλεσης, γυαλισμού και κοινών ελαττωμάτων επιφάνειας.

1Γιατί η επεξεργασία των κυψελών SiC είναι μια πρόκληση

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένας σύνθετος ημιαγωγός που αποτελείται από άτομα πυριτίου και άνθρακα που είναι διατεταγμένα σε μια ισχυρή συγκυριακή κρυσταλλική δομή.

Αρκετές φυσικές ιδιότητες καθιστούν το SiC δύσκολο να επεξεργαστεί:

1.1 Εξαιρετικά υψηλή σκληρότητα

Το SiC έχει σκληρότητα Mohs περίπου 9,0 ̊9.5, κοντά στο διαμάντι.

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα:

• Υψηλή φθορά εργαλείου κατά τη διάρκεια της άλεσης
• Χαμηλή απόδοση αφαίρεσης υλικού
• Αυξημένο κόστος επεξεργασίας
• Δυσκολία στην επίτευξη εξαιρετικά ομαλών επιφανειών

Σε σύγκριση με το πυρίτιο, το SiC απαιτεί σημαντικά πιο επιθετικές τεχνικές μηχανικής επεξεργασίας.

1.2 Υψηλή εύθραυσση

Αν και το SiC είναι μηχανικά ισχυρό, είναι επίσης εύθραυστο.

Κατά τη διάρκεια των επεξεργαστικών διαδικασιών, η υπερβολική μηχανική πίεση μπορεί να προκαλέσει:

• Ράγες επιφάνειας
• Βλάβη κάτω από την επιφάνεια
• Τρίψιμο άκρων
• Σπάσιμο της πλάκας

Ως εκ τούτου, ο έλεγχος της μηχανικής πίεσης είναι μία από τις σημαντικότερες προκλήσεις στην κατασκευή πλακών SiC.

1.3 Ισχυρή χημική σταθερότητα

Το SiC έχει εξαιρετική χημική αντοχή, η οποία είναι ευεργετική για εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών.

Ωστόσο, σημαίνει επίσης:

• Οι συμβατικές χημικές μεθόδους γυάλωσης είναι λιγότερο αποτελεσματικές
• Απαιτούνται πιο προηγμένες τεχνικές γυάλωσης
• Αύξηση του χρόνου επεξεργασίας

2. Σύνοψη της διαδικασίας κατασκευής κυψελών SiC

Μια τυπική διαδικασία παραγωγής κυψελών SiC περιλαμβάνει αρκετά κύρια βήματα:

1. SiC Κρυστάλλινη ανάπτυξη

Οι υψηλής ποιότητας κρύσταλλοι SiC παράγονται με μεθόδους όπως:

• Φυσική μεταφορά ατμών (PVT)
• Ανάθεση χημικών ατμών υψηλής θερμοκρασίας (HTCVD)

Ο κρυστάλλος που προκύπτει ονομάζεται σφαίρα SiC.

2. Κόψιμο κυψελών

Η σφαίρα SiC κόβεται σε λεπτές πλάκες χρησιμοποιώντας:

• Σιδερένιο σύρμα διαμαντιού
• Μεθόδους κοπής
• Προηγμένες τεχνολογίες κοπής

Οι προκλήσεις περιλαμβάνουν:

• Υλικές απώλειες
• Μείωση ζημιών
• Ακανόνιστη επιφάνεια

3Στρίψιμο

Η άλεση αφαιρεί ζημιές από το πριόνι και ρυθμίζει το πάχος της πλάκας.

4. Λάπτισμα και γυάλισμα

Αυτές οι διαδικασίες βελτιώνουν:

• Πλατεία
• Ακατέργαστη επιφάνεια
• Κρυστάλλινη ποιότητα

5. Επιθεώρηση και καθαρισμός

Η τελική επιθεώρηση αξιολογεί:

• Πληθυσμός ελαττωμάτων
• Ακατέργαστη επιφάνεια
• Ομοιότητα πάχους
• Ελαττώματα κρυστάλλων

3Η διαδικασία άλεσης κυψελών SiC

3.1 Σκοπός της άλεσης

Μετά τη φέτα, οι πλάκες SiC έχουν συνήθως:

• Μεγάλη τραχύτητα επιφάνειας
• Σημάδια από πριονιστήρα
• Ρεύσεις κάτω από την επιφάνεια
• Διακύμανση πάχους

Η άλεση αφαιρεί τα κατεστραμμένα στρώματα και προετοιμάζει την πλάκα για γυάλισμα.

3.2 Μέθοδοι άλεσης

Μηχανική άλεση

Η μηχανική άλεση χρησιμοποιεί τροχούς άλεσης διαμαντιών για την αφαίρεση υλικού SiC.

Οι τυπικές παραμέτρους περιλαμβάνουν:

• Πίεση άλεσης
• Ταχύτητα τροχών
• Ποσοστό τροφοδοσίας
• Μέγεθος σωματιδίων διαμαντιού

Πλεονεκτήματα

• Υψηλό ποσοστό αφαίρεσης υλικού
• Διορθωτικά για τη διόρθωση πάχους
• Τεχνική διαδικασία

Προκλήσεις:

• Δημιουργεί μηχανική πίεση
• Δημιουργεί ζημιές κάτω από την επιφάνεια
• Απαιτεί πρόσθετα βήματα γυάλωσης

3.3 Επιλογή αβραστικού διαμαντιού

Επειδή το SiC είναι εξαιρετικά σκληρό, συνήθως χρησιμοποιούνται αβραστικά διαμαντιού.

Το μέγεθος του αβραστικού επηρεάζει:

Ακατέργαστα σωματίδια διαμαντιού

Πλεονεκτήματα

• Αύξητο ποσοστό αφαίρεσης

Μειονεκτήματα:

• Περισσότερες επιφανειακές ζημιές.

Τεχνικά σωματίδια διαμαντιού

Πλεονεκτήματα

• Καλύτερη ποιότητα επιφάνειας

Μειονεκτήματα:

• Μειωμένη απόδοση

Οι κατασκευαστές πρέπει να εξισορροπούν την παραγωγικότητα και την ακεραιότητα της επιφάνειας.

4Τεχνολογία γυάλωσης κυψελών SiC

Μετά την άλεση, οι πλάκες SiC απαιτούν γυαλισμό για να επιτευχθούν επιφάνειες ποιότητας ημιαγωγών.

Οι στόχοι απαιτήσεων συχνά περιλαμβάνουν:

• Ακατέργαστη επιφάνεια σε επίπεδο νανομέτρου
• Χαμηλή πυκνότητα ελαττωμάτων
• Εξαιρετική επίπεδεια
• Ελάχιστη υποεπιφανειακή ζημιά

4.1 Μηχανική γυάλωση

Η μηχανική γυάλωση χρησιμοποιεί θραυστικά σωματίδια για να αφαιρέσει σταδιακά το υλικό της επιφάνειας.

Τα κοινά αποτριχωτικά περιλαμβάνουν:

• Λάσπη διαμαντιού
• Κολοειδής πυριτίνη
• Σωματίδια αλουμινίου

Πλεονεκτήματα

• Απλή διαδικασία
• Καλή ικανότητα τελικής επεξεργασίας επιφάνειας

Περιορισμοί:

• Μπορεί να προκαλέσει γρατζουνιές
• Αργός ρυθμός αφαίρεσης υλικού

4.2 Χημική Μηχανική Λούστρωση (CMP)

Η CMP συνδυάζει μηχανική υγρασία και χημικές αντιδράσεις.

Η διαδικασία χρησιμοποιεί:

• Χημική λιπαρή ουσία
• Πλαστική πλακέτα
• Ελεγχόμενη πίεση

Χημικές αντιδράσεις μαλακώνουν την επιφάνεια του SiC, επιτρέποντας τη μηχανική αφαίρεση.

Πλεονεκτήματα

• Εξαιρετική ποιότητα επιφάνειας
• Χαμηλή τραχύτητα
• Διορθωτικά για εφαρμογές σε ημιαγωγούς

Προκλήσεις:

• Αργός ρυθμός αφαίρεσης
• Δύσκολη χημική βελτιστοποίηση
• Υψηλό κόστος διαδικασίας

4.3 Πλάσμα και προηγμένες τεχνολογίες γυάλωσης

Αναπτύσσονται νέες προσεγγίσεις για να ξεπεραστούν οι περιορισμοί της επεξεργασίας SiC.

Παραδείγματα:

Χωρισμός με βοήθεια πλάσματος

Χρησιμοποιεί ενεργοποίηση πλάσματος για να τροποποιήσει την επιφάνεια SiC πριν την αφαίρεση.

Πλεονεκτήματα

• Μειωμένη μηχανική βλάβη
• Βελτίωση της ποιότητας της επιφάνειας

Μαγνητορεολογικό φινίρισμα

Χρησιμοποιεί μαγνητικό πεδίο που ελέγχει τα υγρά γυάλωσης.

Πλεονεκτήματα

• Τελική επεξεργασία εξαιρετικής ακρίβειας
• Για προηγμένες εφαρμογές

5Συχνά ελαττώματα επιφάνειας σε πλακίδια SiC

Η ποιότητα της επιφάνειας επηρεάζει άμεσα τις επιδόσεις των συσκευών ημιαγωγών.

Πολλά ελαττώματα εμφανίζονται συχνά κατά την επεξεργασία των πλακών SiC.

5.1 Χαλάσεις

Οι γρατζουνιές είναι συνηθισμένα ελαττώματα που προκαλούνται από:

• Αβραστικά σωματίδια
• Ακατάλληλες συνθήκες γυάλωσης
• Καθαρισμός

Επιπτώσεις:

• Αυξημένο ρεύμα διαρροής
• Μειωμένη αξιοπιστία της συσκευής

5.2 Μικροσωλήνες

Οι μικροσωλήνες είναι ελαττώματα κοίλου πυρήνα που εκτείνονται μέσα από κρύσταλλους SiC.

Προέρχονται κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης των κρυστάλλων.

Επιπτώσεις:

• Ηλεκτρική βλάβη
• Ελαττώματα συσκευής

Η σύγχρονη παραγωγή SiC έχει μειώσει σημαντικά την πυκνότητα των μικροσωλήνων, αλλά ο έλεγχός τους παραμένει σημαντικός.

5.3 Διαταραχές του βασικού επιπέδου (BPD)

Τα BPD είναι κρυστάλλινα ελαττώματα που βρίσκονται στα βασικά επίπεδα.

Μπορούν να προκαλέσουν:

• Διπολική υποβάθμιση
• Μειωμένη διάρκεια ζωής της συσκευής

Ο έλεγχος της BPD είναι κρίσιμος για τις υψηλής απόδοσης συσκευές ισχύος SiC.

5.4 Εξάρθρωση της πεταλούδας

Αυτά τα ελαττώματα εκτείνονται κάθετα μέσα από τον κρύσταλλο.

Οι τύποι περιλαμβάνουν:

• Διάσπαση βίδες πεταλούδας (TSD)
• Διαταραχές στην άκρη της κλωστοειδούς (TED)

Μπορούν να επηρεάσουν:

• Κινητικότητα φορέα
• Αξιοπιστία της συσκευής

5.5 Τρίψιμο άκρων

Η θραύση των άκρων συμβαίνει κυρίως κατά τη διάρκεια:

• Κόψιμο
• Στρίψιμο
• Επεξεργασία

Προβλήματα που προκαλούνται:

• Μειωμένη αντοχή της πλάκας
• Αυξημένος κίνδυνος ρήξης
• Δυσκολίες συσκευασίας

6Βασικές παραμέτρους ποιότητας κυψελών SiC

Επεξεργασία των υλικών

Η τραχύτητα της επιφάνειας δείχνει μικροσκοπική παραλλαγή της επιφάνειας.

Απαιτούνται χαμηλότερες τιμές Ra:

• Επιταξιακή ανάπτυξη
• Συσκευές υψηλών επιδόσεων

Συνολική διακύμανση πάχους (TTV)

Το TTV αντιπροσωπεύει τις διαφορές πάχους σε όλη τη πλάκα.

Η χαμηλή TTV βελτιώνει:

• Ομοιομορφία διαδικασίας
• Απόδοση συσκευής

Πλώρη και Δύναμη

Η καμπύλη και η δίνη περιγράφουν την καμπυλότητα της πλάκας.

Υψηλές τιμές μπορεί να προκαλέσουν:

• Προβλήματα ευθυγράμμισης λιθογραφίας
• Διαχείριση ζητημάτων

Πληθυσμός ελαττωμάτων

Σημαντικά ελαττώματα περιλαμβάνουν:

• Μικροσωλήνες
• Διάταξη
• Σωματίδια
• Ελαττώματα επιφάνειας

Η χαμηλότερη πυκνότητα ελαττωμάτων οδηγεί σε μεγαλύτερη αξιοπιστία της συσκευής.

7. Μελλοντικές τάσεις ανάπτυξης στην επεξεργασία κυψελών SiC

7.1 Σίμ-Σοφέλες μεγαλύτερης διαμέτρου

Η βιομηχανία μεταβαίνει από:

• Σφραγίδες SiC 100 mm
• 150 mm πλακίδια SiC

προς:

• Βάλες SiC 200 mm

Οι μεγαλύτερες πλάκες μπορούν να μειώσουν το κόστος παραγωγής, αλλά δημιουργούν πρόσθετες προκλήσεις επεξεργασίας.

7.2 Βάση τεχνητής νοημοσύνης βελτιστοποίηση διαδικασιών

Η τεχνητή νοημοσύνη χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο για:

• Ανίχνευση ελαττωμάτων
• Παρακολούθηση διαδικασιών
• Προβλέψεις απόδοσης

7.3 Βελτιωμένη μηχανική επιφάνειας

Οι μελλοντικές τεχνολογίες θα επικεντρωθούν:

• Ταχύτερη γυάλωση
• Λιγότερη επεξεργασία ζημιών
• Καλύτερος έλεγχος ελαττωμάτων

Συμπεράσματα

Τα πλακάκια SiC παρέχουν σημαντικά πλεονεκτήματα για τις συσκευές ημιαγωγών επόμενης γενιάς, ειδικά σε εφαρμογές υψηλής ισχύος και υψηλών θερμοκρασιών.και η χημική σταθερότητα του SiC καθιστούν την επεξεργασία των πλακιδίων σημαντικά πιο δύσκολη από την παραδοσιακή παραγωγή πυριτίου.

Οι τεχνολογίες άλεσης και γυαλισμού διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην επίτευξη κυψελών SiC σε επίπεδο ημιαγωγών.και η τραχύτητα της επιφάνειας είναι απαραίτητη για τη βελτίωση των επιδόσεων της συσκευής και της απόδοσης της παραγωγής.

Καθώς αυξάνεται η ζήτηση για ηλεκτρικά οχήματα, συστήματα ανανεώσιμης ενέργειας και προηγμένα ηλεκτρονικά,Οι καινοτομίες στην επεξεργασία κυψελών SiC θα συνεχίσουν να αποτελούν βασικό παράγοντα στην ανάπτυξη των μελλοντικών τεχνολογιών ημιαγωγών.