س: ما هي التقنيات الرئيسية المستخدمة في تقطيع ومعالجة رقائق كربيد السيليكون؟
A:كربيد السيليكون يتمتع كربيد السيليكون (SiC) بصلابة لا تقل إلا عن الماس، ويُعتبر مادة شديدة الصلابة والهشاشة. عملية التقطيع، التي تتضمن قطع البلورات النامية إلى رقائق رقيقة، تستغرق وقتًا طويلاً وعرضة للتشقق. كخطوة أولى فيكربيد السيليكونفي معالجة البلورات الأحادية، تؤثر جودة التقطيع بشكل كبير على عمليات الطحن والتلميع والترقيق اللاحقة. غالبًا ما يُحدث التقطيع تشققات سطحية وتحت سطحية، مما يزيد من معدلات تكسر الرقاقات وتكاليف الإنتاج. لذلك، يُعد التحكم في تلف التشققات السطحية أثناء التقطيع أمرًا بالغ الأهمية لتطوير تصنيع أجهزة كربيد السيليكون.
تشمل طرق تقطيع كربيد السيليكون (SiC) المُبلغ عنها حاليًا: التقطيع باستخدام مواد كاشطة ثابتة، والتقطيع باستخدام مواد كاشطة حرة، والقطع بالليزر، ونقل الطبقات (الفصل البارد)، والتقطيع بالتفريغ الكهربائي. ومن بين هذه الطرق، يُعد التقطيع الترددي متعدد الأسلاك باستخدام مواد كاشطة ماسية ثابتة الطريقة الأكثر شيوعًا لمعالجة بلورات كربيد السيليكون الأحادية. ومع ذلك، عندما يصل حجم السبائك إلى 8 بوصات فأكثر، يصبح استخدام المنشار السلكي التقليدي أقل عملية نظرًا لمتطلبات المعدات العالية والتكاليف المرتفعة والكفاءة المنخفضة. ثمة حاجة ماسة إلى تقنيات تقطيع منخفضة التكلفة والفقد وعالية الكفاءة.
س: ما هي مزايا القطع بالليزر مقارنة بالقطع التقليدي متعدد الأسلاك؟
أ: تقطع منشار الأسلاك التقليديسبيكة كربيد السيليكونيتم تقطيعها على طول اتجاه محدد إلى شرائح بسمك عدة مئات من الميكرونات. ثم تُصقل الشرائح باستخدام معجون الماس لإزالة آثار المنشار والتلف تحت السطحي، يليها التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) لتحقيق تسوية شاملة، وأخيرًا تُنظف للحصول على رقائق كربيد السيليكون.
مع ذلك، ونظرًا لصلابة كربيد السيليكون العالية وهشاشته، قد تتسبب هذه الخطوات بسهولة في التواء الرقاقة وتشققها، وزيادة معدلات الكسر، وارتفاع تكاليف الإنتاج، فضلًا عن خشونة سطحها العالية وتلوثها (بالغبار ومياه الصرف الصحي، إلخ). إضافةً إلى ذلك، تُعدّ عملية قطع الأسلاك بطيئة وذات إنتاجية منخفضة. وتشير التقديرات إلى أن عملية القطع التقليدية متعددة الأسلاك لا تحقق سوى 50% تقريبًا من استخدام المواد، ويُفقد ما يصل إلى 75% منها بعد التلميع والطحن. وقد أشارت بيانات الإنتاج الأجنبية الأولية إلى أن إنتاج 10,000 رقاقة قد يستغرق حوالي 273 يومًا من الإنتاج المتواصل على مدار 24 ساعة، وهو وقت طويل جدًا.
محلياً، تركز العديد من شركات إنتاج بلورات كربيد السيليكون على زيادة طاقة الأفران. ومع ذلك، فبدلاً من مجرد توسيع الإنتاج، من الأهمية بمكان النظر في كيفية تقليل الخسائر، خاصةً عندما لا تكون عوائد إنتاج البلورات مثالية بعد.
يمكن لمعدات التقطيع بالليزر أن تقلل بشكل كبير من فقدان المواد وتحسن الإنتاجية. على سبيل المثال، باستخدام شريحة واحدة بسمك 20 ممسبيكة كربيد السيليكونيمكن أن ينتج عن قطع الأسلاك حوالي 30 رقاقة بسمك 350 ميكرومتر. بينما يمكن أن ينتج عن تقطيع السيليكون بالليزر أكثر من 50 رقاقة. وإذا تم تقليل سمك الرقاقة إلى 200 ميكرومتر، فيمكن إنتاج أكثر من 80 رقاقة من نفس السبيكة. في حين أن قطع الأسلاك شائع الاستخدام للرقاقات التي يبلغ قطرها 6 بوصات أو أقل، فإن تقطيع سبيكة من كربيد السيليكون (SiC) بقطر 8 بوصات قد يستغرق من 10 إلى 15 يومًا بالطرق التقليدية، مما يتطلب معدات متطورة وتكاليف باهظة مع كفاءة منخفضة. في ظل هذه الظروف، تتضح مزايا تقطيع السيليكون بالليزر، مما يجعله التقنية المستقبلية السائدة لرقائق السيليكون بقطر 8 بوصات.
باستخدام القطع بالليزر، يمكن أن يكون وقت التقطيع لكل رقاقة مقاس 8 بوصات أقل من 20 دقيقة، مع فقدان المواد لكل رقاقة أقل من 60 ميكرومتر.
باختصار، بالمقارنة مع القطع متعدد الأسلاك، يوفر القطع بالليزر سرعة أعلى، وإنتاجية أفضل، وفقدان أقل للمواد، ومعالجة أنظف.
س: ما هي التحديات التقنية الرئيسية في تقطيع السيليكون كاربايد بالليزر؟
ج: تتضمن عملية تقطيع الليزر خطوتين رئيسيتين: تعديل الليزر وفصل الرقاقة.
يرتكز التعديل بالليزر على تشكيل الشعاع وتحسين المعايير. تؤثر معايير مثل قدرة الليزر وقطر البقعة وسرعة المسح على جودة إزالة المادة ونجاح فصل الرقاقة لاحقًا. يحدد شكل المنطقة المُعدّلة خشونة السطح وصعوبة الفصل. تؤدي خشونة السطح العالية إلى تعقيد عملية التجليخ اللاحقة وزيادة فقدان المادة.
بعد التعديل، يتم فصل الرقاقات عادةً عن طريق قوى القص، مثل الكسر البارد أو الإجهاد الميكانيكي. تستخدم بعض الأنظمة المنزلية محولات طاقة فوق صوتية لإحداث اهتزازات من أجل الفصل، ولكن هذا قد يتسبب في تشقق الرقاقات وظهور عيوب في الحواف، مما يقلل من الإنتاجية النهائية.
على الرغم من أن هاتين الخطوتين ليستا صعبتين في حد ذاتهما، إلا أن التباينات في جودة البلورات - نتيجة لاختلاف عمليات النمو ومستويات التشويب وتوزيعات الإجهاد الداخلي - تؤثر بشكل كبير على صعوبة التقطيع والإنتاجية وفقدان المادة. وقد لا يؤدي مجرد تحديد المناطق التي بها مشاكل وتعديل مناطق المسح بالليزر إلى تحسين النتائج بشكل ملحوظ.
يكمن مفتاح الانتشار الواسع في تطوير أساليب ومعدات مبتكرة يمكنها التكيف مع مجموعة واسعة من جودة البلورات من مختلف الشركات المصنعة، وتحسين معايير العملية، وبناء أنظمة تقطيع بالليزر ذات قابلية تطبيق عالمية.
س: هل يمكن تطبيق تقنية تقطيع الليزر على مواد أشباه الموصلات الأخرى إلى جانب كربيد السيليكون؟
ج: لطالما تم تطبيق تقنية القطع بالليزر على مجموعة واسعة من المواد. في أشباه الموصلات، تم استخدامها في البداية لتقطيع الرقائق، ثم توسعت منذ ذلك الحين لتشمل تقطيع البلورات الأحادية الكبيرة.
إلى جانب كربيد السيليكون، يمكن استخدام تقنية التقطيع بالليزر مع مواد صلبة أو هشة أخرى مثل الماس، ونيتريد الغاليوم، وأكسيد الغاليوم. وقد أظهرت الدراسات الأولية على هذه المواد جدوى ومزايا التقطيع بالليزر في تطبيقات أشباه الموصلات.
س: هل توجد حاليًا منتجات ناضجة لأجهزة تقطيع الليزر المنزلية؟ ما هي المرحلة التي وصل إليها بحثكم؟
أ: تُعتبر معدات تقطيع السيليكون كاربايد بالليزر ذات القطر الكبير من المعدات الأساسية لمستقبل إنتاج رقائق السيليكون كاربايد بحجم 8 بوصات. حاليًا، اليابان هي الدولة الوحيدة القادرة على توفير هذه الأنظمة، وهي باهظة الثمن وتخضع لقيود التصدير.
يُقدّر الطلب المحلي على أنظمة تقطيع/ترقيق المواد بالليزر بحوالي 1000 وحدة، استنادًا إلى خطط إنتاج كربيد السيليكون والطاقة الإنتاجية الحالية لمنشار الأسلاك. وقد استثمرت الشركات المحلية الكبرى بكثافة في التطوير، ولكن لم يصل أي جهاز محلي ناضج ومتاح تجاريًا إلى مرحلة الاستخدام الصناعي حتى الآن.
تعمل فرق بحثية على تطوير تقنية رفع الليزر الخاصة بها منذ عام 2001، وقد وسّعت نطاقها الآن ليشمل تقطيع وترقيق رقائق كربيد السيليكون (SiC) ذات الأقطار الكبيرة باستخدام الليزر. وقد طوّرت هذه الفرق نظامًا أوليًا وعمليات تقطيع قادرة على: تقطيع وترقيق رقائق كربيد السيليكون شبه العازلة بقياس 4-6 بوصات، وتقطيع سبائك كربيد السيليكون الموصلة بقياس 6-8 بوصات. معايير الأداء: رقائق كربيد السيليكون شبه العازلة بقياس 6-8 بوصات: زمن التقطيع 10-15 دقيقة/رقاقة؛ فقدان المادة أقل من 30 ميكرومتر. رقائق كربيد السيليكون الموصلة بقياس 6-8 بوصات: زمن التقطيع 14-20 دقيقة/رقاقة؛ فقدان المادة أقل من 60 ميكرومتر.
ارتفع إنتاج الرقائق المقدر بأكثر من 50%
بعد عملية التقطيع، تستوفي الرقاقات المعايير الوطنية للهندسة بعد الطحن والتلميع. كما تُظهر الدراسات أن التأثيرات الحرارية الناتجة عن الليزر لا تؤثر بشكل كبير على الإجهاد أو الهندسة في الرقاقات.
وقد تم استخدام نفس المعدات أيضًا للتحقق من جدوى تقطيع البلورات المفردة من الماس، و GaN، و Ga₂O₃.
تاريخ النشر: 23 مايو 2025