س: ما هي التقنيات الرئيسية المستخدمة في تقطيع وتجهيز رقائق SiC؟
A:كربيد السيليكون يتمتع كربيد السيليكون (SiC) بصلابة لا تضاهيها صلابة الماس، ويُعتبر مادة شديدة الصلابة والهشاشة. عملية التقطيع، التي تتضمن تقطيع البلورات الناضجة إلى رقائق رقيقة، تستغرق وقتًا طويلاً وتكون عرضة للتشقق. كخطوة أولى فيكربيد السيليكونفي معالجة البلورات المفردة، تؤثر جودة التقطيع بشكل كبير على عمليات الطحن والتلميع والتخفيف اللاحقة. غالبًا ما يُحدث التقطيع تشققات سطحية وتحت سطحية، مما يزيد من معدلات كسر الرقاقة وتكاليف الإنتاج. لذلك، يُعدّ التحكم في تلف التشققات السطحية أثناء التقطيع أمرًا بالغ الأهمية لتطوير تصنيع أجهزة كربيد السيليكون (SiC).
تشمل طرق تقطيع كربيد السيليكون (SiC) المُستخدمة حاليًا التقطيع باستخدام مواد كاشطة ثابتة، والتقطيع باستخدام مواد كاشطة حرة، والقطع بالليزر، ونقل الطبقات (الفصل البارد)، والتقطيع بالتفريغ الكهربائي. من بين هذه الطرق، يُعد التقطيع الترددي متعدد الأسلاك باستخدام مواد كاشطة ماسية ثابتة الطريقة الأكثر شيوعًا لمعالجة بلورات كربيد السيليكون المفردة. ومع ذلك، مع وصول أحجام السبائك إلى 8 بوصات فأكثر، يصبح النشر السلكي التقليدي أقل عمليةً نظرًا لارتفاع متطلبات المعدات، وتكاليفها، وانخفاض كفاءتها. هناك حاجة ماسة لتقنيات تقطيع منخفضة التكلفة، ومنخفضة الخسائر، وعالية الكفاءة.
س: ما هي مزايا التقطيع بالليزر مقارنة بالقطع التقليدي متعدد الأسلاك؟
أ:تقطع المنشار السلكي التقليديسبيكة SiCفي اتجاه محدد، تُقطّع الشرائح إلى شرائح بسمك مئات الميكرونات. تُطحن الشرائح بعد ذلك باستخدام عجينة الماس لإزالة آثار المنشار والأضرار تحت السطح، ثم تُصقل كيميائيًا ميكانيكيًا (CMP) لتحقيق تسوية شاملة، وأخيرًا تُنظّف للحصول على رقائق SiC.
ومع ذلك، نظرًا لصلابة كربيد السيليكون العالية وهشاشته، يمكن أن تُسبب هذه الخطوات بسهولة تشوهًا وتشققًا وزيادةً في معدلات الكسر وارتفاعًا في تكاليف الإنتاج، كما تُؤدي إلى خشونة سطحية عالية وتلوث (مثل الغبار ومياه الصرف الصحي، إلخ). إضافةً إلى ذلك، يُعدّ النشر السلكي بطيئًا وذو إنتاجية منخفضة. تُشير التقديرات إلى أن التقطيع التقليدي متعدد الأسلاك لا يحقق سوى حوالي 50% من استهلاك المواد، ويُفقد ما يصل إلى 75% من المواد بعد التلميع والطحن. أشارت بيانات الإنتاج الأجنبية المبكرة إلى أن إنتاج 10,000 رقاقة قد يستغرق حوالي 273 يومًا من الإنتاج المتواصل على مدار 24 ساعة، وهو أمرٌ مُستهلكٌ للوقت.
محليًا، تُركز العديد من شركات نمو بلورات كربيد السيليكون (SiC) على زيادة سعة الأفران. ولكن، بدلًا من مجرد زيادة الإنتاج، من الأهم التفكير في كيفية تقليل الخسائر، خاصةً عندما لا تكون عوائد نمو البلورات مثالية بعد.
يمكن لمعدات التقطيع بالليزر أن تقلل بشكل كبير من فقدان المواد وتحسّن الإنتاجية. على سبيل المثال، باستخدام شفرة واحدة بقطر 20 ممسبيكة SiCيمكن أن ينتج النشر السلكي حوالي 30 رقاقة بسُمك 350 ميكرومتر. أما التقطيع بالليزر، فيمكن أن ينتج أكثر من 50 رقاقة. إذا خُفِّض سُمك الرقاقة إلى 200 ميكرومتر، يُمكن إنتاج أكثر من 80 رقاقة من نفس السبيكة. في حين يُستخدم النشر السلكي على نطاق واسع للرقاقات التي يبلغ سمكها 6 بوصات أو أقل، فإن تقطيع سبيكة SiC بسمك 8 بوصات قد يستغرق من 10 إلى 15 يومًا بالطرق التقليدية، مما يتطلب معدات متطورة ويؤدي إلى تكاليف باهظة مع انخفاض الكفاءة. في ظل هذه الظروف، تتضح مزايا التقطيع بالليزر، مما يجعله التقنية المستقبلية السائدة للرقاقات بسمك 8 بوصات.
مع 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 التقطيع بالليزر سرعة أعلى، وإنتاجية أفضل، وفقدان أقل للمواد، ومعالجة أنظف.
س: ما هي التحديات التقنية الرئيسية في تقطيع ليزر SiC؟
ج: تتضمن عملية التقطيع بالليزر خطوتين رئيسيتين: تعديل الليزر وفصل الرقاقة.
يعتمد تعديل الليزر على تشكيل الشعاع وتحسين المعاملات. تؤثر معاملات مثل قوة الليزر، وقطر البقعة، وسرعة المسح، جميعها على جودة استئصال المادة ونجاح فصل الرقاقة لاحقًا. يُحدد شكل المنطقة المُعدّلة خشونة السطح وصعوبة الفصل. تُعقّد خشونة السطح العالية عملية الطحن اللاحقة وتزيد من فقدان المادة.
بعد التعديل، يُفصل الرقاقة عادةً من خلال قوى القص، مثل الكسر البارد أو الإجهاد الميكانيكي. تستخدم بعض الأنظمة المنزلية محولات فوق صوتية لتحفيز الاهتزازات اللازمة للفصل، إلا أن هذا قد يُسبب تشققات وعيوبًا في الحواف، مما يُقلل من العائد النهائي.
مع أن هاتين الخطوتين ليستا صعبتين بطبيعتهما، إلا أن التباين في جودة البلورات - نتيجةً لاختلاف عمليات النمو، ومستويات التنشيط، وتوزيع الإجهاد الداخلي - يؤثر بشكل كبير على صعوبة التقطيع، والإنتاجية، وفقدان المواد. إن مجرد تحديد مناطق الخلل وتعديل مناطق المسح بالليزر قد لا يُحسّن النتائج بشكل كبير.
ويكمن مفتاح التبني الواسع النطاق في تطوير أساليب ومعدات مبتكرة يمكنها التكيف مع مجموعة واسعة من خصائص البلورات من مختلف الشركات المصنعة، وتحسين معلمات العملية، وبناء أنظمة تقطيع الليزر ذات قابلية التطبيق العالمية.
س: هل يمكن تطبيق تقنية التقطيع بالليزر على مواد أشباه الموصلات الأخرى بالإضافة إلى SiC؟
ج: طُبّقت تقنية القطع بالليزر تاريخيًا على مجموعة واسعة من المواد. ففي أشباه الموصلات، استُخدمت في البداية لتقطيع الرقاقات، ثم توسّع نطاق استخدامها لتقطيع بلورات مفردة كبيرة الحجم.
بالإضافة إلى كربيد السيليكون (SiC)، يُمكن استخدام التقطيع بالليزر أيضًا في مواد صلبة أو هشة أخرى، مثل الماس، ونتريد الغاليوم (GaN)، وأكسيد الغاليوم (Ga₂O₃). وقد أثبتت الدراسات الأولية على هذه المواد جدوى ومزايا التقطيع بالليزر في تطبيقات أشباه الموصلات.
س: هل تتوفر حاليًا منتجات جاهزة لمعدات التقطيع بالليزر المحلية؟ في أي مرحلة وصلت أبحاثكم؟
ج: تُعتبر معدات تقطيع كربيد السيليكون بالليزر كبيرة القطر على نطاق واسع معدات أساسية لمستقبل إنتاج رقائق كربيد السيليكون بقياس 8 بوصات. حاليًا، اليابان فقط هي القادرة على توفير هذه الأنظمة، وهي باهظة الثمن وتخضع لقيود التصدير.
يُقدَّر الطلب المحلي على أنظمة التقطيع/التخفيف بالليزر بحوالي 1000 وحدة، بناءً على خطط إنتاج كربيد السيليكون (SiC) والقدرة الإنتاجية الحالية لمناشير الأسلاك. وقد استثمرت الشركات المحلية الكبرى بكثافة في تطوير هذه الأنظمة، ولكن لم تصل أيٌّ من هذه الأنظمة الجاهزة للاستخدام التجاري إلى مرحلة الاستخدام الصناعي بعد.
تُطوّر مجموعات البحث تقنية رفع ليزرية خاصة منذ عام ٢٠٠١، وقد وسّعت نطاقها لتشمل تقطيع وتخفيف كربيد السيليكون بالليزر كبير القطر. وقد طوّروا نظامًا أوليًا وعمليات تقطيع قادرة على: تقطيع وتخفيف رقائق كربيد السيليكون شبه العازلة بأقطار تتراوح بين ٤ و٦ بوصات، وتقطيع سبائك كربيد السيليكون الموصلة بأقطار تتراوح بين ٦ و٨ بوصات. معايير الأداء: كربيد السيليكون شبه العازل بأقطار تتراوح بين ٦ و٨ بوصات: وقت التقطيع من ١٠ إلى ١٥ دقيقة لكل رقاقة؛ فقدان المادة أقل من ٣٠ ميكرومتر، كربيد السيليكون الموصل بأقطار تتراوح بين ٦ و٨ بوصات: وقت التقطيع من ١٤ إلى ٢٠ دقيقة لكل رقاقة؛ فقدان المادة أقل من ٦٠ ميكرومتر.
من المتوقع زيادة إنتاج الرقاقة بأكثر من 50%
بعد التقطيع، تُلبي الرقائق المعايير الوطنية للهندسة بعد الطحن والتلميع. كما تُظهر الدراسات أن التأثيرات الحرارية الناتجة عن الليزر لا تؤثر بشكل كبير على الإجهاد أو الهندسة في الرقائق.
وقد تم استخدام نفس المعدات أيضًا للتحقق من إمكانية تقطيع بلورات الماس وGaN وGa₂O₃ المفردة.
وقت النشر: ٢٣ مايو ٢٠٢٥