الوضع الحالي واتجاهات تكنولوجيا معالجة رقائق كربيد السيليكون

باعتبارها مادة ركيزة لأشباه الموصلات من الجيل الثالث،كربيد السيليكون (SiC)تتمتع البلورات الأحادية بآفاق تطبيق واسعة في تصنيع الأجهزة الإلكترونية عالية التردد والطاقة. وتلعب تقنية معالجة كربيد السيليكون (SiC) دورًا حاسمًا في إنتاج مواد ركائز عالية الجودة. تستعرض هذه المقالة الوضع الراهن للأبحاث المتعلقة بتقنيات معالجة كربيد السيليكون في الصين وخارجها، وتحلل وتقارن آليات عمليات القطع والطحن والتلميع، فضلًا عن اتجاهات استواء الرقاقات وخشونة سطحها. كما تُشير إلى التحديات القائمة في معالجة رقائق كربيد السيليكون، وتناقش توجهات التطوير المستقبلية.

كربيد السيليكون (SiC)تُعدّ الرقائق مواد أساسية بالغة الأهمية لأجهزة أشباه الموصلات من الجيل الثالث، ولها أهمية كبيرة وإمكانات سوقية هائلة في مجالات مثل الإلكترونيات الدقيقة، وإلكترونيات الطاقة، وإضاءة أشباه الموصلات. وذلك بفضل صلابتها العالية للغاية واستقرارها الكيميائي.بلورات أحادية من كربيد السيليكونلا تُعدّ طرق معالجة أشباه الموصلات التقليدية مناسبة تمامًا لتصنيعها. ورغم أن العديد من الشركات العالمية قد أجرت أبحاثًا مكثفة حول المعالجة التقنية المعقدة لبلورات كربيد السيليكون الأحادية، إلا أن التقنيات ذات الصلة تُحفظ بسرية تامة.

في السنوات الأخيرة، كثّفت الصين جهودها في تطوير مواد وأجهزة بلورية أحادية من كربيد السيليكون. إلا أن تقدم تكنولوجيا أجهزة كربيد السيليكون في البلاد يواجه حاليًا قيودًا بسبب محدودية تقنيات المعالجة وجودة الرقائق. لذا، من الضروري للصين تحسين قدراتها في معالجة كربيد السيليكون لتعزيز جودة ركائز بلورية أحادية من كربيد السيليكون، وتحقيق تطبيقاتها العملية وإنتاجها بكميات كبيرة.

تشمل خطوات المعالجة الرئيسية ما يلي: القطع → الطحن الخشن → الطحن الناعم → التلميع الخشن (التلميع الميكانيكي) → التلميع الناعم (التلميع الكيميائي الميكانيكي، CMP) → الفحص.

قطع بلورات أحادية من كربيد السيليكون

في عملية معالجةبلورات أحادية من كربيد السيليكونتُعدّ عملية القطع الخطوة الأولى والبالغة الأهمية. فانحناء الرقاقة، والتواءها، وتفاوت سمكها الكلي الناتج عن عملية القطع، يحدد جودة وفعالية عمليات الطحن والتلميع اللاحقة.

يمكن تصنيف أدوات القطع حسب شكلها إلى مناشير ماسية ذات قطر داخلي، ومناشير ذات قطر خارجي، ومناشير شريطية، ومناشير سلكية. ويمكن تصنيف المناشير السلكية بدورها حسب نوع حركتها إلى أنظمة سلكية ترددية وحلقية (لا نهائية). وبناءً على آلية قطع المادة الكاشطة، يمكن تقسيم تقنيات القطع بالمنشار السلكي إلى نوعين: القطع بالمنشار السلكي ذي المادة الكاشطة الحرة، والقطع بالمنشار السلكي الماسي ذي المادة الكاشطة الثابتة.

1.1 طرق القطع التقليدية

يُحدَّد عمق القطع في المناشير ذات القطر الخارجي بقطر النصل. وخلال عملية القطع، يكون النصل عرضةً للاهتزاز والانحراف، مما ينتج عنه مستويات ضوضاء عالية وصلابة ضعيفة. أما المناشير ذات القطر الداخلي، فتستخدم مواد كاشطة ماسية على المحيط الداخلي للنصل كحافة قاطعة. ويمكن أن يصل سمك هذه الأنصال إلى 0.2 مم. وأثناء القطع، يدور النصل ذو القطر الداخلي بسرعة عالية بينما تتحرك المادة المراد قطعها شعاعيًا بالنسبة لمركز النصل، مما يحقق القطع من خلال هذه الحركة النسبية.

تتطلب مناشير الشريط الماسية توقفات وانعكاسات متكررة، وسرعة القطع فيها منخفضة جدًا، لا تتجاوز عادةً مترين في الثانية. كما أنها تعاني من تآكل ميكانيكي كبير وتكاليف صيانة مرتفعة. ونظرًا لعرض شفرة المنشار، لا يمكن أن يكون نصف قطر القطع صغيرًا جدًا، ولا يمكن إجراء قطع متعددة الشرائح. هذه الأدوات التقليدية للنشر محدودة بصلابة القاعدة، ولا يمكنها إجراء قطع منحنية أو أنصاف أقطار دورانها محدودة. فهي قادرة فقط على إجراء قطع مستقيمة، وتنتج شقوقًا عريضة، ومعدل إنتاجها منخفض، وبالتالي فهي غير مناسبة للقطع.بلورات كربيد السيليكون.

1.2 منشار سلكي كاشط مجاني لقطع الأسلاك المتعددة

تعتمد تقنية القطع بمنشار سلكي كاشط حر على الحركة السريعة للسلك لنقل المعجون إلى شق القطع، مما يتيح إزالة المادة. وتعتمد هذه التقنية بشكل أساسي على بنية ترددية، وهي حاليًا طريقة ناضجة وشائعة الاستخدام لقطع رقائق متعددة من السيليكون أحادي البلورة بكفاءة. ومع ذلك، فإن تطبيقها في قطع كربيد السيليكون لم يحظَ بدراسة كافية.

تستطيع مناشير الأسلاك الكاشطة الحرة معالجة رقائق السيليكون بسماكة أقل من 300 ميكرومتر. وتتميز هذه المناشير بانخفاض فقدان المادة أثناء القطع، ونادرًا ما تتسبب في تشقق الرقائق، مما ينتج عنه جودة سطح جيدة نسبيًا. مع ذلك، ونظرًا لآلية إزالة المادة - القائمة على دحرجة المواد الكاشطة وضغطها - يميل سطح الرقاقة إلى تكوين إجهاد متبقٍ كبير، وتشققات دقيقة، وطبقات تلف أعمق. يؤدي هذا إلى انحناء الرقاقة، ويصعب معه التحكم في دقة شكل السطح، ويزيد من الحمل على خطوات المعالجة اللاحقة.

يتأثر أداء القطع بشكل كبير بتركيبة المادة الكاشطة؛ لذا من الضروري الحفاظ على حدة المواد الكاشطة وتركيز المادة الكاشطة. وتُعد معالجة المادة الكاشطة وإعادة تدويرها مكلفة. عند قطع السبائك كبيرة الحجم، تواجه المواد الكاشطة صعوبة في اختراق الشقوق العميقة والطويلة. ومع نفس حجم حبيبات المادة الكاشطة، يكون فقدان القطع أكبر من فقدانه في مناشير الأسلاك ذات المواد الكاشطة الثابتة.

1.3 منشار سلكي ماسي ثابت كاشط لقطع الأسلاك المتعددة

تُصنع مناشير الأسلاك الماسية ذات الحبيبات الكاشطة الثابتة عادةً عن طريق تضمين جزيئات الماس على ركيزة من سلك فولاذي باستخدام طرق الطلاء الكهربائي أو التلبيد أو الربط بالراتنج. توفر مناشير الأسلاك الماسية المطلية كهربائياً مزايا مثل شقوق أضيق، وجودة قطع أفضل، وكفاءة أعلى، وتلوث أقل، والقدرة على قطع المواد عالية الصلابة.

يُعدّ منشار سلك الماس المطلي كهربائيًا ذو الحركة الترددية الطريقة الأكثر شيوعًا لقطع كربيد السيليكون (SiC). يوضح الشكل 1 (غير الموضح هنا) مدى استواء سطح رقائق كربيد السيليكون المقطوعة بهذه التقنية. مع تقدم عملية القطع، يزداد انحناء الرقاقة. ويعود ذلك إلى ازدياد مساحة التلامس بين السلك والمادة مع تحرك السلك لأسفل، مما يزيد المقاومة واهتزاز السلك. وعندما يصل السلك إلى أقصى قطر للرقاقة، يبلغ الاهتزاز ذروته، مما يؤدي إلى أقصى انحناء.

في المراحل اللاحقة من عملية القطع، ونظرًا لتعرض السلك للتسارع، والحركة بسرعة ثابتة، والتباطؤ، والتوقف، والانعكاس، بالإضافة إلى صعوبة إزالة الحطام بواسطة سائل التبريد، تتدهور جودة سطح الرقاقة. ويُعد انعكاس السلك وتقلبات سرعته، فضلًا عن وجود جزيئات الماس الكبيرة عليه، من الأسباب الرئيسية للخدوش السطحية.

1.4 تقنية الفصل البارد

يُعدّ الفصل البارد لبلورات كربيد السيليكون الأحادية عمليةً مبتكرةً في مجال معالجة مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث. وقد حظيت هذه العملية باهتمامٍ كبيرٍ في السنوات الأخيرة نظرًا لمزاياها الملحوظة في تحسين الإنتاجية وتقليل فقد المواد. ويمكن تحليل هذه التقنية من ثلاثة جوانب: مبدأ العمل، وسير العملية، والمزايا الأساسية.

تحديد اتجاه البلورات وطحن القطر الخارجي: قبل المعالجة، يجب تحديد اتجاه بلورات سبيكة كربيد السيليكون. ثم تُشكّل السبيكة إلى بنية أسطوانية (تُعرف عادةً باسم قرص كربيد السيليكون) عن طريق طحن القطر الخارجي. تُمهّد هذه الخطوة الطريق لعمليات القطع والتقطيع اللاحقة.

القطع متعدد الأسلاك: تستخدم هذه الطريقة جزيئات كاشطة مع أسلاك قطع لتقطيع السبيكة الأسطوانية. ومع ذلك، فإنها تعاني من فقدان كبير في عرض القطع وعدم انتظام السطح.

تقنية القطع بالليزر: يُستخدم الليزر لتشكيل طبقة مُعدّلة داخل البلورة، يمكن فصل شرائح رقيقة منها. يقلل هذا الأسلوب من فقدان المواد ويعزز كفاءة المعالجة، مما يجعله اتجاهًا جديدًا واعدًا لقطع رقائق كربيد السيليكون.

تحسين عملية القطع

القطع متعدد الأسلاك الكاشطة الثابتة: هذه هي التقنية السائدة حاليًا، وهي مناسبة تمامًا لخصائص الصلابة العالية لـ SiC.

التصنيع بالتفريغ الكهربائي (EDM) وتقنية الفصل البارد: توفر هذه الطرق حلولاً متنوعة مصممة خصيصاً لتلبية متطلبات محددة.

عملية التلميع: من الضروري تحقيق التوازن بين معدل إزالة المواد وتلف السطح. يُستخدم التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) لتحسين تجانس السطح.

المراقبة في الوقت الحقيقي: يتم إدخال تقنيات الفحص عبر الإنترنت لمراقبة خشونة السطح في الوقت الحقيقي.

التقطيع بالليزر: تقلل هذه التقنية من فقدان القطع وتقصر دورات المعالجة، على الرغم من أن المنطقة المتأثرة حرارياً لا تزال تشكل تحدياً.

تقنيات المعالجة الهجينة: إن الجمع بين الأساليب الميكانيكية والكيميائية يعزز كفاءة المعالجة.

لقد دخلت هذه التقنية حيز التطبيق الصناعي بالفعل. فعلى سبيل المثال، استحوذت شركة إنفينون على شركة سيلتكترا، وهي الآن تمتلك براءات اختراع أساسية تدعم الإنتاج الضخم لرقائق السيليكون بقياس 8 بوصات. وفي الصين، حققت شركات مثل ديلونغ ليزر كفاءة إنتاجية تصل إلى 30 رقاقة لكل سبيكة في معالجة رقائق السيليكون بقياس 6 بوصات، وهو ما يمثل تحسناً بنسبة 40% مقارنةً بالطرق التقليدية.

مع تسارع وتيرة تصنيع المعدات محليًا، يُتوقع أن تصبح هذه التقنية الحل الأمثل لمعالجة ركائز كربيد السيليكون. ومع ازدياد قطر مواد أشباه الموصلات، أصبحت طرق القطع التقليدية قديمة. ومن بين الخيارات المتاحة حاليًا، تُظهر تقنية منشار سلك الماس الترددي آفاقًا واعدة للتطبيق. أما القطع بالليزر، كتقنية ناشئة، فيُقدم مزايا كبيرة، ومن المتوقع أن يصبح أسلوب القطع الرئيسي في المستقبل.

2-طحن بلورة أحادية من كربيد السيليكون

يُعدّ كربيد السيليكون (SiC) أحد أشباه الموصلات من الجيل الثالث، ويتميز بمزايا هامة بفضل فجوة نطاقه الواسعة، ومجال انهياره الكهربائي العالي، وسرعة انجراف الإلكترونات العالية عند التشبع، وموصليته الحرارية الممتازة. هذه الخصائص تجعل كربيد السيليكون ذا فائدة خاصة في تطبيقات الجهد العالي (مثل بيئات 1200 فولت). تُشكّل تقنية معالجة ركائز كربيد السيليكون جزءًا أساسيًا من تصنيع الأجهزة، حيث تؤثر جودة سطح الركيزة ودقتها بشكل مباشر على جودة الطبقة المترسبة وأداء الجهاز النهائي.

الهدف الأساسي من عملية التجليخ هو إزالة آثار المنشار السطحية والطبقات المتضررة الناتجة عن عملية القطع، وتصحيح التشوه الناجم عن عملية القطع. ونظرًا لصلابة كربيد السيليكون العالية للغاية، يتطلب التجليخ استخدام مواد كاشطة صلبة مثل كربيد البورون أو الماس. وينقسم التجليخ التقليدي عادةً إلى تجليخ خشن وتجليخ ناعم.

2.1 الطحن الخشن والناعم

يمكن تصنيف عملية الطحن بناءً على حجم جزيئات المواد الكاشطة:

الطحن الخشن: يستخدم مواد كاشطة أكبر حجماً في المقام الأول لإزالة علامات المنشار والطبقات التالفة التي تحدث أثناء التقطيع، مما يحسن كفاءة المعالجة.

الطحن الدقيق: يستخدم مواد كاشطة أدق لإزالة طبقة التلف التي خلفها الطحن الخشن، وتقليل خشونة السطح، وتحسين جودة السطح.

يستخدم العديد من مصنعي ركائز كربيد السيليكون المحليين عمليات إنتاج واسعة النطاق. تتضمن إحدى الطرق الشائعة الطحن من الجانبين باستخدام صفيحة من الحديد الزهر ومعجون الماس أحادي البلورة. تزيل هذه العملية بفعالية طبقة التلف الناتجة عن القطع السلكي، وتصحح شكل الرقاقة، وتقلل من تباين السماكة الكلي، والتقوس، والالتواء. معدل إزالة المادة ثابت، ويصل عادةً إلى 0.8-1.2 ميكرومتر/دقيقة. مع ذلك، يكون سطح الرقاقة الناتج غير لامع وذو خشونة عالية نسبيًا - حوالي 50 نانومتر - مما يفرض متطلبات أعلى على خطوات التلميع اللاحقة.

2.2 الطحن من جانب واحد

تُعالج عملية الطحن أحادي الجانب جانبًا واحدًا فقط من الرقاقة في كل مرة. خلال هذه العملية، تُثبّت الرقاقة بالشمع على صفيحة فولاذية. تحت الضغط المُطبّق، تتعرض الركيزة لتشوه طفيف، ويُسوّى سطحها العلوي. بعد الطحن، يُسوّى سطحها السفلي. عند إزالة الضغط، يميل السطح العلوي إلى استعادة شكله الأصلي، مما يؤثر أيضًا على السطح السفلي المطحون مسبقًا، مُسببًا انحناء كلا الجانبين وتدهور استوائهما.

علاوة على ذلك، قد يصبح سطح الطحن مقعرًا في وقت قصير، مما يؤدي إلى تحدب الرقاقة. وللحفاظ على استواء السطح، يلزم إجراء عملية تسوية متكررة. ونظرًا لانخفاض الكفاءة وضعف استواء الرقاقة، فإن الطحن من جانب واحد غير مناسب للإنتاج بكميات كبيرة.

تُستخدم عادةً عجلات التجليخ رقم 8000 للتجليخ الدقيق. في اليابان، تُعتبر هذه العملية متطورة نسبيًا، حيث تُستخدم فيها عجلات التلميع رقم 30000. يسمح هذا بتقليل خشونة سطح الرقاقات المُعالجة إلى أقل من 2 نانومتر، مما يجعلها جاهزة لعملية التلميع الكيميائي الميكانيكي النهائية دون الحاجة إلى معالجة إضافية.

2.3 تقنية التخفيف من جانب واحد

تقنية التخفيف أحادي الجانب بالماس هي طريقة مبتكرة للتجليخ أحادي الجانب. وكما هو موضح في الشكل 5 (غير معروض هنا)، تستخدم هذه العملية لوحة تجليخ مربوطة بالماس. تُثبّت الرقاقة بواسطة الامتزاز الفراغي، بينما تدور كل من الرقاقة وعجلة التجليخ الماسية في آنٍ واحد. تتحرك عجلة التجليخ تدريجيًا إلى الأسفل لتخفيف الرقاقة إلى السماكة المطلوبة. بعد الانتهاء من جانب واحد، تُقلب الرقاقة لمعالجة الجانب الآخر.

بعد عملية التخفيف، يمكن لرقاقة السيليكون بقطر 100 مم أن تحقق ما يلي:

قوس < 5 ميكرومتر

TTV < 2 ميكرومتر

خشونة السطح < 1 نانومتر

تتميز طريقة معالجة الرقاقة الواحدة هذه بثبات عالٍ، واتساق ممتاز، ومعدل إزالة مواد مرتفع. وبالمقارنة مع الطحن التقليدي ثنائي الجوانب، تُحسّن هذه التقنية كفاءة الطحن بأكثر من 50%.

2.4 الطحن على الوجهين

تستخدم عملية الطحن على الوجهين كلاً من لوحة طحن علوية وسفلية لطحن جانبي الركيزة في وقت واحد، مما يضمن جودة سطح ممتازة على كلا الجانبين.

أثناء عملية التجليخ، تُطبّق ألواح التجليخ ضغطًا أولًا على أعلى نقاط قطعة العمل، مما يُسبب تشوهًا وإزالة تدريجية للمادة عند تلك النقاط. ومع تسوية النقاط المرتفعة، يصبح الضغط على الركيزة أكثر انتظامًا تدريجيًا، مما ينتج عنه تشوه متجانس على كامل السطح. وهذا يسمح بتجليخ السطحين العلوي والسفلي بالتساوي. بمجرد اكتمال التجليخ وتحرير الضغط، يستعيد كل جزء من الركيزة شكله بشكل متجانس نتيجةً للضغط المتساوي الذي تعرض له. وهذا يؤدي إلى الحد الأدنى من التواء السطح والحصول على استواء جيد.

تعتمد خشونة سطح الرقاقة بعد عملية الطحن على حجم جزيئات المادة الكاشطة، حيث تُنتج الجزيئات الأصغر أسطحًا أكثر نعومة. عند استخدام مواد كاشطة بحجم 5 ميكرومتر للطحن على الوجهين، يمكن التحكم في استواء الرقاقة وتفاوت سمكها ضمن نطاق 5 ميكرومتر. تُظهر قياسات مجهر القوة الذرية (AFM) خشونة سطح (Rq) تبلغ حوالي 100 نانومتر، مع وجود حفر طحن يصل عمقها إلى 380 نانومتر وعلامات خطية مرئية ناتجة عن عملية الطحن.

تتضمن إحدى الطرق الأكثر تطوراً عملية طحن مزدوجة الجوانب باستخدام وسادات من رغوة البولي يوريثان مع معجون الماس متعدد البلورات. تُنتج هذه العملية رقائق ذات خشونة سطحية منخفضة للغاية، تصل إلى Ra < 3 نانومتر، وهو أمر مفيد للغاية لعملية تلميع ركائز كربيد السيليكون اللاحقة.

ومع ذلك، لا تزال مشكلة خدش السطح قائمة دون حل. إضافةً إلى ذلك، يُنتج الماس متعدد البلورات المستخدم في هذه العملية عن طريق التخليق الانفجاري، وهو أمر صعب تقنيًا، وينتج بكميات قليلة، وباهظ الثمن للغاية.

تلميع بلورات السيليكون كاربيد الأحادية

للحصول على سطح مصقول عالي الجودة على رقائق كربيد السيليكون (SiC)، يجب أن تزيل عملية الصقل تمامًا حفر الطحن والتموجات السطحية النانومترية. والهدف هو إنتاج سطح أملس خالٍ من العيوب، لا تلوث ولا تدهور، ولا تلف تحت السطح، ولا إجهاد سطحي متبقٍ.

3.1 التلميع الميكانيكي والتلميع الكيميائي الميكانيكي لرقائق كربيد السيليكون

بعد نمو سبيكة بلورية أحادية من كربيد السيليكون، تمنع عيوب السطح استخدامها مباشرةً في النمو الطبقي. لذا، يلزم إجراء معالجة إضافية. تُشكّل السبيكة أولًا إلى شكل أسطواني قياسي عن طريق التدوير، ثم تُقطّع إلى رقائق باستخدام القطع السلكي، يليها التحقق من التوجيه البلوري. يُعدّ التلميع خطوةً حاسمةً في تحسين جودة الرقائق، إذ يُعالج أي تلف سطحي محتمل ناتج عن عيوب نمو البلورات وخطوات المعالجة السابقة.

هناك أربع طرق رئيسية لإزالة طبقات التلف السطحي على كربيد السيليكون:

التلميع الميكانيكي: بسيط ولكنه يترك خدوشًا؛ مناسب للتلميع الأولي.

التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP): يزيل الخدوش عن طريق التخريش الكيميائي؛ مناسب للتلميع الدقيق.

الحفر بالهيدروجين: يتطلب معدات معقدة، ويستخدم عادة في عمليات HTCVD.

التلميع بمساعدة البلازما: معقد ونادر الاستخدام.

يؤدي التلميع الميكانيكي فقط إلى الخدوش، بينما قد يؤدي التلميع الكيميائي فقط إلى تآكل غير متساوٍ. يجمع التلميع الكيميائي الميكانيكي بين الميزتين ويقدم حلاً فعالاً واقتصادياً.

مبدأ عمل CMP

تعمل عملية التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) عن طريق تدوير الرقاقة تحت ضغط محدد مقابل وسادة تلميع دوارة. هذه الحركة النسبية، بالإضافة إلى الاحتكاك الميكانيكي الناتج عن المواد الكاشطة النانوية في المعلق والتفاعل الكيميائي للمواد المتفاعلة، تحقق تسوية السطح.

المواد الرئيسية المستخدمة:

معجون التلميع: يحتوي على مواد كاشطة وكواشف كيميائية.

وسادة التلميع: تتآكل أثناء الاستخدام، مما يقلل من حجم المسام وكفاءة توزيع المعجون. يلزم إجراء عملية تجليخ منتظمة، عادةً باستخدام أداة تجليخ ماسية، لاستعادة الخشونة.

عملية التلميع الكيميائي الميكانيكي النموذجية

مادة كاشطة: معجون ماسي بحجم 0.5 ميكرومتر

خشونة السطح المستهدف: ~0.7 نانومتر

التلميع الكيميائي الميكانيكي:

معدات التلميع: آلة تلميع أحادية الجانب AP-810

الضغط: 200 جم/سم²

سرعة القرص: 50 دورة في الدقيقة

سرعة حامل السيراميك: 38 دورة في الدقيقة

تركيبة الملاط:

SiO₂ (30% وزناً، pH = 10.15)

0-70% وزناً H₂O₂ (30% وزناً، درجة كاشف)

اضبط درجة الحموضة إلى 8.5 باستخدام 5% وزناً من هيدروكسيد البوتاسيوم و1% وزناً من حمض النيتريك

معدل تدفق المادة المعلقة: 3 لتر/دقيقة، معاد تدويرها

تعمل هذه العملية بشكل فعال على تحسين جودة رقائق كربيد السيليكون وتلبي متطلبات العمليات اللاحقة.

التحديات التقنية في التلميع الميكانيكي

يلعب كربيد السيليكون، باعتباره شبه موصل ذو فجوة طاقة واسعة، دورًا حيويًا في صناعة الإلكترونيات. وبفضل خصائصه الفيزيائية والكيميائية الممتازة، تُعدّ بلورات كربيد السيليكون الأحادية مناسبة للبيئات القاسية، مثل درجات الحرارة العالية والترددات العالية والطاقة العالية ومقاومة الإشعاع. ومع ذلك، فإن صلابته وهشاشته تُشكّل تحديات كبيرة في عمليات الصقل والتلميع.

مع تحوّل كبرى الشركات المصنّعة العالمية من رقائق السيليكون ذات الست بوصات إلى الثمان بوصات، برزت مشكلات مثل التشقّق وتلف الرقائق أثناء التصنيع، مما أثّر بشكل كبير على الإنتاجية. ويُعدّ التغلّب على التحديات التقنية لركائز كربيد السيليكون ذات الثماني بوصات معيارًا أساسيًا لتقدّم هذه الصناعة.

في عصر الرقائق ذات الـ 8 بوصات، تواجه معالجة رقائق كربيد السيليكون العديد من التحديات:

يُعدّ تصغير حجم الرقاقات ضروريًا لزيادة إنتاج الرقائق لكل دفعة، وتقليل فقدان الحواف، وخفض تكاليف الإنتاج - خاصة بالنظر إلى الطلب المتزايد في تطبيقات المركبات الكهربائية.

بينما نضج نمو بلورات السيليكون كاربيد أحادية الحجم 8 بوصات، لا تزال عمليات التصنيع الخلفية مثل الطحن والتلميع تواجه اختناقات، مما يؤدي إلى انخفاض العائدات (40-50% فقط).

تتعرض الرقاقات الأكبر حجماً لتوزيعات ضغط أكثر تعقيداً، مما يزيد من صعوبة إدارة إجهاد التلميع وتناسق الإنتاج.

على الرغم من أن سمك الرقاقات ذات 8 بوصات يقترب من سمك الرقاقات ذات 6 بوصات، إلا أنها أكثر عرضة للتلف أثناء التعامل معها بسبب الإجهاد والتشوه.

لتقليل الإجهاد والتشوه والتشقق الناتج عن القطع، يُستخدم القطع بالليزر بشكل متزايد. ومع ذلك:

تسبب أشعة الليزر ذات الطول الموجي الطويل أضرارًا حرارية.

تُنتج أشعة الليزر ذات الطول الموجي القصير حطامًا كثيفًا وتُعمّق طبقة التلف، مما يزيد من تعقيد عملية التلميع.

سير عمل التلميع الميكانيكي لـ SiC

يتضمن تدفق العملية العام ما يلي:

القطع الموجه

الطحن الخشن

طحن ناعم

التلميع الميكانيكي

التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) كخطوة نهائية

يُعد اختيار طريقة التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP)، وتصميم مسار العملية، وتحسين المعايير، أمورًا بالغة الأهمية. ففي صناعة أشباه الموصلات، يُعتبر التلميع الكيميائي الميكانيكي الخطوة الحاسمة لإنتاج رقائق كربيد السيليكون (SiC) ذات أسطح فائقة النعومة وخالية من العيوب والتلف، وهي ضرورية لنمو طبقات رقيقة عالية الجودة.

(أ) قم بإزالة سبيكة كربيد السيليكون من البوتقة؛

(ب) قم بإجراء التشكيل الأولي باستخدام طحن القطر الخارجي؛

(ج) تحديد اتجاه البلورة باستخدام الأسطح المستوية أو الشقوق للمحاذاة؛

(د) قم بتقطيع السبيكة إلى رقائق رقيقة باستخدام منشار متعدد الأسلاك؛

(هـ) تحقيق نعومة سطح تشبه المرآة من خلال خطوات الطحن والتلميع.

بعد إتمام سلسلة خطوات المعالجة، غالباً ما تصبح الحافة الخارجية لرقاقة كربيد السيليكون حادة، مما يزيد من خطر تكسرها أثناء التعامل معها أو استخدامها. ولتجنب هذه الهشاشة، يلزم صقل الحواف.

بالإضافة إلى عمليات التقطيع التقليدية، تتضمن إحدى الطرق المبتكرة لتحضير رقائق كربيد السيليكون تقنية الربط. يتيح هذا النهج تصنيع الرقائق عن طريق ربط طبقة رقيقة من بلورة أحادية من كربيد السيليكون بركيزة غير متجانسة (ركيزة داعمة).

يوضح الشكل 3 مخطط سير العملية:

أولًا، تُشكَّل طبقة انفصال على عمق محدد على سطح بلورة السيليكون كاربيد الأحادية باستخدام تقنية زرع أيونات الهيدروجين أو تقنيات مشابهة. ثم تُربط بلورة السيليكون كاربيد الأحادية المُعالَجة بركيزة داعمة مسطحة وتُعرَّض للضغط والحرارة. وهذا يسمح بنقل طبقة بلورة السيليكون كاربيد الأحادية وفصلها بنجاح على الركيزة الداعمة.

تخضع طبقة كربيد السيليكون المنفصلة لمعالجة سطحية لتحقيق التسطيح المطلوب، ويمكن إعادة استخدامها في عمليات الربط اللاحقة. وبالمقارنة مع التقطيع التقليدي لبلورات كربيد السيليكون، تقلل هذه التقنية من الحاجة إلى مواد باهظة الثمن. ورغم وجود بعض التحديات التقنية، إلا أن البحث والتطوير يتقدمان بنشاط لتمكين إنتاج رقائق السيليكون بتكلفة أقل.

نظراً للصلابة العالية والاستقرار الكيميائي لـ SiC - مما يجعله مقاومًا للتفاعلات في درجة حرارة الغرفة - فإن التلميع الميكانيكي مطلوب لإزالة حفر الطحن الدقيقة، وتقليل تلف السطح، والقضاء على الخدوش، والتنقر، وعيوب قشر البرتقال، وتقليل خشونة السطح، وتحسين التسطيح، وتعزيز جودة السطح.

للحصول على سطح مصقول عالي الجودة، من الضروري القيام بما يلي:

اضبط أنواع المواد الكاشطة،

تقليل حجم الجسيمات،

تحسين معايير العملية،

اختر مواد التلميع والوسادات ذات الصلابة المناسبة.

يوضح الشكل 7 أن التلميع على الوجهين باستخدام مواد كاشطة بحجم 1 ميكرومتر يمكن أن يتحكم في التسطيح وتغير السماكة في حدود 10 ميكرومتر، ويقلل من خشونة السطح إلى حوالي 0.25 نانومتر.

3.2 التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP)

تجمع عملية التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) بين الكشط بجزيئات فائقة الدقة والحفر الكيميائي لتشكيل سطح أملس ومستوٍ على المادة المراد معالجتها. ويتلخص المبدأ الأساسي فيما يلي:

يحدث تفاعل كيميائي بين مادة التلميع وسطح الرقاقة، مما يؤدي إلى تكوين طبقة ناعمة.

يؤدي الاحتكاك بين جزيئات الكشط والطبقة الناعمة إلى إزالة المادة.

مزايا التلميع الكيميائي الميكانيكي:

يتغلب على عيوب التلميع الميكانيكي أو الكيميائي البحت،

يحقق التسوية العالمية والمحلية،

ينتج أسطحاً ذات استواء عالٍ وخشونة منخفضة،

لا يترك أي ضرر على السطح أو تحت السطح.

بالتفصيل:

تتحرك الرقاقة بالنسبة إلى وسادة التلميع تحت الضغط.

تشارك المواد الكاشطة ذات الحجم النانوي (مثل SiO₂) الموجودة في الملاط في القص، مما يؤدي إلى إضعاف الروابط التساهمية Si–C وتعزيز إزالة المواد.

أنواع تقنيات التلميع الكيميائي الميكانيكي:

التلميع الكاشط الحر: تُعلق المواد الكاشطة (مثل ثاني أكسيد السيليكون) في معلق. تتم إزالة المادة من خلال عملية كشط ثلاثية الأجسام (الرقاقة - الوسادة - المادة الكاشطة). يجب التحكم بدقة في حجم المادة الكاشطة (عادةً من 60 إلى 200 نانومتر)، ودرجة الحموضة، ودرجة الحرارة لتحسين التجانس.

التلميع الكاشط الثابت: يتم تضمين المواد الكاشطة في وسادة التلميع لمنع التكتل - وهو مثالي للمعالجة عالية الدقة.

التنظيف بعد التلميع:

تخضع الرقائق المصقولة لما يلي:

التنظيف الكيميائي (بما في ذلك إزالة الماء منزوع الأيونات ومخلفات الطين)،

الشطف بالماء منزوع الأيونات، و

التجفيف بالنيتروجين الساخن

لتقليل الملوثات السطحية.

جودة وأداء السطح

يمكن تقليل خشونة السطح إلى Ra < 0.3 نانومتر، مما يفي بمتطلبات الترسيب الطبقي لأشباه الموصلات.

التسوية العالمية: إن الجمع بين التليين الكيميائي والإزالة الميكانيكية يقلل من الخدوش والتآكل غير المتساوي، ويتفوق على الطرق الميكانيكية أو الكيميائية البحتة.

كفاءة عالية: مناسبة للمواد الصلبة والهشة مثل كربيد السيليكون، بمعدلات إزالة مواد تزيد عن 200 نانومتر/ساعة.

تقنيات التلميع الناشئة الأخرى

بالإضافة إلى عملية التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP)، تم اقتراح طرق بديلة، بما في ذلك:

التلميع الكهروكيميائي، والتلميع أو الحفر بمساعدة المحفز، و

التلميع الكيميائي الاحتكاكي.

ومع ذلك، لا تزال هذه الأساليب في مرحلة البحث وقد تطورت ببطء بسبب خصائص مادة كربيد السيليكون الصعبة.

في نهاية المطاف، تعد معالجة كربيد السيليكون عملية تدريجية لتقليل التشوه والخشونة لتحسين جودة السطح، حيث تعتبر السيطرة على التسطيح والخشونة أمرًا بالغ الأهمية في كل مرحلة.

تكنولوجيا المعالجة

خلال مرحلة طحن الرقاقة، يُستخدم معجون الماس بأحجام جسيمات مختلفة لطحن الرقاقة إلى درجة التسطيح والخشونة السطحية المطلوبة. يلي ذلك عملية التلميع، باستخدام تقنيات التلميع الميكانيكي والكيميائي الميكانيكي (CMP) لإنتاج رقائق كربيد السيليكون (SiC) المصقولة الخالية من العيوب.

بعد عملية التلميع، تخضع رقائق كربيد السيليكون لفحص جودة دقيق باستخدام أجهزة مثل المجاهر الضوئية وأجهزة حيود الأشعة السينية لضمان مطابقة جميع المعايير الفنية المطلوبة. وأخيرًا، تُنظف الرقائق المصقولة باستخدام مواد تنظيف متخصصة وماء فائق النقاء لإزالة الملوثات السطحية. ثم تُجفف باستخدام غاز النيتروجين فائق النقاء ومجففات الدوران، وبذلك تكتمل عملية الإنتاج.

بعد سنوات من الجهود، أُحرز تقدم ملحوظ في معالجة بلورات السيليكون كاربيد الأحادية في الصين. محلياً، تم تطوير بلورات أحادية من نوع 4H-SiC شبه عازلة ومطعمة بقطر 100 مم بنجاح، وأصبح بالإمكان الآن إنتاج بلورات أحادية من نوع 4H-SiC و6H-SiC من النوع السالب بكميات كبيرة. وقد طورت شركات مثل TankeBlue وTYST بلورات أحادية من السيليكون كاربيد بقطر 150 مم.

فيما يتعلق بتقنية معالجة رقائق كربيد السيليكون، استكشفت المؤسسات المحلية مبدئيًا ظروف وطرق معالجة تقطيع البلورات وطحنها وتلميعها. وهي قادرة على إنتاج عينات تلبي بشكل أساسي متطلبات تصنيع الأجهزة. مع ذلك، لا تزال جودة معالجة سطح الرقائق المحلية متأخرة بشكل ملحوظ عن المعايير الدولية. وهناك عدة مشكلات:

تُعتبر نظريات وتقنيات معالجة كربيد السيليكون الدولية محمية بشكل صارم ولا يمكن الوصول إليها بسهولة.

هناك نقص في البحوث النظرية والدعم لتحسين العمليات وتطويرها.

تكلفة استيراد المعدات والمكونات الأجنبية مرتفعة.

لا تزال الأبحاث المحلية المتعلقة بتصميم المعدات ودقة المعالجة والمواد تُظهر فجوات كبيرة مقارنة بالمستويات الدولية.

تُستورد حاليًا معظم الأجهزة عالية الدقة المستخدمة في الصين. كما أن معدات الاختبار ومنهجياته بحاجة إلى مزيد من التحسين.

مع استمرار تطوير أشباه الموصلات من الجيل الثالث، يتزايد قطر ركائز بلورات كربيد السيليكون الأحادية بشكل مطرد، مصحوبًا بمتطلبات أعلى لجودة معالجة السطح. وقد أصبحت تقنية معالجة الرقائق إحدى أكثر الخطوات تحديًا من الناحية التقنية بعد نمو بلورات كربيد السيليكون الأحادية.

لمعالجة التحديات القائمة في عمليات التصنيع، من الضروري مواصلة دراسة الآليات المتعلقة بالقطع والطحن والتلميع، واستكشاف أساليب وطرق معالجة مناسبة لتصنيع رقائق كربيد السيليكون. وفي الوقت نفسه، من الضروري الاستفادة من تقنيات التصنيع العالمية المتقدمة، واعتماد أحدث تقنيات ومعدات التشغيل الآلي فائقة الدقة لإنتاج ركائز عالية الجودة.

مع ازدياد حجم الرقاقات، تزداد صعوبة نمو البلورات ومعالجتها. ومع ذلك، تتحسن كفاءة تصنيع الأجهزة اللاحقة بشكل ملحوظ، وينخفض ​​سعر الوحدة. حاليًا، يقدم موردو رقائق كربيد السيليكون الرئيسيون عالميًا منتجات بأقطار تتراوح بين 4 و6 بوصات. وقد بدأت شركات رائدة مثل Cree وII-VI بالفعل التخطيط لتطوير خطوط إنتاج رقائق كربيد السيليكون بقطر 8 بوصات.