الوضع الحالي واتجاهات تكنولوجيا معالجة رقائق SiC

باعتبارها مادة ركيزة أشباه الموصلات من الجيل الثالث،كربيد السيليكون (SiC)تتمتع البلورة المفردة بآفاق تطبيقية واسعة في تصنيع الأجهزة الإلكترونية عالية التردد والطاقة. وتلعب تقنية معالجة كربيد السيليكون (SiC) دورًا حاسمًا في إنتاج مواد ركيزة عالية الجودة. تُقدم هذه المقالة الوضع الراهن للبحث في تقنيات معالجة كربيد السيليكون (SiC) في الصين وخارجها، مُحللةً ومُقارنةً آليات عمليات القطع والطحن والتلميع، بالإضافة إلى اتجاهات تسطيح الرقاقة وخشونة سطحها. كما تُسلط الضوء على التحديات الحالية في معالجة رقاقات كربيد السيليكون (SiC)، وتناقش اتجاهات التطوير المستقبلية.

كربيد السيليكون (SiC)تُعدّ الرقائق مواد أساسية بالغة الأهمية لأجهزة أشباه الموصلات من الجيل الثالث، وتتمتع بأهمية كبيرة وإمكانيات تسويقية واعدة في مجالات مثل الإلكترونيات الدقيقة، وإلكترونيات الطاقة، وإضاءة أشباه الموصلات. ونظرًا للصلابة العالية للغاية والاستقرار الكيميائي،بلورات SiC المفردةطرق معالجة أشباه الموصلات التقليدية ليست مناسبة تمامًا لتصنيعها. على الرغم من أن العديد من الشركات العالمية أجرت أبحاثًا مكثفة حول المعالجة الفنية الشاقة لبلورات كربيد السيليكون المفردة، إلا أن التقنيات ذات الصلة تُحفظ بسرية تامة.

في السنوات الأخيرة، كثّفت الصين جهودها في تطوير مواد وأجهزة كربيد السيليكون أحادية البلورة. ومع ذلك، يواجه تطوير تكنولوجيا أجهزة كربيد السيليكون في البلاد حاليًا قيودًا بسبب محدودية تقنيات المعالجة وجودة الرقاقات. لذلك، من الضروري للصين تحسين قدرات معالجة كربيد السيليكون لتحسين جودة ركائز كربيد السيليكون أحادية البلورة، وتحقيق تطبيقاتها العملية وإنتاجها بكميات كبيرة.

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

قطع بلورات SiC المفردة

في معالجةبلورات SiC المفردةيُعدّ القطع الخطوة الأولى والحرجة للغاية. يُحدد انحناء الرقاقة، وانحناءها، واختلاف السُمك الكلي (TTV) الناتج عن عملية القطع جودة وفعالية عمليات الطحن والتلميع اللاحقة.

يمكن تصنيف أدوات القطع حسب الشكل إلى مناشير ماسية بقطر داخلي (ID)، ومناشير ماسية بقطر خارجي (OD)، ومناشير شريطية، ومناشير سلكية. بدورها، يمكن تصنيف المناشير السلكية حسب نوع حركتها إلى أنظمة سلكية ترددية وحلقية (لا نهائية). بناءً على آلية قطع المادة الكاشطة، يمكن تقسيم تقنيات التقطيع باستخدام المناشير السلكية إلى نوعين: النشر السلكي الحر باستخدام مادة كاشطة، والنشر السلكي الماسي الثابت باستخدام مادة كاشطة.

1.1 طرق القطع التقليدية

عمق القطع في مناشير القطر الخارجي (OD) محدود بقطر الشفرة. أثناء عملية القطع، تكون الشفرة عرضة للاهتزاز والانحراف، مما يؤدي إلى ارتفاع مستوى الضوضاء وضعف الصلابة. تستخدم مناشير القطر الداخلي (ID) مواد كاشطة ماسية على المحيط الداخلي للشفرة كحافة قطع. يمكن أن يصل سمك هذه الشفرات إلى 0.2 مم. أثناء التقطيع، تدور شفرة القطر الداخلي بسرعة عالية بينما تتحرك المادة المراد قطعها شعاعيًا بالنسبة لمركز الشفرة، مما يحقق التقطيع من خلال هذه الحركة النسبية.

تتطلب مناشير الشريط الماسية توقفات وانعكاسات متكررة، وسرعة القطع منخفضة جدًا - لا تتجاوز عادةً مترين في الثانية. كما أنها تعاني من تآكل ميكانيكي كبير وتكاليف صيانة عالية. نظرًا لعرض شفرة المنشار، لا يمكن أن يكون نصف قطر القطع صغيرًا جدًا، ولا يمكن القطع متعدد الشرائح. هذه الأدوات التقليدية محدودة بصلابة القاعدة، ولا يمكنها إجراء قطع منحنية أو أنصاف أقطار دورانها محدودة. فهي قادرة فقط على القطع المستقيم، وتُنتج شقوقًا عريضة، وتتميز بمعدل إنتاج منخفض، وبالتالي فهي غير مناسبة للقطع.بلورات SiC.

1.2 منشار سلكي كاشط مجاني للقطع متعدد الأسلاك

تعتمد تقنية التقطيع بمنشار سلكي كاشط حر على الحركة السريعة للسلك لنقل الملاط إلى الشق، مما يُمكّن من إزالة المواد. تعتمد هذه التقنية بشكل أساسي على بنية ترددية، وهي حاليًا طريقة متطورة وواسعة الاستخدام لقطع رقائق السيليكون أحادية البلورة بكفاءة عالية. مع ذلك، لم تُدرس تطبيقاتها في قطع كربيد السيليكون (SiC) بشكل كافٍ.

تستطيع مناشير الأسلاك الكاشطة الحرة معالجة الرقاقات التي يقل سمكها عن 300 ميكرومتر. وتتميز هذه المناشير بانخفاض فقدان الشقوق، ونادرًا ما تسبب التشقق، كما أنها تُنتج جودة سطح جيدة نسبيًا. ومع ذلك، نظرًا لآلية إزالة المواد - القائمة على دحرجة المواد الكاشطة وحفرها - يميل سطح الرقاقة إلى تكوين إجهاد متبقٍ كبير، وشقوق دقيقة، وطبقات تلف أعمق. يؤدي هذا إلى تشوه الرقاقة، ويصعّب التحكم في دقة شكل السطح، ويزيد من الحمل على خطوات المعالجة اللاحقة.

يتأثر أداء القطع بشكل كبير بنوع الملاط؛ لذا من الضروري الحفاظ على حدة المواد الكاشطة وتركيزها. معالجة الملاط وإعادة تدويره مكلفتان. عند قطع سبائك كبيرة الحجم، يصعب على المواد الكاشطة اختراق الشقوق العميقة والطويلة. عند استخدام نفس حجم حبيبات المادة الكاشطة، يكون فقدان الشقوق أكبر من فقدانها في مناشير الأسلاك الكاشطة الثابتة.

1.3 منشار سلكي ماسي كاشط ثابت متعدد الأسلاك

تُصنع مناشير الأسلاك الماسية الكاشطة الثابتة عادةً عن طريق دمج جزيئات الماس على ركيزة من سلك فولاذي من خلال طرق الطلاء الكهربائي، أو التلبيد، أو ربط الراتنج. تتميز مناشير الأسلاك الماسية المطلية كهربائيًا بمزايا مثل تضييق الشقوق، وجودة القطع الأفضل، وكفاءة أعلى، وتقليل التلوث، والقدرة على قطع المواد عالية الصلابة.

يُعدّ منشار الأسلاك الماسي المطليّ كهربائيًا الترددي الطريقة الأكثر استخدامًا لقطع كربيد السيليكون (SiC). يوضح الشكل 1 (غير موضح هنا) 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 تحركه للأسفل، مما يزيد من مقاومته واهتزازه. وعندما يصل السلك إلى أقصى قطر للرقاقة، يبلغ الاهتزاز ذروته، مما يؤدي إلى أقصى انحناء.

في المراحل اللاحقة من القطع، وبسبب تسارع السلك وحركته بسرعة ثابتة وتباطؤه وتوقفه وانعكاسه، بالإضافة إلى صعوبة إزالة الشوائب باستخدام سائل التبريد، تتدهور جودة سطح الرقاقة. يُعد انعكاس السلك وتقلبات سرعته، بالإضافة إلى جزيئات الماس الكبيرة عليه، الأسباب الرئيسية لخدوش السطح.

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 هدر المواد. ويمكن تحليل هذه التقنية من ثلاثة جوانب: مبدأ العمل، وسير العملية، والمزايا الأساسية.

تحديد اتجاه البلورة وطحن القطر الخارجي: قبل المعالجة، يجب تحديد اتجاه بلورة سبيكة كربيد السيليكون. ثم تُشكل السبيكة على شكل أسطواني (يُسمى عادةً قرص كربيد السيليكون) عن طريق طحن القطر الخارجي. تُمهّد هذه الخطوة الطريق للقطع والتقطيع الاتجاهي اللاحق.

القطع متعدد الأسلاك: تستخدم هذه الطريقة جزيئات كاشطة مع أسلاك قطع لتقطيع السبيكة الأسطوانية. إلا أنها تعاني من فقدان كبير في الشقوق وعدم استواء السطح.

تقنية القطع بالليزر: يُستخدم الليزر لتشكيل طبقة مُعدّلة داخل البلورة، تُفصل منها شرائح رقيقة. يُقلل هذا النهج من هدر المواد ويُحسّن كفاءة المعالجة، مما يجعله اتجاهًا جديدًا واعدًا في قطع رقائق كربيد السيليكون.

تحسين عملية القطع

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

تقنية التفريغ الكهربائي والفصل البارد: توفر هذه الطرق حلولاً متنوعة مصممة خصيصًا لتلبية متطلبات محددة.

عملية التلميع: من الضروري موازنة معدل إزالة المواد مع تلف السطح. يُستخدم التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) لتحسين تجانس السطح.

المراقبة في الوقت الحقيقي: يتم تقديم تقنيات التفتيش عبر الإنترنت لمراقبة خشونة السطح في الوقت الحقيقي.

التقطيع بالليزر: تعمل هذه التقنية على تقليل فقدان القطع وتقصير دورات المعالجة، على الرغم من أن المنطقة المتأثرة بالحرارة لا تزال تشكل تحديًا.

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

لقد حققت هذه التقنية بالفعل تطبيقات صناعية. على سبيل المثال، استحوذت شركة إنفينيون على شركة SILTECTRA، وهي الآن تمتلك براءات اختراع أساسية تدعم الإنتاج الضخم لرقائق بقياس 8 بوصات. في الصين، حققت شركات مثل ديلونج ليزر كفاءة إنتاج تبلغ 30 رقاقة لكل سبيكة لمعالجة رقائق بقياس 6 بوصات، وهو ما يمثل تحسنًا بنسبة 40% مقارنةً بالطرق التقليدية.

مع تسارع تصنيع المعدات المحلية، من المتوقع أن تصبح هذه التقنية الحل الأمثل لمعالجة ركائز كربيد السيليكون (SiC). مع تزايد قطر مواد أشباه الموصلات، أصبحت طرق القطع التقليدية قديمة. من بين الخيارات الحالية، تُظهر تقنية منشار الأسلاك الماسي الترددي آفاقًا تطبيقية واعدة. يوفر القطع بالليزر، كتقنية ناشئة، مزايا كبيرة، ومن المتوقع أن يصبح طريقة القطع الرئيسية في المستقبل.

2.طحن بلورات SiC المفردة

باعتباره أحد أشباه الموصلات من الجيل الثالث، يتميز كربيد السيليكون (SiC) بمزايا كبيرة بفضل فجوة نطاقه الواسعة، ومجاله الكهربائي العالي، وسرعة انجراف الإلكترونات التشبعية العالية، وموصليته الحرارية الممتازة. هذه الخصائص تجعل كربيد السيليكون (SiC) مفيدًا بشكل خاص في تطبيقات الجهد العالي (مثل بيئات 1200 فولت). تُعد تقنية معالجة ركائز كربيد السيليكون (SiC) جزءًا أساسيًا من تصنيع الأجهزة. تؤثر جودة سطح الركيزة ودقتها بشكل مباشر على جودة الطبقة الفوقية وأداء الجهاز النهائي.

الغرض الرئيسي من عملية الطحن هو إزالة آثار المنشار السطحي وطبقات التلف الناتجة عن التقطيع، وتصحيح التشوه الناتج عن عملية القطع. ونظرًا للصلابة العالية جدًا لكربيد السيليكون (SiC)، يتطلب الطحن استخدام مواد كاشطة صلبة مثل كربيد البورون أو الماس. ويُقسم الطحن التقليدي عادةً إلى طحن خشن وطحن ناعم.

2.1 الطحن الخشن والناعم

يمكن تصنيف الطحن بناءً على حجم الجسيمات الكاشطة:

الطحن الخشن: يستخدم مواد كاشطة أكبر حجمًا في المقام الأول لإزالة علامات المنشار وطبقات الضرر الناتجة أثناء التقطيع، مما يحسن كفاءة المعالجة.

الطحن الناعم: يستخدم مواد كاشطة دقيقة لإزالة طبقة الضرر التي خلفتها عملية الطحن الخشن، وتقليل خشونة السطح، وتعزيز جودة السطح.

يستخدم العديد من مصنعي ركائز كربيد السيليكون المحليين عمليات إنتاج واسعة النطاق. تتضمن إحدى الطرق الشائعة الطحن ثنائي الجوانب باستخدام صفيحة من الحديد الزهر وطبقة من عجينة الماس أحادية البلورة. تُزيل هذه العملية بفعالية طبقة التلف الناتجة عن النشر السلكي، وتُصحح شكل الرقاقة، وتُقلل من تباين السُمك الكلي (TTV) والانحناء والالتواء. معدل إزالة المواد ثابت، ويتراوح عادةً بين 0.8 و1.2 ميكرومتر/دقيقة. ومع ذلك، يكون سطح الرقاقة الناتج غير لامع وخشونة عالية نسبيًا - عادةً حوالي 50 نانومتر - مما يُزيد من متطلبات خطوات التلميع اللاحقة.

2.2 الطحن أحادي الجانب

تُعالج عملية الطحن أحادي الجانب جانبًا واحدًا فقط من الرقاقة في كل مرة. خلال هذه العملية، تُثبّت الرقاقة بالشمع على صفيحة فولاذية. تحت الضغط، تتعرض الطبقة السفلية لتشوه طفيف، ويُسطّح السطح العلوي. بعد الطحن، يُسوّى السطح السفلي. عند زوال الضغط، يميل السطح العلوي إلى استعادة شكله الأصلي، مما يؤثر أيضًا على السطح السفلي المطحون أصلًا، مما يتسبب في انحناء كلا الجانبين وتدهور استوائهما.

علاوة على ذلك، قد تتقعر صفيحة الطحن بسرعة، مما يؤدي إلى تحدب الرقاقة. وللحفاظ على استواء الصفيحة، يلزم صقلها بانتظام. ونظرًا لانخفاض كفاءتها وضعف استواء الرقاقة، فإن الطحن أحادي الجانب غير مناسب للإنتاج بالجملة.

عادةً، تُستخدم عجلات الطحن رقم 8000 للطحن الناعم. في اليابان، تُعد هذه العملية متطورة نسبيًا، حتى أنها تستخدم عجلات تلميع رقم 30000. هذا يسمح لخشونة سطح الرقائق المُعالجة بالوصول إلى أقل من 2 نانومتر، مما يجعلها جاهزة للتلميع الكيميائي الميكانيكي النهائي (CMP) دون الحاجة إلى معالجة إضافية.

2.3 تقنية التخفيف من جانب واحد

تقنية ترقيق الماس أحادي الجانب هي طريقة مبتكرة لطحن جانب واحد. كما هو موضح في الشكل 5 (غير موضح هنا)، تستخدم هذه العملية صفيحة طحن مربوطة بالماس. تُثبّت الرقاقة عن طريق الامتزاز الفراغي، بينما تدور كلٌّ من الرقاقة وعجلة طحن الماس في آنٍ واحد. تتحرك عجلة الطحن تدريجيًا إلى الأسفل لترقيق الرقاقة إلى السُمك المطلوب. بعد اكتمال أحد الجانبين، تُقلب الرقاقة لمعالجة الجانب الآخر.

بعد التخفيف، يمكن لرقاقة 100 مم تحقيق ما يلي:

القوس < 5 ميكرومتر

TTV < 2 ميكرومتر

خشونة السطح < 1 نانومتر

تتميز طريقة معالجة الرقاقة المفردة هذه بثبات عالٍ، وقوام ممتاز، ومعدل إزالة عالٍ للمواد. وبالمقارنة مع الطحن التقليدي ثنائي الجوانب، تُحسّن هذه التقنية كفاءة الطحن بأكثر من 50%.

2.4 الطحن على الوجهين

تستخدم عملية الطحن على الوجهين لوحي طحن علوي وسفلي لطحن كلا جانبي الركيزة في وقت واحد، مما يضمن جودة سطح ممتازة على كلا الجانبين.

خلال العملية، تُطبّق ألواح الطحن 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 يُؤدي إلى تشوه مُتسق على كامل السطح. يسمح هذا بطحن السطحين العلوي والسفلي بالتساوي. بمجرد اكتمال الطحن وتخفيف الضغط، يستعيد كل جزء من الركيزة شكله بشكل مُنتظم بفضل الضغط المُتساوي الذي تعرض له. هذا يُؤدي إلى الحد الأدنى من الانحناء وتسطيح جيد.

تعتمد خشونة سطح الرقاقة بعد الطحن على حجم جسيمات المادة الكاشطة، فكلما كانت الجسيمات أصغر، كانت الأسطح أكثر نعومة. عند استخدام مواد كاشطة بسمك 5 ميكرومتر للطحن ثنائي الجانب، يمكن التحكم في تسطيح الرقاقة وتباين سمكها ضمن نطاق 5 ميكرومتر. تُظهر قياسات مجهر القوة الذرية (AFM) خشونة سطحية (Rq) تبلغ حوالي 100 نانومتر، مع وجود حفر طحن يصل عمقها إلى 380 نانومتر، وعلامات خطية مرئية ناتجة عن تأثير المادة الكاشطة.

تتضمن طريقة أكثر تطورًا الطحن ثنائي الجوانب باستخدام وسادات رغوة البولي يوريثان الممزوجة بمعجون الماس متعدد البلورات. تنتج هذه العملية رقائق ذات خشونة سطح منخفضة جدًا، مع نسبة خشونة سطحية أقل من 3 نانومتر، وهو أمر مفيد للغاية لتلميع ركائز كربيد السيليكون لاحقًا.

مع ذلك، لا تزال مشكلة خدش السطح قائمة. إضافةً إلى ذلك، يُنتَج الماس متعدد البلورات المستخدم في هذه العملية عن طريق التوليف المتفجر، وهو أمرٌ صعبٌ تقنيًا، وكمياته قليلة، وهو باهظ التكلفة.

تلميع بلورات SiC المفردة

للحصول على سطح مصقول عالي الجودة لرقائق كربيد السيليكون (SiC)، يجب أن يُزيل التلميع تمامًا حفر الطحن والتموجات النانومترية على السطح. الهدف هو إنتاج سطح أملس وخالٍ من العيوب، دون تلوث أو تدهور، أو تلف تحت السطح، أو إجهاد سطحي متبقٍ.

3.1 التلميع الميكانيكي والمعالجة الحرارية للرقائق المصنوعة من كربيد السيليكون

بعد نمو سبيكة كربيد السيليكون أحادية البلورة، تمنع عيوب سطحها استخدامها مباشرةً للنمو الطبقي. لذلك، يلزم إجراء معالجة إضافية. تُشكل السبيكة أولًا إلى شكل أسطواني قياسي من خلال التقريب، ثم تُقطع إلى رقائق باستخدام القطع السلكي، يليها التحقق من الاتجاه البلوري. يُعد التلميع خطوة أساسية في تحسين جودة الرقاقة، ومعالجة أي تلف سطحي محتمل ناتج عن عيوب نمو البلورات وخطوات المعالجة السابقة.

هناك أربع طرق رئيسية لإزالة طبقات الضرر السطحية على SiC:

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

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

الحفر الهيدروجيني: يتطلب معدات معقدة، وتستخدم عادة في عمليات HTCVD.

التلميع بمساعدة البلازما: معقد ونادر الاستخدام.

عادةً ما يُسبب التلميع الميكانيكي فقط خدوشًا، بينما قد يؤدي التلميع الكيميائي فقط إلى نقش غير متساوٍ. يجمع التلميع الكيميائي المتكامل (CMP) بين الميزتين، ويوفر حلاً فعالاً واقتصاديًا.

مبدأ عمل CMP

يعمل CMP بتدوير الرقاقة تحت ضغط مُحدد على وسادة تلميع دوارة. هذه الحركة النسبية، مقترنةً بالتآكل الميكانيكي الناتج عن المواد الكاشطة النانوية في الملاط، والتأثير الكيميائي للعوامل المتفاعلة، تُحقق تسوية السطح.

المواد الرئيسية المستخدمة:

معجون التلميع: يحتوي على مواد كاشطة وكواشف كيميائية.

وسادة التلميع: تتآكل أثناء الاستخدام، مما يقلل من حجم المسام وكفاءة توصيل الملاط. يلزم استخدام تلميع منتظم، عادةً باستخدام أداة تلميع ماسية، لاستعادة الخشونة.

عملية CMP النموذجية

مادة كاشطة: عجينة الماس 0.5 ميكرومتر

خشونة سطح الهدف: ~0.7 نانومتر

التلميع الكيميائي الميكانيكي:

معدات التلميع: جهاز تلميع أحادي الجانب AP-810

الضغط: 200 جم/سم²

سرعة اللوحة: 50 دورة في الدقيقة

حامل السيراميك السرعة: 38 دورة في الدقيقة

تكوين الملاط:

SiO₂ (30% وزناً، الرقم الهيدروجيني = 10.15)

0–70% وزناً من H₂O₂ (30% وزناً، درجة الكاشف)

اضبط الرقم الهيدروجيني إلى 8.5 باستخدام 5% وزناً من هيدروكسيد البوتاسيوم و1% وزناً من حمض الهيدروكلوريك

معدل تدفق الملاط: 3 لتر/دقيقة، معاد تدويره

تعمل هذه العملية على تحسين جودة رقاقة SiC بشكل فعال وتلبي متطلبات العمليات اللاحقة.

التحديات التقنية في التلميع الميكانيكي

يلعب كربيد السيليكون (SiC)، باعتباره شبه موصل واسع النطاق، دورًا حيويًا في صناعة الإلكترونيات. بفضل خصائصه الفيزيائية والكيميائية الممتازة، تُعدّ بلورات كربيد السيليكون الأحادية مناسبة للبيئات القاسية، مثل درجات الحرارة العالية، والترددات العالية، والطاقة العالية، ومقاومة الإشعاع. ومع ذلك، تُشكّل طبيعته الصلبة والهشة تحديات كبيرة في عمليات الطحن والتلميع.

مع انتقال كبار المصنّعين العالميين من رقائق بقياس 6 بوصات إلى 8 بوصات، ازدادت مشاكل التشقق وتلف الرقاقة أثناء المعالجة، مما أثر بشكل كبير على الإنتاجية. وتُعدّ معالجة التحديات التقنية لركائز SiC بقياس 8 بوصات معيارًا أساسيًا لتقدم هذه الصناعة.

في عصر 8 بوصات، تواجه معالجة رقائق SiC العديد من التحديات:

يعد توسيع نطاق الرقاقة ضروريًا لزيادة إنتاج الرقاقة لكل دفعة، وتقليل فقدان الحافة، وخفض تكاليف الإنتاج - خاصة في ظل الطلب المتزايد في تطبيقات المركبات الكهربائية.

في حين أن نمو بلورات SiC الفردية مقاس 8 بوصات قد نضج، فإن العمليات الخلفية مثل الطحن والتلميع لا تزال تواجه اختناقات، مما يؤدي إلى انخفاض العائدات (40-50٪ فقط).

تتعرض الرقاقات الأكبر حجمًا لتوزيعات ضغط أكثر تعقيدًا، مما يزيد من صعوبة إدارة إجهاد التلميع واتساق المحصول.

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

لتقليل الإجهاد والتشوهات والتشققات الناتجة عن القطع، يزداد استخدام القطع بالليزر. ومع ذلك،:

تسبب أشعة الليزر ذات الطول الموجي الطويل أضرارًا حرارية.

تولد أشعة الليزر ذات الطول الموجي القصير حطامًا ثقيلًا وتعمق طبقة الضرر، مما يزيد من تعقيد التلميع.

سير عمل التلميع الميكانيكي لـ SiC

يتضمن تدفق العملية العامة ما يلي:

قطع التوجيه

طحن خشن

الطحن الناعم

التلميع الميكانيكي

التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) كخطوة نهائية

يُعد اختيار طريقة CMP، وتصميم مسار العملية، وتحسين المعاملات، أمرًا بالغ الأهمية. في تصنيع أشباه الموصلات، يُعد CMP الخطوة الحاسمة لإنتاج رقائق SiC ذات أسطح فائقة النعومة وخالية من العيوب والتلف، وهي ضرورية لنمو طبقة فوقية عالية الجودة.

(أ) إزالة سبيكة SiC من البوتقة؛

(ب) إجراء التشكيل الأولي باستخدام طحن القطر الخارجي؛

(ج) تحديد اتجاه البلورة باستخدام مسطحات المحاذاة أو الشقوق؛

(د) تقطيع السبيكة إلى شرائح رقيقة باستخدام المنشار متعدد الأسلاك؛

(هـ) تحقيق نعومة السطح مثل المرآة من خلال خطوات الطحن والتلميع.

بعد إتمام سلسلة خطوات المعالجة، غالبًا ما تصبح الحافة الخارجية لرقاقة SiC حادة، مما يزيد من خطر التشقق أثناء التعامل أو الاستخدام. لتجنب هذه الهشاشة، يلزم طحن الحواف.

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

يوضح الشكل 3 تدفق العملية:

أولاً، تُشكَّل طبقة انفصال على عمق مُحدَّد على سطح بلورة كربيد السيليكون الأحادية، وذلك عن طريق غرس أيونات الهيدروجين أو تقنيات مشابهة. ثم تُثبَّت بلورة كربيد السيليكون الأحادية المُعالَجة على ركيزة داعمة مسطحة، وتُعرَّض للضغط والحرارة. هذا يُتيح نقل وفصل طبقة بلورة كربيد السيليكون الأحادية بنجاح إلى الركيزة الداعمة.

تخضع طبقة كربيد السيليكون المنفصلة لمعالجة سطحية لتحقيق التسطيح المطلوب، ويمكن إعادة استخدامها في عمليات الترابط اللاحقة. بالمقارنة مع التقطيع التقليدي لبلورات كربيد السيليكون، تُقلل هذه التقنية من الطلب على المواد باهظة الثمن. ورغم استمرار التحديات التقنية، إلا أن البحث والتطوير يتقدمان بنشاط لتمكين إنتاج رقائق أقل تكلفة.

نظرًا 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 والتآكل وعيوب قشر البرتقال، وخفض خشونة السطح، وتحسين التسطيح، وتعزيز جودة السطح.

للحصول على سطح مصقول عالي الجودة، من الضروري:

ضبط أنواع المواد الكاشطة،

تقليل حجم الجسيمات،

تحسين معلمات العملية،

اختر مواد التلميع والوسادات ذات الصلابة المناسبة.

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

3.2 التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP)

يجمع التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) بين تآكل الجسيمات الدقيقة والنقش الكيميائي لتشكيل سطح أملس ومستوٍ على المادة المعالجة. المبدأ الأساسي هو:

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

يؤدي الاحتكاك بين الجزيئات الكاشطة والطبقة الناعمة إلى إزالة المادة.

مزايا CMP:

يتغلب على عيوب التلميع الميكانيكي أو الكيميائي البحت،

يحقق التخطيط العالمي والمحلي،

تنتج أسطحًا ذات تسطيح عالي وخشونة منخفضة،

لا يترك أي ضرر على السطح أو تحت السطح.

بالتفصيل:

تتحرك الرقاقة بالنسبة لوسادة التلميع تحت الضغط.

تشارك المواد الكاشطة ذات الحجم النانومتري (على سبيل المثال، SiO₂) الموجودة في الملاط في القص وإضعاف الروابط التساهمية Si–C وتعزيز إزالة المواد.

أنواع تقنيات CMP:

التلميع الحر بالمواد الكاشطة: تُعلق المواد الكاشطة (مثل ثاني أكسيد السيليكون) في الملاط. تتم إزالة المواد من خلال عملية التلميع الثلاثية (رقاقة - وسادة - مادة كاشطة). يجب التحكم بدقة في حجم المادة الكاشطة (عادةً من 60 إلى 200 نانومتر)، ودرجة حموضتها، ودرجة حرارتها لتحسين التجانس.

التلميع باستخدام المواد الكاشطة الثابتة: يتم تضمين المواد الكاشطة في وسادة التلميع لمنع التكتل - وهو أمر مثالي للمعالجة عالية الدقة.

التنظيف بعد التلميع:

تخضع الرقائق المصقولة إلى:

التنظيف الكيميائي (بما في ذلك إزالة مياه DI وبقايا الملاط)،

شطف الماء DI، و

تجفيف النيتروجين الساخن

لتقليل الملوثات السطحية.

جودة السطح والأداء

يمكن تقليل خشونة السطح إلى Ra < 0.3 نانومتر، مما يلبي متطلبات التركيب الطبقي لأشباه الموصلات.

التخطيط الشامل: يعمل الجمع بين التليين الكيميائي والإزالة الميكانيكية على تقليل الخدوش والحفر غير المتساوي، مما يتفوق على الطرق الميكانيكية أو الكيميائية البحتة.

كفاءة عالية: مناسبة للمواد الصلبة والهشة مثل SiC، مع معدلات إزالة المواد أعلى من 200 نانومتر/ساعة.

تقنيات التلميع الناشئة الأخرى

بالإضافة إلى CMP، تم اقتراح طرق بديلة، بما في ذلك:

التلميع الكهروكيميائي، والتلميع أو الحفر بمساعدة المحفز، و

تلميع كيميائي احتكاكي.

ومع ذلك، فإن هذه الأساليب لا تزال في مرحلة البحث وتطورت ببطء بسبب خصائص مادة SiC الصعبة.

في نهاية المطاف، تعد معالجة SiC عملية تدريجية لتقليل الانحناء والخشونة لتحسين جودة السطح، حيث يعد التحكم في التسطيح والخشونة أمرًا بالغ الأهمية في كل مرحلة.

تكنولوجيا المعالجة

خلال مرحلة طحن الرقاقة، يُستخدم معجون ماسي بأحجام جزيئات مختلفة لطحنها حتى تصل إلى التجانس وخشونة السطح المطلوبة. يلي ذلك عملية تلميع باستخدام تقنيات التلميع الميكانيكي والكيميائي (CMP) لإنتاج رقائق مصقولة من كربيد السيليكون (SiC) خالية من التلف.

بعد التلميع، تخضع رقائق كربيد السيليكون لفحص جودة دقيق باستخدام أدوات مثل المجاهر الضوئية وأجهزة حيود الأشعة السينية لضمان استيفاء جميع المعايير الفنية للمعايير المطلوبة. وأخيرًا، تُنظف الرقائق المصقولة باستخدام مواد تنظيف متخصصة وماء فائق النقاء لإزالة أي ملوثات سطحية. ثم تُجفف باستخدام غاز النيتروجين فائق النقاء ومجففات الدوران، لتكتمل بذلك عملية الإنتاج بأكملها.

بعد سنوات من الجهود، أُحرز تقدم ملحوظ في معالجة بلورات كربيد السيليكون الأحادية في الصين. محليًا، طُوّرت بنجاح بلورات كربيد السيليكون الأحادية شبه العازلة والمُشَوَّبة بقطر 100 مم، ويمكن الآن إنتاج بلورات كربيد السيليكون الأحادية من النوع n (4H-SiC) وكربيد السيليكون الأحادي (6H-SiC) على دفعات. وقد طورت شركات مثل TankeBlue وTYST بلورات كربيد السيليكون الأحادية بقطر 150 مم.

فيما يتعلق بتكنولوجيا معالجة رقائق كربيد السيليكون (SiC)، استكشفت المؤسسات المحلية مبدئيًا ظروف وطرق عملية تقطيع البلورات وطحنها وتلميعها. وهي قادرة على إنتاج عينات تلبي بشكل أساسي متطلبات تصنيع الأجهزة. ومع ذلك، بالمقارنة مع المعايير الدولية، لا تزال جودة معالجة أسطح الرقائق المحلية أقل بكثير. وهناك عدة مشاكل:

إن نظريات SiC وتقنيات المعالجة الدولية محمية بشدة ولا يمكن الوصول إليها بسهولة.

هناك نقص في الأبحاث النظرية والدعم لتحسين العمليات وتحسينها.

إن تكلفة استيراد المعدات والمكونات الأجنبية مرتفعة.

لا تزال الأبحاث المحلية في مجال تصميم المعدات ودقة المعالجة والمواد تظهر فجوات كبيرة مقارنة بالمستويات الدولية.

حاليًا، تُستورد معظم الأجهزة عالية الدقة المستخدمة في الصين. كما تحتاج معدات ومنهجيات الاختبار إلى مزيد من التطوير.

مع استمرار تطوير أشباه الموصلات من الجيل الثالث، يتزايد قطر ركائز كربيد السيليكون أحادية البلورات باطراد، مع ازدياد متطلبات جودة معالجة الأسطح. أصبحت تقنية معالجة الرقاقات من أكثر المراحل صعوبةً من الناحية التقنية بعد نمو بلورة كربيد السيليكون أحادية البلورات.

لمواجهة التحديات الحالية في مجال المعالجة، من الضروري دراسة آليات القطع والطحن والتلميع بشكل أعمق، واستكشاف أساليب ومسارات المعالجة المناسبة لتصنيع رقائق كربيد السيليكون. وفي الوقت نفسه، من الضروري الاستفادة من تقنيات المعالجة الدولية المتقدمة، واعتماد أحدث تقنيات ومعدات التصنيع فائقة الدقة لإنتاج ركائز عالية الجودة.

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