Silikon karbida mempunyai kekerasan Mohs 9.2–9.5, kedua selepas berlian. Ia sangat rapuh dan mempunyai keliatan patah yang rendah, sementara juga menawarkan rintangan suhu tinggi, rintangan kakisan dan rintangan sinaran yang sangat baik. Walau bagaimanapun, ia adalah sukar dan mahal untuk diproses, memerlukan beberapa langkah seperti memotong, mengangkat, mengetsa dan menggilap. Kualiti pemprosesan secara langsung mempengaruhi kehilangan pengaliran, menahan tahap voltan dan hayat perkhidmatan peranti kuasa. Pada masa ini, pemotongan wayar digunakan secara meluas kerana kosnya yang rendah, struktur peralatan yang ringkas, dan kesesuaian untuk pengeluaran besar-besaran, dan alat pemotong berlian juga agak mudah diperoleh. Walau bagaimanapun, pemotongan wayar menyebabkan kehilangan bahan yang besar dan mempunyai kecekapan pemprosesan yang sangat rendah.
Kehilangan Bahan Disebabkan Oleh Pemotongan Wayar
Semasa pemotongan wayar, pergerakan wayar pemotongan berkelajuan tinggi bukan sahaja menghasilkan kehilangan kerf dengan lebar kerf sama dengan diameter wayar; kerana permukaan wafer yang disediakan oleh pemotongan wayar adalah sangat kasar, pengisaran dan penggilapan seterusnya dan proses kemasan lain juga diperlukan. Akhirnya, kehilangan bahan kumulatif boleh mencapai 30%–50% daripada jumlah bahan mentah. Proses menggergaji berbilang wayar juga memerlukan penyelesaian untuk menyejukkan kerf dan membersihkan serpihan, menghasilkan sejumlah besar cecair sisa yang mengandungi silikon. Zarah-zarah berskala mikro/nano di dalamnya sukar untuk terkumpul dan sukar untuk dikitar semula, menyebabkan kesan alam sekitar yang ketara.
Laser Lift-Off: Melakukan "Pembedahan Halimunan" Di Dalam Kristal
Pengangkatan laser ialah proses penting untuk penghirisan SiC dan tergolong dalam pengubahsuaian dalaman dan teknologi pemprosesan pemisahan lapisan. Prinsip terasnya ialah pengubahsuaian pemfokusan dalaman laser serta pemisahan pemisahan daya luaran.
Gambarajah skematik teknologi angkat laser kristal SiC
Peringkat pertama ialah pengubahsuaian dalaman. Menggunakan penembusan ultratinggi dan ciri pemfokusan laser nadi ultra pendek, fokus laser dikawal dengan tepat oleh laluan optik dan difokuskan pada kedalaman pratetap di dalam wafer silikon karbida. Selepas pemfokusan laser bertenaga tinggi di dalam wafer, bahan silikon karbida tempatan mengalami herotan kekisi, transformasi fasa, dan perambatan mikrocrack, membentuk lapisan diubah suai yang berterusan dan seragam. Kekuatan mekanikal lapisan yang diubah suai adalah jauh lebih rendah daripada bahan substrat, dan tiada tanda pemprosesan pada permukaan, menyedari pengubahsuaian yang tidak kelihatan. Peringkat kedua ialah pemisahan membelah. Melalui tegangan mikro mekanikal, tiupan gas, atau daya luar tegangan, wafer dipisahkan dengan tepat di sepanjang lapisan diubah suai dalaman, melengkapkan pemotongan tanpa kehilangan dan pengasingan keseluruhan wafer.
Tidak seperti pemotongan dawai tradisional, teknologi angkat laser tanpa sentuhan berkesan boleh mengelakkan masalah seperti kehausan alat pemotong dan kegagalan wafer SiC yang disebabkan oleh tekanan mekanikal, dengan itu mencapai pengangkatan yang berkualiti tinggi dan berketepatan tinggi. Teknologi pengangkatan laser dengan ketara meningkatkan kecekapan pemprosesan dan kualiti wafer silikon karbida dan mengurangkan kos pembuatan substrat silikon karbida. Ia mempunyai kelebihan ketara kecekapan pengeluaran yang tinggi dan kehilangan bahan yang rendah. Pengangkatan laser mempunyai ketebalan lapisan diubah suai yang sangat kecil, yang boleh meningkatkan penggunaan bahan dengan ketara semasa penyediaan wafer silikon karbida. Mencapai pelepasan berkualiti tinggi dan kecekapan tinggi pada wafer silikon karbida dijangka akan menembusi kesesakan teknikal dan kekangan kos tinggi, dan menggalakkan aplikasi pasaran di mana peranti silikon karbida menggantikan substrat silikon. Kesan alam sekitar teknologi angkat laser juga penting. Dalam proses pemotongan tradisional, masalah pemotongan cecair dan pencemaran habuk agak serius, manakala laser lift-off, sebagai proses tanpa sentuhan, boleh mengurangkan pelepasan sisa industri. Digabungkan dengan prestasi cekap peranti silikon karbida dalam penukaran tenaga, teknologi ini membantu matlamat neutraliti karbon global dari kedua-dua penghujung pembuatan dan aplikasi.
Perlumbaan Global: Status Semasa Pembangunan Teknologi Laser Lift-Off
Wafer silikon karbida berkembang ke arah saiz yang lebih besar, dan teknologi pemotongan angkat laser telah dipromosikan secara meluas. Panjang gelombang laser, tenaga nadi, kedalaman pemfokusan dan jarak pengimbasan ialah parameter teras yang menentukan kesinambungan dan keseragaman lapisan diubahsuai. 532 nm dan laser ultrafast 1064 nm mempunyai penembusan yang sangat baik ke dalam silikon karbida, dan titik fokus adalah lebih kecil. Ketebalan lapisan yang diubah suai boleh dikawal dengan tepat pada 10-30 μm, dan retakan yang diubah suai merambat dengan cara yang diarahkan tanpa meresap ke dalam kawasan fungsi peranti. Melalui kawalan polarisasi dinamik dan teknologi pembentukan rasuk, morfologi lapisan yang diubah suai boleh dioptimumkan, kerataan pemotongan boleh dipertingkatkan, dan pembelahan wafer boleh ditindas dengan berkesan. Penyelidikan domestik memfokuskan pada ketekalan pemprosesan kelompok untuk wafer bersaiz besar, pemotongan tekanan rendah wafer ultra nipis (50–100 μm), dan pengoptimuman teknologi pemotongan dadu jarak sempit. Pemotongan angkat lepas laser automatik sepenuhnya bagi wafer silikon karbida 8 inci telah dicapai. Di bawah keadaan proses yang dioptimumkan, lebar jalan pemotongan boleh dikurangkan kepada dalam 20 μm, hasil die melebihi 98%, dan kecekapan pemprosesan wafer tunggal meningkat lebih daripada 30% berbanding dengan proses tradisional, menyelesaikan masalah yang pengubahsuaian tunggal tradisional tidak dapat menyesuaikan diri dengan pemprosesan wafer tebal. Sumber: Shuoke Crystal.
Dalam teknologi angkat hablur, seawal tahun 1985, saintis Amerika menunjukkan bahawa lapisan nipis boleh diangkat dari wafer Si dan GaAs di bawah tindakan tegasan tegangan sisa dalam lapisan tegasan. Walau bagaimanapun, proses percubaan angkat kristal awal sukar dikawal kerana apabila tegasan mencapai ambang yang ditentukan oleh keliatan patah wafer, rekahan akan secara spontan menjana dan merambat secara rawak, menyebabkan ketebalan lapisan angkat tidak sekata atau bahkan pemecahan.
IBM membangunkan teknologi lepas landas terkawal. Kaedah ini mereka bentuk lapisan cengkaman tambahan untuk menggunakan daya luaran untuk mencetuskan patah dan memandu arah perambatan retak, dan juga mewujudkan model teori untuk korelasi antara tegasan kritikal dan ketebalan lapisan spalling, memberikan panduan untuk pengoptimuman proses. Di samping itu, kristal tunggal Si, GaN tahap wafer, serta sel solar III-V, litar bersepadu, LED dan peranti semikonduktor lain, semuanya boleh menggunakan teknologi ini untuk mencapai daya angkat terkawal.
Dari segi teknologi perindustrian, teknologi pemisahan sejuk Siltectra Jerman dan proses pengubahsuaian laser Disco Jepun boleh mengawal kehilangan bahan penghirisan SiC dalam lingkungan 60 μm dan telah mencapai pengeluaran besar-besaran wafer 8 inci; Pengeluar Eropah dan Amerika memonopoli sumber cahaya excimer UV dan telah lama menguasai pasaran peralatan angkat antara muka untuk wafer epitaxial LED Mikro.
Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, kemajuan dalam negeri amat ketara. Pasukan penyelidik dari Universiti Sains dan Teknologi Huazhong dan CETC telah mengatasi pengubahsuaian dalaman SiC dan teknologi kawalan arah retak. Perusahaan seperti Han's Laser dan HGTECH telah mencapai penyetempatan peralatan angkat laser UV, dan peralatan domestik telah memasuki pengesahan dalam barisan pengeluaran peranti LED dan kuasa. Pada masa ini, penunjuk proses angkat SiC domestik 6-inci hampir dengan tahap antarabangsa, tetapi keseragaman tenaga wafer penuh bersaiz besar 8-inci agak lemah, dan masalah sisihan retakan karbida silikon jenis N belum diselesaikan sepenuhnya. Laser UV berkuasa tinggi dan modul optik berketepatan tinggi masih bergantung pada import.