Kos substrat SiC bergantung pada bilangan wafer yang layak yang boleh dihasilkan oleh satu larian pertumbuhan kristal. Pertumbuhan kristal, orientasi dan pembentukan, penghirisan, pengisaran, CMP, dan pembersihan secara progresif menghantar kehilangan bahan dan keperluan kualiti; kehilangan gergaji rendah, kerosakan rendah, dan permukaan yang bersih mesti dioptimumkan bersama. Sebagai tambahan kepada saiz kristal, penggunaan bahan juga bergantung pada politaip kristal, sifat elektrik, kecacatan, dan isipadu yang boleh digunakan selepas dibentuk; bilangan wafer yang layak selepas dihiris adalah penyebut untuk perakaunan kos. Anggaran ketebalan: padang bahan setiap wafer adalah lebih kurang sama dengan jumlah ketebalan akhir, jumlah jumlah penyingkiran dalam pemprosesan berikutnya, dan kehilangan penghirisan. Faedah gergaji yang lebih sempit mungkin diimbangi oleh penyingkiran kerosakan tambahan. Penerimaan permukaan: ketebalan dan TTV, ledingan global, kekasaran tempatan, calar dan pencemaran diukur secara berasingan; penampilan seperti cermin tidak boleh menggantikan pemeriksaan kualiti wafer penuh.
1. Pertumbuhan kristal menentukan kualiti bahan yang boleh digunakan oleh proses hiliran
Untuk menghasilkan substrat SiC, langkah pertama adalah untuk mendapatkan kristal tunggal dengan polytype sasaran, sifat elektrik, dan tahap kecacatan. Mengambil SiC konduktif 4H, yang biasa digunakan untuk peranti kuasa, sebagai talian utama, pengangkutan wap fizikal (PVT) ialah laluan perindustrian matang. Di sini proses disatukan ke dalam enam modul utama, dengan chamfering, penyepuhlindapan, pembersihan dalam proses, dan pemeriksaan diselingi; titik akhir ialah substrat kosong yang sedia untuk epitaksi berikutnya.
Dalam relau PVT, serbuk menyublimkan dalam zon yang lebih panas, dan fasa wap mengangkut ke berhampiran kristal benih yang agak sejuk di mana ia menghablur. Kecacatan dan zon penyingkiran bentuk ditunjukkan secara skema. PVT menumbuhkan kristal melalui pengangkutan wap: serbuk SiC ketulenan tinggi diletakkan di bahagian bawah bekas grafit, dengan kristal benih di atas. Di bawah suhu tinggi dan tekanan rendah, bahan mentah menyublim untuk membentuk komponen fasa wap yang mengandungi silikon dan karbon, yang diangkut ke berhampiran hablur benih didorong oleh kecerunan suhu dan perbezaan kepekatan, dan kemudian mengkristal semula untuk membentuk kristal tunggal. Medan haba, tekanan dan keadaan bahan mentah perlu mengekalkan evolusi yang sesuai semasa pertumbuhan untuk mengimbangi kadar pertumbuhan, morfologi antara muka dan kestabilan politaip.
Politaip, kehelan dan sifat elektrik menentukan julat yang boleh digunakan. Kemasukan heteropolitaip, paip mikro, terkehel dan retak adalah kecacatan yang berbeza, dan kesannya terhadap kawasan yang boleh digunakan dan risiko peranti hiliran juga berbeza. Produk konduktif juga memerlukan kawalan pengagihan doping dan kerintangan. Apabila diameter dan panjang kristal bertambah, hanya dengan mengekalkan kawasan yang layak secara serentak boleh bilangan substrat yang boleh dihantar meningkat; kecacatan kristal pukal terutamanya diuruskan melalui kawalan pertumbuhan dan pengurusan pengasingan.
Kecekapan pertumbuhan mesti ditunjukkan dalam output yang layak dengan spesifikasi yang sama. Mempercepatkan pertumbuhan boleh mengurangkan masa relau yang diduduki bagi setiap unit kristal, tetapi jika kecacatan, tekanan, atau kawasan tidak layak meningkat dengan sewajarnya, kerugian pengisihan hiliran juga akan berkembang. Perihalan proses yang didedahkan secara terbuka Tianyue Advanced menekankan kawalan keadaan PVT dan penghantaran kerosakan hiliran, menunjukkan bahawa pertumbuhan dan pemprosesan mesti dikaitkan dengan spesifikasi akhir. Apabila menilai peringkat ini, seseorang harus melihat pada pengeluaran yang berkesan dan pengedaran kualiti kristal dengan spesifikasi yang sama.
2. Orientasi dan pembentukan mewujudkan orientasi kristal, dimensi, dan rujukan penghirisan
Kristal yang tumbuh masih memerlukan bahagian yang tidak teratur dikeluarkan, orientasi kristal diukur, muka hujung dan diameter luar dipangkas, dan rujukan pengapit penghirisan ditubuhkan. Modul ini menukarkan bahan yang diperoleh daripada pertumbuhan kepada jongkong yang boleh diproses dalam postur dan dimensi yang ditentukan, sambil menjana kerugian bahan kepala dan ekor dan tepi, secara langsung menukar panjang dan diameter yang boleh digunakan untuk langkah seterusnya.
Sudut terputus ialah sudut antara permukaan wafer normal dan paksi c kristal, dan dikawal secara berasingan daripada darjah chamfering tepi. 4 ialah contoh biasa untuk produk 4H konduktif; nilai khusus bergantung pada spesifikasi produk. Orientasi sinar-X memindahkan orientasi kristal ke lekapan pemprosesan. SiC mempunyai anisotropi kristal, dan orientasi kristal dan sudut terpotong mempengaruhi struktur langkah epitaxial berikutnya dan tingkah laku pemprosesan. Produk 4H konduktif sering menggunakan potongan kecil kecil berbanding satah basal; contohnya, beberapa spesifikasi produk Wolfspeed 150 mm dan 200 mm menggunakan potongan 4 darjah. Pengukuran orientasi, pemangkasan muka akhir, ikatan, dan pemasangan mesti bersama-sama memastikan satah potong sasaran; mengukur sudut dengan tepat sahaja masih memerlukan pemindahan yang betul ke postur menghiris.
Pembundaran tepi, muka hujung dan tanda kedudukan setiap satu membawa tugasan dimensi. Pemprosesan diameter luar mengawal diameter, pemprosesan muka akhir membentuk rujukan, dan kedudukan rata atau takuk membantu mengenal pasti orientasi kristal dan arah pelekap. Tanda kedudukan dan chamfering tepi pelindung adalah keperluan geometri yang berbeza. Pemangkasan yang tidak mencukupi meninggalkan masalah dimensi atau tepi, manakala pemangkasan yang berlebihan menggunakan bahan yang telah menanggung kos pertumbuhan; oleh itu, margin mesti ditentukan dalam kombinasi dengan peta kualiti kristal dan dimensi produk.
Kehilangan bentuk berlaku sebelum kiraan wafer. Panjang yang boleh digunakan dalam perakaunan kos harus bermula dari kristal selepas pemangkasan kepala dan ekor dan pengisihan yang diperlukan selesai. Menganggarkan keluaran wafer daripada panjang keseluruhan kristal kasar akan mengira bahagian yang semestinya mesti dikeluarkan kemudian sebagai output. Bahan projek pemprosesan Tianyue Advanced yang didedahkan secara terbuka menyenaraikan pembundaran pinggir luar, pemprosesan rata, pemprosesan rata kedudukan, dan penghirisan wayar secara berasingan, mencerminkan langkah-langkah penubuhan rujukan ini.
3. Menghiris memperuntukkan bahan antara kehilangan gergaji, ketebalan wafer dan kerosakan
Menghiris membahagikan jongkong kepada wafer nipis semasa memakan bahan dan meninggalkan kerosakan permukaan untuk dibuang. Setiap wafer perlu menyimpan ketebalan untuk pengisaran dan penggilapan seterusnya; oleh itu, menilai ekonomi penghirisan memerlukan mempertimbangkan kerf gergaji sebenar, kerosakan selepas potong, variasi ketebalan, serpihan, dan patah bersama-sama. Pemotongan wayar berlian dan pemisahan pengubahsuaian dalaman laser adalah laluan penghirisan yang berbeza. Dalam model padang, kehilangan penghirisan juga harus termasuk penyingkiran pembaikan jongkong yang diperuntukkan, manakala elaun pemprosesan permukaan wafer seterusnya dikira secara berasingan.
Mengurangkan diameter wayar memerlukan mengekalkan pemotongan yang stabil. Kawat berlian menggunakan butiran kasar untuk memotong SiC yang keras dan rapuh; gergaji gergaji sebenar dipengaruhi oleh diameter wayar, penonjolan kasar, pergerakan wayar, dan keadaan pemotongan. Kawat halus boleh mengurangkan penggunaan bahan, tetapi ketegangan, getaran, pengekalan kasar dan penyingkiran cip perlu diselaraskan. Gaoche GC-SCDW8300 secara terbuka mengguna pakai jarak paksi boleh laras, hayunan bahan kerja, dawai berlian khusus, dan kawalan ketegangan, menyasarkan pemotongan kristal 6–8 inci; gabungan teknikalnya mencerminkan keperluan peralatan dan penyelarasan yang boleh digunakan.
Memotong kerosakan diterjemahkan kepada jumlah penyingkiran berikutnya. Tanda gergaji, sisihan ketebalan setempat, dan retakan mikro bawah permukaan perlu dibaiki di hiliran. Jika beban pemotongan dinaikkan semata-mata untuk meningkatkan kelajuan pemotongan, kerosakan yang lebih dalam mungkin memerlukan elaun penghirisan yang lebih tebal dan meningkatkan masa pengisaran. Penyerpih dan patah tempatan secara langsung mengurangkan bilangan wafer yang boleh terus diproses. Matlamat pengurangan kos penghirisan adalah untuk mengurangkan penggunaan bahan dan masa merentasi keseluruhan laluan di bawah kekangan hasil.
Pemisahan laser mengubah komposisi kehilangan bahan. KABRA DISCO membentuk lapisan pemisah yang diubah suai pada kedalaman tertentu di dalam jongkong, dan kemudian memisahkan wafer daripada lapisan itu. Ia menggantikan sebahagian daripada penyingkiran bahan menggergaji tradisional dengan pengubahsuaian dan pengasingan dalaman, tetapi permukaan pemisahan dan jongkong yang tinggal masih memerlukan penyaman berikutnya. Apabila membandingkan kedua-dua laluan, pembaikan permukaan wafer, pemprosesan semula jongkong, dan pecah mesti dimasukkan dalam jumlah kerugian, dan keluaran wafer berbanding mengikut spesifikasi akhir.
4. Pengisaran membetulkan morfologi geometri dan mengurangkan beban kerosakan yang ditanggung oleh CMP
Selepas menghiris, wafer memerlukan tanda gergaji dibuang, ketebalan dan keselarian diselaraskan, dan kerosakan pemprosesan besar dibaiki. Pengisaran, lapping, penipisan, dan pra-penggilap mekanikal boleh digabungkan mengikut laluan; tugas teras adalah untuk mewujudkan morfologi geometri dengan kecekapan yang agak tinggi dan kemudian meninggalkan beban penyingkiran cetek yang boleh dikawal untuk CMP berikutnya. Pengisaran kasar dan pengisaran halus biasanya secara beransur-ansur mengurangkan kedalaman kerosakan, manakala setiap satunya boleh menyebabkan kerosakan pemprosesan baharu. TTV dan Warp masing-masing menyatakan konsistensi ketebalan dan warp global; keratan rentas dalam rajah adalah skema yang diperbesarkan.
Semasa mengalih keluar kerosakan lama, kerosakan baru mesti dikawal. Bahan keras dan rapuh mungkin mengalami keretakan rapuh setempat di bawah tindakan kasar. Pemprosesan kasar mempunyai kadar penyingkiran yang lebih tinggi dan mungkin juga meninggalkan retakan mikro baru dan lapisan terganggu; pemprosesan halus perlu mengurangkan tindakan per-butir dan kedalaman kerosakan. Penyelarasan langkah kasar dan halus hendaklah berdasarkan kedalaman kerosakan dan anggaran ketebalan akhir; menukar kepada CMP terlalu awal memanjangkan penggilapan, manakala pengisaran berlebihan menggunakan bahan.
TTV, ledingan global dan kekasaran dikawal secara berasingan. TTV ialah perbezaan antara ketebalan maksimum dan minimum merentas keseluruhan wafer, Warp mencerminkan julat keseluruhan permukaan median wafer, dan kekasaran permukaan setempat menerangkan undulasi berskala lebih kecil. Beberapa penyenaraian produk konduktif Wolfspeed 200 mm memberikan TTV Kurang daripada atau sama dengan 5 μm dan Warp Kurang daripada atau sama dengan 20 μm, menunjukkan bahawa penghantaran mesti mengekang berbilang penunjuk morfologi secara serentak. Nilai ini tergolong dalam spesifikasi produk tertentu dan keadaan ukuran serta peraturan pengecualian tepi juga perlu dipadankan.
Pemprosesan dua sisi bergantung pada penyelarasan gerakan, pembawa dan kasar. Pengisaran dua sisi mengatur gerakan relatif melalui struktur seperti plat atas dan bawah serta gear pembawa; pelelas, tekanan, keadaan permukaan plat dan keadaan pembawa secara bersama mempengaruhi keseragaman. Yujing YJ-16B5LC secara jelas merangkumi pengisaran dua muka wafer SiC, menggunakan pemacu berasingan untuk plat atas, plat bawah, gelang gear dalaman dan gear matahari. Struktur ini memudahkan pelarasan gerakan pemprosesan, tetapi kesan akhir masih ditentukan oleh gabungan proses tertentu.
Kawalan kerosakan menghubungkan penggunaan bahan dan kapasiti penggilap. Apabila kadar penyingkiran sasaran CMP adalah serupa, semakin dalam kerosakan yang tinggal selepas pengisaran, semakin banyak bahan dan masa yang perlu digilap untuk dikeluarkan dan diduduki. Oleh itu, penambahbaikan pada bahagian pengisaran boleh mengurangkan elaun ketebalan dan beban CMP secara serentak. Untuk barisan pengeluaran, ini lebih hampir kepada kos akhir daripada hanya membandingkan berapa banyak wafer sejam yang diproses oleh mesin pengisar tunggal.
5. Penggilapan mekanikal kimia menukar kerosakan yang boleh dikawal kepada permukaan pra-epitaksi
Selepas pembentukan geometri selesai, CMP perlu mengurangkan lagi kekasaran dan sisa kerosakan pemprosesan untuk mendapatkan permukaan yang memenuhi keperluan pra-epitaksi. SiC adalah keras dan stabil secara kimia; bergantung semata-mata pada tindakan mekanikal yang kuat cenderung untuk meningkatkan calar. Penggilap mekanikal kimia mewujudkan tingkap antara kadar penyingkiran dan integriti permukaan melalui sinergi tindak balas permukaan dan penyingkiran kasar. SiC CMP secara amnya membentuk dan membuang lapisan permukaan yang diubah suai melalui sinergi komponen reaktif dan bahan pelelas. Angka tersebut menunjukkan mekanisme umum dan tidak sepadan dengan formulasi buburan tunggal; muka kristal yang berbeza dan keadaan peralatan perlu dipadankan secara berasingan.
Penjanaan dan penyingkiran lapisan tindak balas perlu sepadan antara satu sama lain. Komponen reaktif dalam cecair penggilap mengubah keadaan permukaan paling luar, dan pad pelelas dan penggilap kemudian mengeluarkannya, selepas itu permukaan yang baru terdedah terus bertindak balas. Jika tindak balas permukaan terlalu perlahan, kadar penyingkiran adalah terhad; jika aglomerasi yang melelas, beban setempat, atau keadaan permukaan pad menjadi tidak terkawal, calar dan ketidakseragaman mungkin berlaku. Tindak balas kimia dan tingkah laku penyingkiran muka kristal kutub yang berbeza wafer juga perlu dipadankan secara berasingan.
Elaun huluan menentukan berapa lama CMP mesti berfungsi. Pada kadar penyingkiran stabil yang sama, lebih besar ketebalan yang mesti dikeluarkan, lebih lama masa pemprosesan yang diperlukan. Penyelesaian SiC Entegris yang didedahkan secara terbuka mempertimbangkan kerosakan pengisaran bahagian hadapan, buburan, pad penggilap, penapisan dan selepas pembersihan bersama-sama, kerana bahagian ini bersama-sama menentukan kualiti permukaan dan masa pemprosesan. Hanya meningkatkan tekanan penggilap boleh mengimbangi keuntungan kadar penyingkiran dengan kecacatan yang baru diperkenalkan.
Penampilan seperti cermin memerlukan pemeriksaan kuantitatif ditambah. AFM boleh mengukur kekasaran setempat, tetapi apabila membandingkan nilai, Ra atau Rq, julat imbasan, pensampelan dan kaedah pemprosesan data perlu disatukan. Hasil imbasan setempat juga perlu digabungkan dengan calar wafer penuh, zarah dan pemeriksaan morfologi. Substrat kosong yang digilap boleh digunakan untuk epitaksi berikutnya; ketebalan lapisan epitaxial, doping, dan kawalan kecacatan yang diperlukan oleh peranti tergolong dalam peringkat pembuatan seterusnya.
6. Pembersihan membuang sisa pemprosesan dan melindungi kualiti permukaan yang telah dicapai
CMP memperkenalkan bahan pelelas, produk tindak balas dan sisa komponen organik, dan langkah huluan juga boleh membawa pencemaran logam dan lain. Pembersihan mesti mengeluarkan sisa-sisa ini dari permukaan dan mengurangkan pemendapan semula dan pencemaran semula semasa pembilasan, pengeringan, pemeriksaan dan pembungkusan, untuk mengekalkan kualiti permukaan yang dicapai melalui pelbagai langkah pemprosesan. Pembersihan berus, pembersihan kimia, pembilasan dan pengeringan adalah gabungan proses biasa. Jenis pencemaran yang berbeza mempunyai mekanisme penyingkiran yang berbeza; terkehel dan kerosakan pemprosesan dalam dikawal oleh kawalan kualiti huluan.
Zarah, logam dan organik menggunakan mekanisme penyingkiran yang berbeza. Penyingkiran zarah melibatkan detasmen permukaan, pengangkutan cecair, dan kestabilan serakan; pencemaran logam memerlukan padanan mekanisme kimia seperti pembubaran atau kompleksasi; sisa organik dan buburan memerlukan formulasi yang sesuai. Pembersihan berus, bantuan akustik dan cecair kimia boleh digabungkan, tetapi keamatan yang berlebihan boleh meningkatkan risiko permukaan. Oleh itu, formulasi pembersihan dan tindakan fizikal mesti dipilih bersama.
Membilas dan mengeringkan menentukan sama ada sisa benar-benar boleh pergi. Selepas pencemaran tertanggal dari permukaan, jika saliran dan pembilasan tidak mencukupi, ia masih boleh disimpan semula. Air ultratulen, penapisan, keadaan berus dan proses pengeringan mempengaruhi zarah akhir dan tera air. Entegris mempunyai bahan kimia pembersih khusus untuk sisa pemprosesan SiC, manakala HSC-S1300 Huahai Qingke menyokong pembersihan berus sisi depan dan belakang serta keserasian pembersihan asid/alkali dalam pembersihan semikonduktor kompaun, masing-masing mencerminkan penyelarasan bahan dan peralatan.
Pemeriksaan penghantaran secara berasingan menilai kualiti permukaan dan pukal. Penerimaan akhir mesti menggabungkan morfologi, kekasaran, calar, zarah, dan penunjuk pencemaran, dan mengekalkan kebolehkesanan kelompok kristal dan pemprosesan. Permukaan yang bersih bermanfaat untuk penyediaan epitaksi, tetapi kehelan pertumbuhan dan kerosakan dalam yang tidak dialihkan masih memerlukan pemeriksaan dan kawalan huluan yang sepadan. Faedah kos pembersihan adalah mengurangkan sekerap dan kerja semula wafer bernilai tinggi yang telah siap pada peringkat akhir.
Perakaunan kos meletakkan semula enam modul ke dalam bahan yang sama dan belanjawan hasil
Menghubungkan enam peringkat, persoalan teras ialah berapa banyak wafer yang layak dengan spesifikasi yang sama yang boleh dibentuk oleh segmen kristal yang boleh digunakan. Biarkan ketebalan wafer akhir ialah t, jumlah penyingkiran untuk pengisaran dan penggilap depan dan belakang selepas penghirisan ialah a, dan kehilangan penghirisan yang diperuntukkan bagi setiap wafer ialah k; maka pic bahan adalah lebih kurang p=t + a + k. Panjang boleh guna H dibahagikan dengan p, dibundarkan ke bawah, memberikan output wafer teori dalam model dipermudahkan.
Pengiraan menggunakan panjang boleh guna 20 mm dan ketebalan akhir 350 μm untuk membandingkan kerugian penghirisan yang berbeza dan jumlah penyingkiran seterusnya. Kesemuanya adalah contoh parameter, mengabaikan pembetulan akhir dan mengisih kerugian.
Mengurangkan kehilangan penghirisan: faedah perlu mencapai ketebalan siap. Menggunakan panjang boleh guna 20 mm dan ketebalan akhir 350 μm: apabila a ialah 80 μm dan k ialah 170 μm, pic ialah 600 μm, dan output teori ialah 33 wafer; jika k turun kepada 70 μm dan a kekal 80 μm, pic turun kepada 500 μm, dan output teori ialah 40 wafer. Pengurangan kehilangan bahan dengan itu ditukar kepada lebih banyak wafer.
Kerosakan yang meningkat boleh mengimbangi manfaat kehilangan gergaji rendah. Jika kehilangan penghirisan dikurangkan kepada 70 μm tetapi amaun penyingkiran berikutnya mesti dinaikkan daripada 80 μm kepada 180 μm, pic kembali kepada 600 μm, dan keluaran wafer teori kembali kepada 33. Contoh ini menunjukkan bahawa menilai wayar tertib halus atau teknologi pemisahan baharu memerlukan pengukur bahan secara serentak untuk membaiki bahan secara serentak daripada keseluruhan laluan.
Kos akhir juga bergantung pada bilangan wafer yang layak dengan spesifikasi yang sama. Selepas pengeluaran teori, kerugian yang disebabkan oleh keretakan, pengisihan kristal, morfologi, dan kualiti permukaan yang tidak memenuhi syarat juga mesti ditolak. Hanya dengan membahagikan jumlah pertumbuhan dan kos pemprosesan dengan kiraan wafer yang layak akhir boleh seseorang mendekati kos pembuatan unit substrat dengan spesifikasi yang sama. Mengurangkan masa relau, kehilangan gergaji, atau masa menggilap setiap satu mempunyai kesan; pengoptimuman yang paling berharga adalah untuk mengekalkan penjimatan bahan dan masa sehingga penghantaran akhir.