Q : Quelles sont les principales technologies utilisées pour le découpage et le traitement des plaquettes de SiC ?
A:carbure de silicium Le carbure de silicium (SiC) possède une dureté surpassée seulement par celle du diamant et est considéré comme un matériau extrêmement dur et cassant. Le processus de découpe, qui consiste à découper les cristaux en fines tranches, est long et sujet à l'écaillage. La première étape de ce processus consiste à…SiCLors du traitement des monocristaux, la qualité du découpage influence considérablement les opérations de meulage, de polissage et d'amincissement ultérieures. Le découpage engendre souvent des fissures de surface et de subsurface, augmentant ainsi le taux de casse des plaquettes et les coûts de production. Par conséquent, la maîtrise des dommages causés par les fissures de surface lors du découpage est essentielle pour faire progresser la fabrication des dispositifs en SiC.
Les méthodes de découpe du SiC actuellement décrites comprennent la découpe à abrasif fixe, la découpe à abrasif libre, la découpe laser, le transfert de couches (séparation à froid) et la découpe par électroérosion. Parmi celles-ci, la découpe par fil oscillant à plusieurs fils avec abrasifs diamantés fixes est la méthode la plus couramment utilisée pour le traitement des monocristaux de SiC. Cependant, pour les lingots de plus de 20 cm de diamètre, le sciage à fil traditionnel devient moins pratique en raison des exigences élevées en matière d'équipement, des coûts importants et du faible rendement. Il existe donc un besoin urgent de technologies de découpe économiques, à faibles pertes et à haut rendement.
Q : Quels sont les avantages de la découpe laser par rapport à la découpe multifil traditionnelle ?
A: Le sciage traditionnel au fil coupe leLingot de SiCLes tranches, d'une épaisseur de plusieurs centaines de microns, sont découpées selon une direction précise. Elles sont ensuite polies à l'aide de suspensions diamantées pour éliminer les marques de sciage et les dommages sous-jacents, puis soumises à un polissage chimico-mécanique (CMP) pour obtenir une planarisation globale, et enfin nettoyées pour obtenir des plaquettes de SiC.
Cependant, en raison de la dureté et de la fragilité élevées du SiC, ces étapes peuvent facilement entraîner des déformations, des fissures, une augmentation du taux de casse, des coûts de production plus élevés, ainsi qu'une rugosité de surface importante et une contamination (poussière, eaux usées, etc.). De plus, le sciage au fil est lent et peu productif. Selon les estimations, le découpage multifil traditionnel n'atteint qu'environ 50 % d'utilisation du matériau, et jusqu'à 75 % de celui-ci est perdu après polissage et meulage. Les premières données de production étrangères indiquaient qu'il fallait environ 273 jours de production continue 24 h/24 pour produire 10 000 plaquettes, ce qui représente un temps de production extrêmement long.
Au niveau national, de nombreuses entreprises de croissance de cristaux de SiC s'attachent à augmenter la capacité de leurs fours. Toutefois, plutôt que de simplement accroître la production, il est plus important de réfléchir aux moyens de réduire les pertes, notamment lorsque les rendements de croissance cristalline ne sont pas encore optimaux.
Les équipements de découpe laser permettent de réduire considérablement les pertes de matière et d'améliorer le rendement. Par exemple, avec un seul laser de 20 mmLingot de SiCLe sciage au fil permet d'obtenir environ 30 plaquettes de 350 µm d'épaisseur. Le découpage laser, quant à lui, peut en produire plus de 50. Si l'épaisseur des plaquettes est réduite à 200 µm, il est possible d'en fabriquer plus de 80 à partir d'un même lingot. Bien que le sciage au fil soit largement utilisé pour les plaquettes de 6 pouces et moins, le découpage d'un lingot de SiC de 8 pouces peut prendre de 10 à 15 jours avec les méthodes traditionnelles, nécessitant un équipement haut de gamme et engendrant des coûts élevés pour une faible productivité. Dans ces conditions, les avantages du découpage laser apparaissent clairement, faisant de cette technologie la technologie de référence pour les plaquettes de 8 pouces.
Avec la découpe laser, le temps de découpe par plaquette de 8 pouces peut être inférieur à 20 minutes, avec une perte de matière par plaquette inférieure à 60 μm.
En résumé, comparée à la découpe multifilaire, la découpe laser offre une vitesse plus élevée, un meilleur rendement, une perte de matière moindre et un traitement plus propre.
Q : Quels sont les principaux défis techniques liés au découpage laser du SiC ?
A: Le processus de découpe au laser comprend deux étapes principales : la modification laser et la séparation des plaquettes.
Le principe de la modification laser repose sur la mise en forme du faisceau et l'optimisation des paramètres. Des paramètres tels que la puissance du laser, le diamètre du spot et la vitesse de balayage influent sur la qualité de l'ablation et la réussite de la séparation ultérieure des plaquettes. La géométrie de la zone modifiée détermine la rugosité de surface et la difficulté de séparation. Une rugosité de surface élevée complique le meulage ultérieur et augmente les pertes de matière.
Après modification, la séparation des plaquettes est généralement réalisée par cisaillement, par exemple par fracture à froid ou par contrainte mécanique. Certains systèmes domestiques utilisent des transducteurs ultrasoniques pour induire des vibrations lors de la séparation, mais cela peut entraîner des ébréchures et des défauts de bord, réduisant ainsi le rendement final.
Bien que ces deux étapes ne soient pas intrinsèquement difficiles, les variations de qualité cristalline — dues aux différents procédés de croissance, niveaux de dopage et répartitions des contraintes internes — influent considérablement sur la difficulté de découpe, le rendement et les pertes de matière. Le simple repérage des zones problématiques et l'ajustement des zones de balayage laser ne suffisent pas toujours à améliorer sensiblement les résultats.
La clé d'une adoption généralisée réside dans le développement de méthodes et d'équipements innovants capables de s'adapter à une large gamme de qualités de cristaux provenant de divers fabricants, dans l'optimisation des paramètres de processus et dans la conception de systèmes de découpe laser à applicabilité universelle.
Q : La technologie de découpe laser peut-elle être appliquée à d'autres matériaux semi-conducteurs que le SiC ?
A: La technologie de découpe laser a été historiquement appliquée à une vaste gamme de matériaux. Dans le domaine des semi-conducteurs, elle a d'abord été utilisée pour le découpage de plaquettes et s'est depuis étendue à la découpe de monocristaux massifs de grande taille.
Outre le carbure de silicium (SiC), la découpe laser peut également être utilisée pour d'autres matériaux durs ou fragiles tels que le diamant, le nitrure de gallium (GaN) et l'oxyde de gallium (Ga₂O₃). Des études préliminaires sur ces matériaux ont démontré la faisabilité et les avantages de la découpe laser pour les applications semi-conductrices.
Q : Existe-t-il actuellement des équipements de découpe laser nationaux matures ? À quel stade en sont vos recherches ?
A: Les équipements de découpe laser SiC de grand diamètre sont largement considérés comme essentiels pour l'avenir de la production de plaquettes SiC de 8 pouces. Actuellement, seul le Japon est en mesure de fournir de tels systèmes, qui sont coûteux et soumis à des restrictions à l'exportation.
La demande intérieure de systèmes de découpe/amincissement laser est estimée à environ 1 000 unités, selon les prévisions de production de SiC et les capacités existantes de production de scies à fil. Les principales entreprises nationales ont investi massivement dans le développement de ces systèmes, mais aucun équipement national mature et commercialisable n'a encore été déployé à l'échelle industrielle.
Depuis 2001, des équipes de recherche développent une technologie exclusive de décollement laser et l'ont désormais étendue au découpage et à l'amincissement laser de plaquettes de SiC de grand diamètre. Elles ont mis au point un système prototype et des procédés de découpe permettant : la découpe et l'amincissement de plaquettes de SiC semi-isolantes de 4 à 6 pouces ; le découpage de lingots de SiC conducteurs de 6 à 8 pouces. Performances : SiC semi-isolant de 6 à 8 pouces : temps de découpe de 10 à 15 minutes par plaquette ; perte de matière < 30 µm. SiC conducteur de 6 à 8 pouces : temps de découpe de 14 à 20 minutes par plaquette ; perte de matière < 60 µm.
Le rendement estimé des plaquettes a augmenté de plus de 50 %
Après découpe, les plaquettes répondent aux normes nationales de géométrie après meulage et polissage. Des études montrent également que les effets thermiques induits par laser n'ont pas d'incidence significative sur les contraintes ou la géométrie des plaquettes.
Le même équipement a également été utilisé pour vérifier la faisabilité du découpage de monocristaux de diamant, de GaN et de Ga₂O₃.
Date de publication : 23 mai 2025