Q : Quelles sont les principales technologies utilisées dans le découpage et le traitement des plaquettes de SiC ?
A:carbure de silicium Le SiC (SiC) possède une dureté surpassant celle du diamant et est considéré comme un matériau extrêmement dur et cassant. Le procédé de tranchage, qui consiste à découper les cristaux en fines plaquettes, est long et sujet à l'écaillage. Il s'agit de la première étape de la fabrication.SiCLors du traitement des monocristaux, la qualité du tranchage influence significativement le meulage, le polissage et l'amincissement ultérieurs. Le tranchage introduit souvent des fissures superficielles et sous-cutanées, augmentant ainsi le taux de rupture des plaquettes et les coûts de production. Par conséquent, la maîtrise des dommages causés par les fissures superficielles lors du tranchage est essentielle pour faire progresser la fabrication des dispositifs SiC.
Les méthodes de tranchage du SiC actuellement utilisées comprennent le tranchage à l'abrasif fixe, le tranchage à l'abrasif libre, la découpe laser, le transfert de couches (séparation à froid) et le tranchage par décharge électrique. Parmi ces méthodes, le tranchage multifil alternatif avec abrasifs diamantés fixes est la méthode la plus couramment utilisée pour le traitement des monocristaux de SiC. Cependant, à mesure que la taille des lingots atteint 20 cm et plus, le sciage à fil traditionnel devient moins pratique en raison des exigences élevées en matière d'équipement, des coûts élevés et du faible rendement. Il existe un besoin urgent de technologies de tranchage économiques, à faibles pertes et à haut rendement.
Q : Quels sont les avantages du tranchage laser par rapport à la découpe multifilaire traditionnelle ?
A : Le sciage au fil traditionnel coupe lelingot de SiCLes tranches sont découpées selon une direction spécifique en tranches de plusieurs centaines de microns d'épaisseur. Ces tranches sont ensuite meulées à l'aide de boues diamantées pour éliminer les traces de scie et les dommages sous-jacents, puis polies chimiquement et mécaniquement (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 provoquer des déformations, des fissures, des taux de rupture accrus, des coûts de production plus élevés et entraîner une rugosité de surface élevée et une contamination (poussière, eaux usées, etc.). De plus, le sciage à fil est lent et a un faible rendement. On estime que le tranchage multifil traditionnel n'utilise qu'environ 50 % de la matière, et que jusqu'à 75 % de la matière est perdue après le polissage et le meulage. Les premières données de production étrangères indiquaient qu'il faudrait environ 273 jours de production continue 24 heures sur 24 pour produire 10 000 plaquettes, ce qui est très chronophage.
Au niveau national, de nombreuses entreprises de croissance cristalline de SiC se concentrent sur l'augmentation de la capacité des fours. Cependant, au-delà de la simple augmentation de la production, il est plus important de réfléchir à la réduction des 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, l'utilisation d'une seule lame de 20 mmlingot de SiCLe sciage au fil permet de produire environ 30 plaquettes de 350 μm d'épaisseur. Le tranchage laser permet d'en produire plus de 50. Si l'épaisseur est réduite à 200 μm, plus de 80 plaquettes peuvent être produites à partir du même lingot. Alors que le sciage au fil est largement utilisé pour les plaquettes de 6 pouces et moins, le tranchage 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 générant des coûts élevés pour une faible efficacité. Dans ces conditions, les avantages du tranchage laser deviennent évidents, ce qui en fait la technologie d'avenir dominante 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, par rapport à la découpe multifilaire, le tranchage laser offre une vitesse plus élevée, un meilleur rendement, une perte de matière plus faible et un traitement plus propre.
Q : Quels sont les principaux défis techniques du découpage laser du SiC ?
R : Le processus de découpage au laser comprend deux étapes principales : la modification au laser et la séparation des plaquettes.
La modification laser repose sur la mise en forme du faisceau et l'optimisation des paramètres. Des paramètres tels que la puissance laser, le diamètre du spot et la vitesse de balayage influencent tous la qualité de l'ablation du matériau et la réussite de la séparation ultérieure des plaquettes. La géométrie de la zone modifiée détermine la rugosité de la surface et la difficulté de la séparation. Une rugosité de surface élevée complique le meulage ultérieur et augmente les pertes de matière.
Après modification, la séparation des plaquettes est généralement obtenue par cisaillement, comme une fracture à froid ou une contrainte mécanique. Certains systèmes domestiques utilisent des transducteurs à ultrasons pour induire des vibrations lors de la séparation, mais cela peut provoquer des écaillages et des défauts de bord, réduisant ainsi le rendement final.
Bien que ces deux étapes ne soient pas intrinsèquement difficiles, les variations de qualité des cristaux, dues à des processus de croissance, des niveaux de dopage et des distributions de contraintes internes différents, affectent significativement la difficulté de découpe, le rendement et la perte de matière. La simple identification des zones problématiques et l'ajustement des zones de balayage laser ne suffisent pas forcément 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 de divers fabricants, d’optimiser les paramètres de processus et de construire des systèmes de découpage laser à applicabilité universelle.
Q : La technologie de découpage laser peut-elle être appliquée à d’autres matériaux semi-conducteurs en plus du SiC ?
R : La technologie de découpe laser a toujours été appliquée à une large gamme de matériaux. Dans les semi-conducteurs, elle était initialement utilisée pour le découpage de plaquettes, puis s'est étendue au découpage de monocristaux massifs de grande taille.
Au-delà du SiC, le découpage laser peut également être utilisé pour d'autres matériaux durs ou cassants 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 du découpage laser pour les applications semi-conductrices.
Q : Existe-t-il actuellement des équipements de découpe laser domestiques matures ? Où en sont vos recherches ?
R : Les équipements de découpe laser SiC de grand diamètre sont largement considérés comme des équipements clés pour l'avenir de la production de plaquettes SiC de 8 pouces. Actuellement, seul le Japon peut fournir de tels systèmes, qui sont coûteux et soumis à des restrictions à l'exportation.
La demande nationale de systèmes de découpe/amincissement laser est estimée à environ 1 000 unités, sur la base des plans de production de SiC et des capacités de sciage à fil existantes. Les grandes entreprises nationales ont investi massivement dans le développement, mais aucun équipement national mature et disponible commercialement n'a encore atteint le stade du déploiement industriel.
Des groupes de recherche développent une technologie brevetée de décollage laser depuis 2001 et l'étendent désormais au découpage et à l'amincissement laser de SiC de grand diamètre. Ils ont développé un système prototype et des procédés de découpage capables de : découper et amincir des plaquettes de SiC semi-isolantes de 10 à 15 cm ; découper des lingots de SiC conducteur de 15 à 20 cm ; performances de référence : SiC semi-isolant de 15 à 20 cm : temps de découpage de 10 à 15 minutes/plaquette ; perte de matière < 30 µm ; SiC conducteur de 15 à 20 cm : temps de découpage de 14 à 20 minutes/plaquette ; perte de matière < 60 µm
Le rendement estimé des plaquettes a augmenté de plus de 50 %
Après le tranchage, les plaquettes répondent aux normes nationales de géométrie après meulage et polissage. Des études montrent également que les effets thermiques induits par le laser n'ont pas d'impact significatif 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