L'état actuel et les tendances de la technologie de traitement des plaquettes SiC

En tant que matériau de substrat semi-conducteur de troisième génération,carbure de silicium (SiC)Le monocristal offre de vastes perspectives d'application dans la fabrication de dispositifs électroniques haute fréquence et haute puissance. La technologie de traitement du SiC joue un rôle déterminant dans la production de matériaux de substrat de haute qualité. Cet article présente l'état actuel de la recherche sur les technologies de traitement du SiC, en Chine et à l'étranger, en analysant et en comparant les mécanismes de découpe, de meulage et de polissage, ainsi que les tendances en matière de planéité et de rugosité de surface des plaquettes. Il souligne également les défis actuels du traitement des plaquettes de SiC et aborde les orientations futures du développement.

Carbure de silicium (SiC)Les plaquettes sont des matériaux fondamentaux essentiels pour les dispositifs semi-conducteurs de troisième génération. Elles revêtent une importance considérable et représentent un potentiel commercial important dans des domaines tels que la microélectronique, l'électronique de puissance et l'éclairage à semi-conducteurs. Grâce à leur dureté et leur stabilité chimique extrêmement élevées,monocristaux de SiCLes méthodes traditionnelles de traitement des semi-conducteurs ne sont pas entièrement adaptées à leur usinage. Bien que de nombreuses entreprises internationales aient mené des recherches approfondies sur le traitement techniquement exigeant des monocristaux de SiC, les technologies concernées restent strictement confidentielles.

Ces dernières années, la Chine a intensifié ses efforts dans le développement de matériaux et de dispositifs monocristallins SiC. Cependant, le développement de cette technologie est actuellement freiné par les limitations des technologies de traitement et de la qualité des plaquettes. Il est donc essentiel pour la Chine d'améliorer ses capacités de traitement du SiC afin d'optimiser la qualité des substrats monocristallins SiC et de favoriser leur application pratique et leur production en série.

Les principales étapes de traitement comprennent : découpe → meulage grossier → meulage fin → polissage grossier (polissage mécanique) → polissage fin (polissage mécano-chimique, CMP) → inspection.

Découpe de monocristaux de SiC

Dans le traitement demonocristaux de SiCLa découpe est la première étape, hautement critique. La courbure, le gauchissement et la variation d'épaisseur totale (TTV) de la plaquette résultant de la découpe déterminent la qualité et l'efficacité des opérations de meulage et de polissage ultérieures.

Les outils de coupe peuvent être classés selon leur forme : scies diamantées à diamètre intérieur (DI), scies à diamètre extérieur (DE), scies à ruban et scies à fil. Les scies à fil, quant à elles, peuvent être classées selon leur type de mouvement : scies à fil alternatif et scies à fil en boucle (sans fin). Selon le mécanisme de coupe de l'abrasif, les techniques de coupe à la scie à fil peuvent être divisées en deux types : le sciage à fil abrasif libre et le sciage à fil diamanté abrasif fixe.

1.1 Méthodes de coupe traditionnelles

La profondeur de coupe des scies à diamètre extérieur (DE) est limitée par le diamètre de la lame. Pendant la coupe, la lame est sujette aux vibrations et aux déviations, ce qui entraîne un niveau sonore élevé et une faible rigidité. Les scies à diamètre intérieur (DI) utilisent des abrasifs diamantés sur leur circonférence intérieure comme tranchant. Ces lames peuvent atteindre 0,2 mm d'épaisseur. Lors du tranchage, la lame DI tourne à grande vitesse tandis que le matériau à couper se déplace radialement par rapport au centre de la lame, réalisant ainsi le tranchage.

Les scies à ruban diamantées nécessitent des arrêts et des inversions fréquents, et leur vitesse de coupe est très faible, généralement inférieure à 2 m/s. Elles souffrent également d'une usure mécanique importante et de coûts de maintenance élevés. En raison de la largeur de la lame, le rayon de coupe ne doit pas être trop petit, ce qui rend impossible la coupe multi-tranches. Ces outils de sciage traditionnels sont limités par la rigidité de leur base et ne permettent pas de réaliser des coupes courbes ou présentent des rayons de braquage restreints. Ils ne permettent que des coupes droites, produisent des traits de scie larges, ont un faible rendement et sont donc inadaptés à la coupe.cristaux de SiC.

1.2 Scie à fil abrasif gratuite pour coupe multi-fils

La technique de découpe à la scie à fil abrasif libre utilise le mouvement rapide du fil pour transporter la boue dans la saignée, permettant ainsi l'enlèvement de matière. Elle utilise principalement une structure alternative et constitue actuellement une méthode éprouvée et largement utilisée pour la découpe multi-plaquettes efficace de silicium monocristallin. Cependant, son application à la découpe du SiC a été moins étudiée.

Les scies à fil abrasif libre peuvent traiter des plaquettes d'une épaisseur inférieure à 300 μm. Elles offrent une faible perte de trait de scie, provoquent rarement des écaillages et offrent une qualité de surface relativement bonne. Cependant, en raison du mécanisme d'enlèvement de matière, basé sur le laminage et l'indentation des abrasifs, la surface des plaquettes a tendance à développer des contraintes résiduelles importantes, des microfissures et des couches de dommages plus profondes. Cela entraîne un gauchissement des plaquettes, complique le contrôle de la précision du profil de surface et augmente la charge des étapes de traitement ultérieures.

Les performances de coupe sont fortement influencées par la boue ; il est nécessaire de maintenir l'acuité et la concentration des abrasifs. Le traitement et le recyclage des boues sont coûteux. Lors de la découpe de lingots de grandes dimensions, les abrasifs ont du mal à pénétrer les saignées profondes et longues. À granulométrie égale, la perte de saignée est supérieure à celle des scies à fil abrasif fixe.

1.3 Scie à fil diamanté abrasif fixe, coupe multi-fils

Les scies à fil diamanté abrasif fixe sont généralement fabriquées en intégrant des particules de diamant sur un substrat en fil d'acier par galvanoplastie, frittage ou collage à la résine. Les scies à fil diamanté électrodéposées offrent des avantages tels que des traits de scie plus étroits, une meilleure qualité de coupe, un rendement accru, une contamination réduite et la capacité de couper des matériaux très durs.

La scie à fil diamanté électrolytique alternative est actuellement la méthode la plus utilisée pour la découpe du SiC. La figure 1 (non illustrée ici) illustre la planéité de la surface des plaquettes de SiC découpées selon cette technique. À mesure que la découpe progresse, le gauchissement de la plaquette s'accentue. En effet, la surface de contact entre le fil et le matériau augmente à mesure que le fil descend, ce qui accroît la résistance et les vibrations du fil. Lorsque le fil atteint le diamètre maximal de la plaquette, les vibrations sont à leur maximum, ce qui entraîne un gauchissement maximal.

Lors des dernières étapes de la découpe, l'état de surface de la plaquette se dégrade en raison des accélérations, des mouvements à vitesse constante, des décélérations, des arrêts et des inversions du fil, ainsi que des difficultés d'élimination des débris par le liquide de refroidissement. L'inversion du fil, les fluctuations de vitesse et la présence de grosses particules de diamant sur le fil sont les principales causes de rayures superficielles.

1.4 Technologie de séparation à froid

La séparation à froid des monocristaux de SiC est un procédé innovant dans le domaine du traitement des matériaux semi-conducteurs de troisième génération. Ces dernières années, elle a suscité un vif intérêt en raison de ses avantages notables en matière d'amélioration du rendement et de réduction des pertes de matière. Cette technologie peut être analysée sous trois angles : son principe de fonctionnement, son déroulement et ses principaux avantages.

Détermination de l'orientation cristalline et rectification du diamètre extérieur : Avant le traitement, l'orientation cristalline du lingot de SiC doit être déterminée. Le lingot est ensuite façonné en une structure cylindrique (communément appelée palet de SiC) par rectification du diamètre extérieur. Cette étape pose les bases de la découpe directionnelle et du tranchage ultérieurs.

Découpe multifils : Cette méthode utilise des particules abrasives combinées à des fils de coupe pour découper le lingot cylindrique. Cependant, elle présente des pertes de trait de scie importantes et des problèmes d'irrégularités de surface.

Technologie de découpe laser : un laser est utilisé pour former une couche modifiée au sein du cristal, de laquelle de fines tranches peuvent être détachées. Cette approche réduit les pertes de matière et améliore l'efficacité de l'usinage, ce qui en fait une nouvelle voie prometteuse pour la découpe de plaquettes de SiC.

Optimisation du processus de coupe

Découpe multi-fils abrasifs fixes : il s'agit actuellement de la technologie dominante, bien adaptée aux caractéristiques de dureté élevée du SiC.

Usinage par décharge électrique (EDM) et technologie de séparation à froid : ces méthodes offrent des solutions diversifiées adaptées à des exigences spécifiques.

Procédé de polissage : il est essentiel d'équilibrer le taux d'enlèvement de matière et les dommages superficiels. Le polissage mécano-chimique (CMP) est utilisé pour améliorer l'uniformité de la surface.

Surveillance en temps réel : des technologies d’inspection en ligne sont introduites pour surveiller la rugosité de surface en temps réel.

Découpage laser : cette technique réduit la perte de trait et raccourcit les cycles de traitement, bien que la zone affectée thermiquement reste un défi.

Technologies de traitement hybrides : la combinaison de méthodes mécaniques et chimiques améliore l’efficacité du traitement.

Cette technologie a déjà trouvé une application industrielle. Infineon, par exemple, a acquis SILTECTRA et détient désormais des brevets clés permettant la production en série de plaquettes de 8 pouces. En Chine, des entreprises comme Delong Laser ont atteint un rendement de 30 plaquettes par lingot pour le traitement de plaquettes de 6 pouces, soit une amélioration de 40 % par rapport aux méthodes traditionnelles.

Avec l'accélération de la production d'équipements domestiques, cette technologie devrait devenir la solution dominante pour le traitement des substrats SiC. Avec l'augmentation du diamètre des matériaux semi-conducteurs, les méthodes de découpe traditionnelles sont devenues obsolètes. Parmi les options actuelles, la technologie de scie à fil diamanté alternatif offre les perspectives d'application les plus prometteuses. La découpe laser, technique émergente, offre des avantages significatifs et devrait devenir la principale méthode de découpe à l'avenir.

2、Broyage de monocristal de SiC

Représentant des semi-conducteurs de troisième génération, le carbure de silicium (SiC) offre des avantages significatifs grâce à sa large bande interdite, son champ électrique de claquage élevé, sa vitesse de dérive des électrons à saturation élevée et son excellente conductivité thermique. Ces propriétés rendent le SiC particulièrement avantageux pour les applications haute tension (par exemple, les environnements 1200 V). La technologie de traitement des substrats SiC est un élément fondamental de la fabrication des dispositifs. La qualité de surface et la précision du substrat influencent directement la qualité de la couche épitaxiale et les performances du dispositif final.

L'objectif principal du meulage est d'éliminer les traces de scie et les couches endommagées causées par le tranchage, ainsi que de corriger les déformations induites par la coupe. Compte tenu de la dureté extrêmement élevée du SiC, le meulage nécessite l'utilisation d'abrasifs durs tels que le carbure de bore ou le diamant. Le meulage conventionnel se divise généralement en meulage grossier et en meulage fin.

2.1 Broyage grossier et fin

Le meulage peut être classé en fonction de la taille des particules abrasives :

Meulage grossier : utilise des abrasifs plus gros principalement pour éliminer les marques de scie et les couches endommagées causées lors du tranchage, améliorant ainsi l'efficacité du traitement.

Meulage fin : utilise des abrasifs plus fins pour éliminer la couche endommagée laissée par le meulage grossier, réduire la rugosité de la surface et améliorer la qualité de la surface.

De nombreux fabricants nationaux de substrats SiC utilisent des procédés de production à grande échelle. Une méthode courante consiste à meuler les deux faces à l'aide d'une plaque en fonte et d'une suspension de diamant monocristallin. Ce procédé élimine efficacement la couche endommagée par le sciage au fil, corrige la forme de la plaquette et réduit la variation d'épaisseur totale (TTV), la courbure et le gauchissement. Le taux d'enlèvement de matière est stable, atteignant généralement 0,8 à 1,2 μm/min. Cependant, la surface de la plaquette obtenue est mate et présente une rugosité relativement élevée, généralement autour de 50 nm, ce qui impose des exigences plus élevées aux étapes de polissage ultérieures.

2.2 Meulage unilatéral

Le meulage monoface ne traite qu'une seule face de la plaquette à la fois. Au cours de ce processus, la plaquette est montée à la cire sur une plaque d'acier. Sous l'effet de la pression, le substrat subit une légère déformation et la surface supérieure est aplanie. Après le meulage, la surface inférieure est nivelée. Lorsque la pression est relâchée, la surface supérieure a tendance à reprendre sa forme initiale, ce qui affecte également la surface inférieure déjà meulée, provoquant un gauchissement et une dégradation de la planéité des deux faces.

De plus, la plaque de meulage peut rapidement devenir concave, ce qui entraîne une convexe de la plaquette. Pour maintenir la planéité de la plaquette, un dressage fréquent est nécessaire. En raison de son faible rendement et de la mauvaise planéité de la plaquette, la rectification unilatérale n'est pas adaptée à la production en série.

Généralement, les meules n° 8000 sont utilisées pour la rectification fine. Au Japon, ce procédé est relativement mature et utilise même des meules de polissage n° 30000. Cela permet d'obtenir une rugosité de surface des plaquettes traitées inférieure à 2 nm, les préparant ainsi pour le polissage mécano-chimique (CMP) final sans traitement supplémentaire.

2.3 Technologie d'amincissement unilatéral

La technologie d'amincissement monoface au diamant est une nouvelle méthode de meulage monoface. Comme illustré à la figure 5 (non représentée ici), ce procédé utilise une plaque de meulage à liant diamant. La plaquette est fixée par adsorption sous vide, tandis que la plaquette et la meule diamantée tournent simultanément. La meule descend progressivement pour amincir la plaquette jusqu'à l'épaisseur souhaitée. Une fois une face terminée, la plaquette est retournée pour usiner l'autre face.

Après amincissement, une plaquette de 100 mm peut atteindre :

Arc < 5 μm

TTV < 2 μm

Rugosité de surface < 1 nm

Cette méthode d'usinage monoplaquette offre une grande stabilité, une excellente régularité et un taux d'enlèvement de matière élevé. Comparée à la rectification double face classique, cette technique améliore l'efficacité de rectification de plus de 50 %.

2.4 Meulage double face

Le meulage double face utilise à la fois une plaque de meulage supérieure et une plaque de meulage inférieure pour meuler simultanément les deux côtés du substrat, garantissant une excellente qualité de surface des deux côtés.

Durant le processus, les plateaux de meulage exercent d'abord une pression sur les points les plus hauts de la pièce, provoquant une déformation et un enlèvement progressif de matière à ces endroits. À mesure que les points hauts sont nivelés, la pression sur le substrat devient progressivement plus uniforme, entraînant une déformation uniforme sur toute la surface. Cela permet un meulage uniforme des surfaces supérieure et inférieure. Une fois le meulage terminé et la pression relâchée, chaque partie du substrat retrouve sa forme initiale grâce à la pression uniforme subie. Cela permet un gauchissement minimal et une bonne planéité.

La rugosité de surface de la plaquette après meulage dépend de la granulométrie de l'abrasif : des particules plus fines produisent des surfaces plus lisses. L'utilisation d'abrasifs de 5 µm pour le meulage double face permet de contrôler la planéité et les variations d'épaisseur de la plaquette avec une précision de 5 µm. Les mesures par microscopie à force atomique (AFM) montrent une rugosité de surface (Rq) d'environ 100 nm, avec des piqûres de meulage atteignant 380 nm de profondeur et des marques linéaires visibles dues à l'action abrasive.

Une méthode plus avancée consiste à meuler les deux faces à l'aide de tampons en mousse de polyuréthane combinés à une suspension de diamant polycristallin. Ce procédé produit des plaquettes présentant une très faible rugosité de surface, atteignant un Ra < 3 nm, ce qui est très avantageux pour le polissage ultérieur des substrats SiC.

Cependant, le problème des rayures superficielles reste entier. De plus, le diamant polycristallin utilisé dans ce procédé est produit par synthèse explosive, une technique complexe, peu productive et extrêmement coûteuse.

Polissage des monocristaux de SiC

Pour obtenir une surface polie de haute qualité sur les plaquettes de carbure de silicium (SiC), le polissage doit éliminer complètement les piqûres de meulage et les ondulations de surface nanométriques. L'objectif est d'obtenir une surface lisse, sans défaut, sans contamination ni dégradation, sans dommage sous-cutané et sans contrainte superficielle résiduelle.

3.1 Polissage mécanique et CMP des plaquettes de SiC

Après la croissance d'un lingot monocristallin de SiC, des défauts de surface empêchent son utilisation directe pour la croissance épitaxiale. Un traitement supplémentaire est donc nécessaire. Le lingot est d'abord façonné en une forme cylindrique standard par arrondissement, puis découpé en plaquettes par usinage au fil, puis soumis à une vérification de l'orientation cristallographique. Le polissage est une étape cruciale pour améliorer la qualité des plaquettes, permettant de remédier aux dommages de surface potentiels causés par les défauts de croissance cristalline et les étapes de traitement antérieures.

Il existe quatre méthodes principales pour éliminer les couches de dommages de surface sur le SiC :

Polissage mécanique : Simple mais laisse des rayures ; convient pour un polissage initial.

Polissage chimico-mécanique (CMP) : élimine les rayures par gravure chimique ; convient au polissage de précision.

Gravure à l'hydrogène : Nécessite un équipement complexe, couramment utilisé dans les procédés HTCVD.

Polissage assisté par plasma : Complexe et rarement utilisé.

Le polissage mécanique a tendance à provoquer des rayures, tandis que le polissage chimique peut entraîner une gravure irrégulière. Le CMP combine ces deux avantages et offre une solution efficace et économique.

Principe de fonctionnement du CMP

Le CMP fonctionne en faisant tourner la plaquette sous une pression déterminée contre un tampon de polissage rotatif. Ce mouvement relatif, combiné à l'abrasion mécanique des abrasifs nanométriques contenus dans la suspension et à l'action chimique des agents réactifs, permet la planarisation de la surface.

Principaux matériaux utilisés :

Boue de polissage : Contient des abrasifs et des réactifs chimiques.

Tampon de polissage : s'use à l'usage, réduisant la taille des pores et l'efficacité de la distribution de la boue. Un dressage régulier, généralement à l'aide d'un dresseur diamanté, est nécessaire pour restaurer la rugosité.

Processus CMP typique

Abrasif : boue de diamant de 0,5 μm

Rugosité de la surface cible : ~0,7 nm

Polissage mécano-chimique :

Équipement de polissage : polisseuse simple face AP-810

Pression : 200 g/cm²

Vitesse de la plaque : 50 tr/min

Vitesse du support en céramique : 38 tr/min

Composition de la suspension :

SiO₂ (30 % en poids, pH = 10,15)

0–70 % en poids de H₂O₂ (30 % en poids, qualité réactif)

Ajuster le pH à 8,5 en utilisant 5 % en poids de KOH et 1 % en poids de HNO₃

Débit de boue : 3 L/min, recirculée

Ce procédé améliore efficacement la qualité des plaquettes SiC et répond aux exigences des processus en aval.

Défis techniques du polissage mécanique

Le SiC, en tant que semi-conducteur à large bande interdite, joue un rôle essentiel dans l'industrie électronique. Dotés d'excellentes propriétés physiques et chimiques, les monocristaux de SiC sont adaptés aux environnements extrêmes, tels que les températures élevées, les hautes fréquences, les hautes puissances et la résistance aux radiations. Cependant, sa dureté et sa fragilité posent des défis majeurs pour le meulage et le polissage.

Alors que les principaux fabricants mondiaux passent des plaquettes de 6 pouces aux plaquettes de 8 pouces, des problèmes tels que la fissuration et l'endommagement des plaquettes pendant le traitement sont devenus plus importants, impactant considérablement le rendement. Relever les défis techniques des substrats SiC de 8 pouces est désormais une référence essentielle pour le développement du secteur.

À l’ère du 8 pouces, le traitement des plaquettes SiC est confronté à de nombreux défis :

La mise à l'échelle des plaquettes est nécessaire pour augmenter la production de puces par lot, réduire les pertes de bord et diminuer les coûts de production, en particulier compte tenu de la demande croissante dans les applications de véhicules électriques.

Bien que la croissance des monocristaux de SiC de 8 pouces ait atteint sa maturité, les processus en aval comme le meulage et le polissage sont toujours confrontés à des goulots d'étranglement, ce qui entraîne de faibles rendements (seulement 40 à 50 %).

Les plaquettes plus grandes subissent des distributions de pression plus complexes, ce qui augmente la difficulté de gérer la contrainte de polissage et la cohérence du rendement.

Bien que l'épaisseur des plaquettes de 8 pouces se rapproche de celle des plaquettes de 6 pouces, elles sont plus sujettes aux dommages lors de la manipulation en raison du stress et de la déformation.

Pour réduire les contraintes, le gauchissement et les fissures liés à la découpe, la découpe laser est de plus en plus utilisée. Cependant :

Les lasers à longue longueur d’onde provoquent des dommages thermiques.

Les lasers à courte longueur d’onde génèrent des débris lourds et approfondissent la couche endommagée, augmentant ainsi la complexité du polissage.

Flux de travail de polissage mécanique pour SiC

Le flux général du processus comprend :

Découpe d'orientation

Mouture grossière

broyage fin

Polissage mécanique

Polissage chimico-mécanique (CMP) comme étape finale

Le choix de la méthode CMP, la conception du procédé et l'optimisation des paramètres sont essentiels. Dans la fabrication de semi-conducteurs, la CMP est l'étape déterminante pour produire des plaquettes de SiC aux surfaces ultra-lisses, exemptes de défauts et de dommages, essentielles à une croissance épitaxiale de haute qualité.

(a) Retirez le lingot de SiC du creuset ;

(b) Effectuer la mise en forme initiale en utilisant le meulage du diamètre extérieur ;

(c) Déterminer l’orientation du cristal à l’aide de méplats d’alignement ou d’encoches ;

(d) Couper le lingot en fines tranches à l’aide d’un sciage multifils ;

(e) Obtenez une surface lisse comme un miroir grâce aux étapes de meulage et de polissage.

Après les différentes étapes de traitement, le bord extérieur de la plaquette de SiC devient souvent tranchant, ce qui augmente le risque d'écaillage lors de la manipulation ou de l'utilisation. Pour éviter cette fragilité, un meulage des bords est nécessaire.

Outre les procédés de découpe traditionnels, une méthode innovante de préparation des plaquettes de SiC fait appel à la technologie de collage. Cette approche permet la fabrication de plaquettes en collant une fine couche monocristalline de SiC sur un substrat hétérogène (substrat de support).

La figure 3 illustre le déroulement du processus :

Tout d'abord, une couche de délaminage est formée à une profondeur spécifiée à la surface du monocristal de SiC par implantation d'ions hydrogène ou technique similaire. Le monocristal de SiC traité est ensuite collé sur un substrat plat et soumis à pression et chaleur. Cela permet le transfert et la séparation réussis de la couche de monocristal de SiC sur le substrat.

La couche de SiC séparée subit un traitement de surface pour obtenir la planéité requise et peut être réutilisée lors des processus de collage ultérieurs. Comparée au découpage traditionnel des cristaux de SiC, cette technique réduit la demande de matériaux coûteux. Bien que des défis techniques subsistent, la recherche et le développement progressent activement pour permettre une production de plaquettes à moindre coût.

Étant donné la dureté élevée et la stabilité chimique du SiC, qui le rend résistant aux réactions à température ambiante, un polissage mécanique est nécessaire pour éliminer les piqûres de meulage fines, réduire les dommages de surface, éliminer les rayures, les piqûres et les défauts de peau d'orange, réduire la rugosité de la surface, améliorer la planéité et améliorer la qualité de la surface.

Pour obtenir une surface polie de haute qualité, il est nécessaire de :

Ajuster les types d'abrasifs,

Réduire la taille des particules,

Optimiser les paramètres du processus,

Sélectionnez des matériaux et des tampons de polissage avec une dureté adéquate.

La figure 7 montre que le polissage double face avec des abrasifs de 1 μm peut contrôler la planéité et la variation d'épaisseur dans les 10 μm et réduire la rugosité de surface à environ 0,25 nm.

3.2 Polissage mécano-chimique (CMP)

Le polissage mécano-chimique (CMP) associe l'abrasion par particules ultrafines à la gravure chimique pour former une surface lisse et plane sur le matériau traité. Son principe de base est le suivant :

Une réaction chimique se produit entre la boue de polissage et la surface de la plaquette, formant une couche molle.

La friction entre les particules abrasives et la couche molle enlève la matière.

Avantages du CMP :

Surmonte les inconvénients du polissage purement mécanique ou chimique,

Réalise une planarisation globale et locale,

Produit des surfaces avec une grande planéité et une faible rugosité,

Ne laisse aucun dommage à la surface ou au sous-sol.

En détails:

La plaquette se déplace par rapport au tampon de polissage sous pression.

Les abrasifs à l'échelle nanométrique (par exemple, SiO₂) présents dans la boue participent au cisaillement, affaiblissant les liaisons covalentes Si–C et améliorant l'élimination de la matière.

Types de techniques CMP :

Polissage abrasif libre : les abrasifs (par exemple, SiO₂) sont en suspension dans une boue. L'enlèvement de matière s'effectue par abrasion à trois corps (plaquette, tampon, abrasif). La taille de l'abrasif (généralement de 60 à 200 nm), le pH et la température doivent être contrôlés avec précision pour améliorer l'uniformité.

Polissage abrasif fixe : les abrasifs sont intégrés dans le tampon de polissage pour éviter l'agglomération, idéal pour un traitement de haute précision.

Nettoyage après polissage :

Les plaquettes polies subissent :

Nettoyage chimique (y compris l'élimination de l'eau DI et des résidus de boue),

Rinçage à l'eau DI, et

Séchage à l'azote chaud

pour minimiser les contaminants de surface.

Qualité de surface et performances

La rugosité de surface peut être réduite à Ra < 0,3 nm, répondant ainsi aux exigences d'épitaxie des semi-conducteurs.

Planarisation globale : la combinaison de l'adoucissement chimique et de l'élimination mécanique réduit les rayures et la gravure inégale, surpassant les méthodes purement mécaniques ou chimiques.

Haute efficacité : Convient aux matériaux durs et cassants comme le SiC, avec des taux d'élimination de matière supérieurs à 200 nm/h.

Autres techniques de polissage émergentes

En plus du CMP, des méthodes alternatives ont été proposées, notamment :

Polissage électrochimique, polissage ou gravure assistée par catalyseur, et

Polissage tribochimique.

Cependant, ces méthodes sont encore au stade de la recherche et se sont développées lentement en raison des propriétés matérielles difficiles du SiC.

En fin de compte, le traitement du SiC est un processus progressif de réduction du gauchissement et de la rugosité pour améliorer la qualité de la surface, où la planéité et le contrôle de la rugosité sont essentiels à chaque étape.

Technologie de traitement

Lors de l'étape de rectification des plaquettes, une boue diamantée de différentes granulométries est utilisée pour obtenir la planéité et la rugosité de surface requises. Cette étape est suivie d'un polissage, utilisant des techniques de polissage mécanique et chimico-mécanique (CMP) pour produire des plaquettes de carbure de silicium (SiC) polies et sans dommage.

Après polissage, les plaquettes de SiC sont soumises à un contrôle qualité rigoureux à l'aide d'instruments tels que des microscopes optiques et des diffractomètres à rayons X, afin de garantir la conformité de tous les paramètres techniques aux normes requises. Enfin, les plaquettes polies sont nettoyées à l'aide d'agents nettoyants spécialisés et d'eau ultra-pure pour éliminer les contaminants de surface. Elles sont ensuite séchées à l'azote gazeux ultra-pur et dans des essoreuses, concluant ainsi l'ensemble du processus de production.

Après des années d'efforts, des progrès significatifs ont été réalisés dans le traitement des monocristaux de SiC en Chine. Des monocristaux de SiC 4H semi-isolants dopés de 100 mm ont été développés avec succès en Chine, et des monocristaux de SiC 4H et 6H de type n peuvent désormais être produits en lots. Des entreprises comme TankeBlue et TYST ont déjà développé des monocristaux de SiC de 150 mm.

Concernant la technologie de traitement des plaquettes de SiC, les institutions nationales ont exploré les conditions et les procédés de découpe, de meulage et de polissage des cristaux. Elles sont capables de produire des échantillons répondant globalement aux exigences de fabrication des dispositifs. Cependant, par rapport aux normes internationales, la qualité du traitement de surface des plaquettes nationales reste nettement inférieure. Plusieurs problèmes se posent :

Les théories et technologies de traitement internationales du SiC sont étroitement protégées et difficiles d’accès.

Il existe un manque de recherche théorique et de soutien pour l’amélioration et l’optimisation des processus.

Le coût d’importation d’équipements et de composants étrangers est élevé.

La recherche nationale sur la conception des équipements, la précision du traitement et les matériaux présente encore des écarts importants par rapport aux niveaux internationaux.

Actuellement, la plupart des instruments de haute précision utilisés en Chine sont importés. Les équipements et les méthodologies de test nécessitent également d'être améliorés.

Avec le développement continu des semi-conducteurs de troisième génération, le diamètre des substrats monocristallins de SiC augmente régulièrement, parallèlement à des exigences plus strictes en matière de qualité de traitement de surface. La technologie de traitement des plaquettes est devenue l'une des étapes les plus complexes techniquement après la croissance des monocristallins de SiC.

Pour relever les défis actuels en matière de traitement, il est essentiel d'étudier plus en détail les mécanismes impliqués dans la découpe, le meulage et le polissage, et d'explorer les méthodes et les filières de fabrication de plaquettes de SiC les plus adaptées. Parallèlement, il est nécessaire de s'inspirer des technologies de traitement internationales avancées et d'adopter des techniques et des équipements d'usinage ultra-précis de pointe pour produire des substrats de haute qualité.

L'augmentation de la taille des plaquettes s'accompagne d'une augmentation de la difficulté de croissance et de traitement des cristaux. Cependant, l'efficacité de fabrication des dispositifs en aval s'améliore considérablement et le coût unitaire diminue. Actuellement, les principaux fournisseurs mondiaux de plaquettes de SiC proposent des produits de 4 à 6 pouces de diamètre. Des entreprises leaders comme Cree et II-VI ont déjà commencé à planifier le développement de lignes de production de plaquettes de SiC de 8 pouces.