État actuel et tendances de la technologie de traitement des plaquettes de 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 substrats 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 rectification et de polissage, ainsi que les tendances en matière de planéité et de rugosité de surface des plaquettes. Il met également en lumière les défis actuels liés au traitement des plaquettes de SiC et aborde les perspectives de développement.

Carbure de silicium (SiC)Les plaquettes de silicium sont des matériaux fondamentaux essentiels pour les dispositifs semi-conducteurs de troisième génération et présentent un intérêt considérable et un fort potentiel de marché dans des domaines tels que la microélectronique, l'électronique de puissance et l'éclairage à semi-conducteurs. En raison de leur dureté et de 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 complexe 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 en SiC. Cependant, le développement de la technologie des dispositifs SiC dans le pays est actuellement freiné par des limitations liées aux procédés de fabrication et à la qualité des plaquettes. Il est donc essentiel pour la Chine d'améliorer ses capacités de traitement du SiC afin d'accroître la qualité des substrats monocristallins et de permettre leur application pratique et leur production en série.

Les principales étapes de traitement comprennent : découpe → rectification grossière → rectification fine → polissage grossier (polissage mécanique) → polissage fin (polissage chimico-mécanique, CMP) → inspection.

Découpe de monocristaux de SiC

Dans le traitement demonocristaux de SiCLa découpe est la première étape et une étape cruciale. La courbure, le gauchissement et la variation totale d'épaisseur (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 se classent selon leur forme en scies diamantées à diamètre intérieur (DI), scies à diamètre extérieur (DE), scies à ruban et scies à fil. Ces dernières se subdivisent selon leur mode de fonctionnement en scies à fil alternatif et scies à fil continu. En fonction du mécanisme de coupe de l'abrasif, on distingue deux techniques de sciage à fil : le sciage à fil à abrasif libre et le sciage à fil diamanté à 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. Lors de la coupe, la lame est sujette aux vibrations et aux déviations, ce qui engendre un niveau sonore élevé et une faible rigidité. Les scies à diamètre intérieur (DI) utilisent des abrasifs diamantés sur la circonférence intérieure de la lame comme tranchant. Ces lames peuvent avoir une épaisseur minimale de 0,2 mm. Lors de la coupe, 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 la coupe grâce à ce mouvement relatif.

Les scies à ruban diamantées nécessitent des arrêts et des inversions de sens 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 d'entretien élevés. Du fait de la largeur de la lame, le rayon de coupe ne peut être trop petit et la coupe en plusieurs passes est impossible. Ces outils de sciage traditionnels sont limités par la rigidité de leur bâti et ne permettent pas de réaliser des coupes courbes ni d'effectuer des rayons de braquage restreints. Ils ne sont capables que de réaliser des coupes droites, produisent des largeurs de coupe importantes, ont un faible rendement et sont donc inadaptés à la coupe.cristaux de SiC.

1.2 Scie à fil abrasif libre pour coupe multifils

La technique de découpe par scie à fil abrasif libre exploite le mouvement rapide du fil pour acheminer la suspension abrasive dans la saignée, permettant ainsi l'enlèvement de matière. Elle utilise principalement un système à mouvement alternatif et constitue actuellement une méthode éprouvée et largement répandue pour la découpe efficace de plusieurs plaquettes de silicium monocristallin. Cependant, son application à la découpe du SiC a été moins étudiée.

Les scies à fil abrasif sans soudure permettent de traiter des plaquettes d'une épaisseur inférieure à 300 µm. Elles offrent une faible perte de matière, un écaillage rare et une qualité de surface relativement bonne. Cependant, le mécanisme d'enlèvement de matière, basé sur le roulement et l'indentation des abrasifs, tend à engendrer d'importantes contraintes résiduelles, des microfissures et des couches endommagées plus profondes à la surface de la plaquette. Ceci provoque une déformation de la plaquette, complique le contrôle de la précision du profil de surface et augmente la complexité des étapes de traitement ultérieures.

Les performances de coupe sont fortement influencées par la suspension abrasive ; il est nécessaire de maintenir le tranchant des abrasifs et la concentration de la suspension. Le traitement et le recyclage de la suspension sont coûteux. Lors de la découpe de lingots de grande taille, les abrasifs peinent à pénétrer dans des rainures profondes et longues. À granulométrie abrasive égale, la perte de matière est supérieure à celle des scies à fil abrasif fixe.

1.3 Scie à fil diamanté abrasif fixe pour découpe multifils

Les scies à fil diamanté abrasif fixe sont généralement fabriquées en incorporant des particules de diamant sur un substrat en fil d'acier par électroplacage, frittage ou collage à la résine. Les scies à fil diamanté électroplaqué offrent des avantages tels que des traits de coupe plus étroits, une meilleure qualité de coupe, une efficacité accrue, une contamination réduite et la capacité de couper des matériaux de haute dureté.

La scie à fil diamanté électroplaqué à mouvement alternatif est actuellement la méthode la plus répandue pour la découpe du SiC. La figure 1 (non reproduite ici) illustre la planéité de surface des plaquettes de SiC découpées par cette technique. Au fur et à mesure de la découpe, la déformation de la plaquette augmente. Ceci est dû à l'accroissement de la surface de contact entre le fil et le matériau lors de la descente du fil, ce qui augmente la résistance et les vibrations du fil. Lorsque le fil atteint le diamètre maximal de la plaquette, les vibrations sont à leur maximum, entraînant une déformation maximale.

Lors des dernières étapes de la découpe, la qualité de surface de la plaquette se détériore en raison des phases d'accélération, de déplacement à vitesse stable, de décélération, d'arrêt et d'inversion du fil, ainsi que des difficultés d'élimination des débris par le liquide de refroidissement. Les inversions de sens du fil, les fluctuations de vitesse et la présence de grosses particules de diamant sur le fil sont les principales causes des rayures superficielles.

1.4 Technologie de séparation à froid

La séparation à froid des monocristaux de SiC est un procédé innovant dans le domaine de la fabrication des semi-conducteurs de troisième génération. Ces dernières années, il a suscité un vif intérêt grâce à ses avantages notables en termes d'amélioration du rendement et de réduction des pertes de matière. Cette technologie peut être analysée selon trois axes : son principe de fonctionnement, son déroulement et ses principaux atouts.

Détermination de l'orientation cristalline et rectification du diamètre extérieur : Avant toute transformation, l'orientation cristalline du lingot de SiC doit être déterminée. Le lingot est ensuite mis en forme cylindrique (appelée « pastille de SiC ») par rectification du diamètre extérieur. Cette étape prépare le terrain pour la découpe directionnelle et le tranchage ultérieurs.

Découpe multifilaire : Cette méthode utilise des particules abrasives combinées à des fils de coupe pour découper le lingot cylindrique. Cependant, elle présente des inconvénients majeurs : perte importante de matière et irrégularités de surface.

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

Optimisation du processus de découpe

Découpe multifils abrasifs fixes : Il s’agit actuellement de la technologie dominante, bien adaptée aux caractéristiques de dureté élevée du SiC.

Usinage par électroérosion (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 causés à la surface. Le polissage chimico-mécanique (CMP) est utilisé pour améliorer l’uniformité de la surface.

Surveillance en temps réel : Des technologies d'inspection en ligne sont mises en place pour surveiller la rugosité de surface en temps réel.

Découpe au laser : cette technique réduit les pertes par frottement 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 des applications industrielles. 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 une productivité 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 nationale d'équipements, cette technologie devrait devenir la solution dominante pour le traitement des substrats en SiC. L'augmentation du diamètre des matériaux semi-conducteurs rend les méthodes de découpe traditionnelles obsolètes. Parmi les options actuelles, la technologie de découpe par fil diamanté alternatif présente les perspectives d'application les plus prometteuses. La découpe laser, technique émergente, offre des avantages considérables et devrait devenir la principale méthode de découpe à l'avenir.

2、Broyage de monocristaux de SiC

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

Le but principal du meulage est d'éliminer les marques de scie et les couches superficielles endommagées lors du tranchage, et de corriger les déformations induites par la coupe. Compte tenu de l'extrême dureté du carbure de silicium (SiC), le meulage requiert l'utilisation d'abrasifs durs tels que le carbure de bore ou le diamant. Le meulage conventionnel se divise généralement en meulage grossier et meulage fin.

2.1 Broyage grossier et fin

Le broyage peut être catégorisé 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 surface et améliorer la qualité de surface.

De nombreux fabricants nationaux de substrats SiC utilisent des procédés de production à grande échelle. Une méthode courante consiste en un meulage double face 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 (environ 50 nm), ce qui impose des exigences plus élevées aux étapes de polissage ultérieures.

2.2 Meulage unilatéral

Le meulage unilatéral ne traite qu'une seule face de la plaquette à la fois. Lors de ce procédé, la plaquette est fixée à la cire sur une plaque d'acier. Sous l'effet de la pression, le substrat subit une légère déformation et sa surface supérieure est aplanie. Après meulage, la surface inférieure est nivelée. Lorsque la pression est relâchée, la surface supérieure tend à reprendre sa forme initiale, ce qui affecte également la surface inférieure déjà meulée, entraînant ainsi une déformation et une dégradation de la planéité des deux faces.

De plus, la plaque de meulage peut se creuser rapidement, rendant la plaquette convexe. Un dressage fréquent est donc nécessaire pour maintenir sa planéité. En raison de son faible rendement et de la mauvaise planéité des plaquettes obtenue, le meulage unilatéral n'est pas adapté à la production de masse.

Généralement, on utilise des meules de grain 8000 pour le meulage fin. Au Japon, ce procédé est relativement bien maîtrisé et emploie même des meules de polissage de grain 30000. Cela permet d'atteindre une rugosité de surface inférieure à 2 nm pour les plaquettes traitées, les rendant ainsi prêtes pour le polissage chimico-mécanique final (CMP) sans traitement supplémentaire.

2.3 Technologie d'amincissement unilatéral

La technologie d'amincissement unilatéral par diamant est une méthode innovante de rectification unilatérale. Comme illustré sur la figure 5 (non reproduite ici), le procédé utilise une meule diamantée. 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 traitée, la plaquette est retournée pour traiter l'autre face.

Après amincissement, une plaquette de 100 mm peut atteindre :

Courbure < 5 μm

TTV < 2 μm

Rugosité de surface < 1 nm

Ce procédé de traitement monocouche offre une grande stabilité, une excellente homogénéité et un taux d'enlèvement de matière élevé. Comparée au meulage double face conventionnel, cette technique améliore l'efficacité du meulage de plus de 50 %.

2.4 Meulage double face

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

Lors du processus, les disques de meulage appliquent d'abord une pression sur les points les plus saillants de la pièce, provoquant une déformation et un enlèvement progressif de matière à ces endroits. À mesure que les aspérités sont aplanies, la pression exercée sur le substrat devient progressivement plus uniforme, ce qui entraîne une déformation homogène sur toute la surface. Ceci permet un meulage uniforme des deux faces. Une fois le meulage terminé et la pression relâchée, chaque partie du substrat reprend sa forme initiale de manière uniforme grâce à la pression égale qu'elle a subie. Il en résulte un gauchissement minimal et une excellente planéité.

La rugosité de surface de la plaquette après rectification dépend de la taille des particules abrasives : les particules les plus fines produisent des surfaces plus lisses. Lors de la rectification double face avec des abrasifs de 5 µm, la planéité et l’épaisseur de la plaquette peuvent être contrôlées à 5 µm près. Les mesures par microscopie à force atomique (AFM) révèlent une rugosité de surface (Rq) d’environ 100 nm, avec des piqûres de rectification atteignant 380 nm de profondeur et des marques linéaires visibles dues à l’action abrasive.

Une méthode plus avancée consiste en un polissage double face à l'aide de tampons en mousse de polyuréthane et d'une suspension de diamant polycristallin. Ce procédé permet d'obtenir des plaquettes présentant une rugosité de surface très faible, inférieure à 3 nm (Ra < 3 nm), ce qui est particulièrement avantageux pour le polissage ultérieur des substrats en SiC.

Cependant, les rayures superficielles demeurent un problème non résolu. De plus, le diamant polycristallin utilisé dans ce procédé est produit par synthèse explosive, une méthode techniquement complexe, peu productive et extrêmement coûteuse.

Polissage de 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 rectification et les ondulations de surface à l'échelle nanométrique. L'objectif est de produire une surface lisse et exempte de défauts, sans contamination ni dégradation, sans dommage sous-jacent et sans contrainte résiduelle.

3.1 Polissage mécanique et CMP des plaquettes de SiC

Après la croissance d'un lingot monocristallin de SiC, les défauts de surface empêchent son utilisation directe pour la croissance épitaxiale. Un traitement supplémentaire est donc nécessaire. Le lingot est d'abord mis en forme cylindrique standard par arrondissement, puis découpé en plaquettes par électroérosion à fil, avant que l'orientation cristallographique ne soit vérifiée. Le polissage est une étape cruciale pour améliorer la qualité des plaquettes, en corrigeant les éventuels dommages de surface causés par les défauts de croissance cristalline et les étapes de traitement précédentes.

Il existe quatre principales méthodes pour éliminer les couches endommagées en surface du 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 : procédé complexe et rarement utilisé.

Le polissage mécanique seul a tendance à provoquer des rayures, tandis que le polissage chimique seul peut entraîner un décapage irrégulier. Le polissage chimico-mécanique (CMP) combine ces deux avantages et offre une solution efficace et économique.

Principe de fonctionnement du CMP

Le procédé CMP consiste à faire tourner la plaquette sous une pression donnée contre un tampon de polissage rotatif. Ce mouvement relatif, combiné à l'abrasion mécanique par des abrasifs nanométriques présents dans la suspension et à l'action chimique d'agents réactifs, permet d'obtenir une planarisation de la surface.

Principaux matériaux utilisés :

Pâte à polir : Contient des abrasifs et des réactifs chimiques.

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

Procédé CMP typique

Abrasif : suspension de diamant de 0,5 μm

Rugosité de surface cible : ~0,7 nm

Polissage chimico-mécanique :

Équipement de polissage : polisseuse simple face AP-810

Pression : 200 g/cm²

Vitesse du plateau : 50 tr/min

Vitesse du porte-pièce en céramique : 38 tr/min

Composition de la suspension :

SiO₂ (30 % en poids, pH = 10,15)

0–70 % en poids 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 la suspension : 3 L/min, recirculée

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

Défis techniques du polissage mécanique

Le carbure de silicium (SiC), semi-conducteur à large bande interdite, joue un rôle essentiel dans l'industrie électronique. Grâce à ses excellentes propriétés physico-chimiques, les monocristaux de SiC sont adaptés aux environnements extrêmes, tels que les hautes températures, les hautes fréquences, les fortes puissances et la résistance aux radiations. Cependant, leur dureté et leur fragilité constituent des défis majeurs pour le meulage et le polissage.

Alors que les principaux fabricants mondiaux passent des plaquettes de 6 pouces à celles de 8 pouces, les problèmes tels que la fissuration et l'endommagement des plaquettes pendant le traitement sont devenus plus fréquents, impactant fortement le rendement. La résolution des défis techniques liés aux substrats SiC de 8 pouces est désormais un enjeu crucial pour le développement de l'industrie.

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

La réduction de la taille des plaquettes est nécessaire pour augmenter le nombre de puces produites par lot, réduire les pertes sur les bords et abaisser les coûts de production, notamment compte tenu de la demande croissante dans le domaine des applications pour véhicules électriques.

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

Les plaquettes de plus grande taille subissent des distributions de pression plus complexes, ce qui augmente la difficulté de gérer les contraintes de polissage et la constance du rendement.

Bien que l'épaisseur des plaquettes de 8 pouces se rapproche de celle des plaquettes de 6 pouces, elles sont plus susceptibles d'être endommagées lors de la manipulation en raison des contraintes et des déformations.

Pour réduire les contraintes, les déformations et les fissures liées à la découpe, la découpe laser est de plus en plus utilisée. Cependant :

Les lasers à grande longueur d'onde provoquent des dommages thermiques.

Les lasers à courte longueur d'onde génèrent d'importants débris et approfondissent la couche endommagée, ce qui augmente la complexité du polissage.

Flux de travail de polissage mécanique pour SiC

Le déroulement général du processus comprend :

Découpe d'orientation

Broyage grossier

Broyage fin

polissage mécanique

Le polissage chimico-mécanique (CMP) comme étape finale

Le choix de la méthode de polissage chimico-mécanique (CMP), la conception du procédé et l'optimisation des paramètres sont cruciaux. Dans la fabrication de semi-conducteurs, le CMP est l'étape déterminante pour la production de plaquettes de SiC aux surfaces ultra-lisses, exemptes de défauts et de dommages, indispensables 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 plans ou d’encoches d’alignement ;

(d) Découper le lingot en fines tranches à l'aide d'un sciage multifil ;

(e) Obtenir une surface lisse comme un miroir grâce à des étapes de meulage et de polissage.

Après les différentes étapes de fabrication, le bord extérieur de la plaquette de SiC devient souvent tranchant, ce qui augmente le risque d'écaillage lors de sa manipulation ou de son 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 repose sur une 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 flux du processus :

Tout d'abord, une couche de délamination est formée à une profondeur précise à la surface du monocristal de SiC par implantation d'ions hydrogène ou par des techniques similaires. Le monocristal de SiC ainsi traité est ensuite collé sur un substrat plat et soumis à une pression et à un traitement thermique. Ceci permet le transfert et le décollement réussis de la couche monocristalline 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 d'étapes de collage ultérieures. Comparée au découpage traditionnel des cristaux de SiC, cette technique réduit la consommation de matériaux coûteux. Malgré les défis techniques persistants, la recherche et le développement progressent activement afin de permettre une production de plaquettes à moindre coût.

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

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

Ajuster le type d'abrasif,

Réduire la taille des particules,

Optimiser les paramètres du processus,

Choisissez des matériaux et des tampons de polissage d'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 une limite de 10 μm et réduire la rugosité de surface à environ 0,25 nm.

3.2 Polissage chimico-mécanique (CMP)

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

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

Le frottement entre les particules abrasives et la couche tendre enlève la matière.

Avantages du CMP :

Surmonte les inconvénients du polissage purement mécanique ou chimique,

Permet une planarisation à la fois globale et locale,

Produit des surfaces d'une planéité élevée et d'une faible rugosité,

Ne laisse aucun dommage en surface ou en subsurface.

En détails:

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

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

Types de techniques CMP :

Polissage abrasif libre : les abrasifs (par exemple, SiO₂) sont en suspension dans une pâte. L’enlèvement de matière se fait par abrasion à trois corps (plaquette-tampon-abrasif). La granulométrie de l’abrasif (généralement de 60 à 200 nm), le pH et la température doivent être contrôlés avec précision pour garantir l’uniformité du polissage.

Polissage abrasif fixe : les abrasifs sont intégrés au 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 déminéralisée et des résidus de boues),

Rinçage à l'eau déminéralisée et

séchage à l'azote chaud

afin de minimiser les contaminants de surface.

Qualité et performance de la surface

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

Planarisation globale : La combinaison du ramollissement chimique et de l’enlèvement mécanique réduit les rayures et la gravure irrégulière, surpassant les méthodes purement mécaniques ou chimiques.

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

Autres techniques de polissage émergentes

Outre le CMP, d'autres méthodes 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 leur développement a été lent en raison des propriétés matérielles difficiles du SiC.

En définitive, le traitement du SiC est un processus graduel de réduction des déformations et de la rugosité afin d'améliorer la qualité de surface, où le contrôle de la planéité et de la rugosité est essentiel à chaque étape.

Technologie de traitement

Lors de l'étape de rectification des plaquettes, une suspension diamantée de différentes granulométries est utilisée pour obtenir la planéité et la rugosité de surface requises. S'ensuit le polissage, réalisé par des techniques mécaniques et chimico-mécaniques (CMP), afin de produire des plaquettes de carbure de silicium (SiC) polies et exemptes de défauts.

Après polissage, les plaquettes de SiC font l'objet d'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 avec des agents nettoyants spécifiques et de l'eau ultrapure pour éliminer les contaminants de surface. Elles sont ensuite séchées à l'azote ultrapur et par centrifugation, achevant ainsi le processus de production.

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

En matière de technologie de traitement des plaquettes de SiC, les institutions nationales ont exploré de manière préliminaire 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, comparée aux normes internationales, la qualité du traitement de surface des plaquettes nationales reste nettement inférieure. Plusieurs problèmes sont à noter :

Les théories et technologies de traitement internationales du SiC sont étroitement protégées et difficilement accessibles.

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

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

Les recherches nationales sur la conception des équipements, la précision des procédés et les matériaux présentent 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 méthodes de test nécessitent également des améliorations.

Avec le développement continu des semi-conducteurs de troisième génération, le diamètre des substrats monocristallins de SiC augmente régulièrement, de même que les exigences en matière de qualité de traitement de surface. La technologie de fabrication des plaquettes est devenue l'une des étapes les plus complexes sur le plan technique après la croissance des monocristaux de SiC.

Pour surmonter les difficultés actuelles de traitement, il est essentiel d'approfondir l'étude des mécanismes de découpe, de rectification et de polissage, et d'explorer des méthodes et des procédés adaptés à la fabrication de plaquettes de SiC. Parallèlement, il est nécessaire de s'inspirer des technologies de traitement internationales les plus avancées et d'adopter des techniques et des équipements d'usinage ultra-précis de pointe afin de produire des substrats de haute qualité.

Avec l'augmentation de la taille des plaquettes, la complexité de la croissance cristalline et du traitement s'accroît. 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 de premier plan comme Cree et II-VI ont déjà entamé la planification du développement de lignes de production de plaquettes de SiC de 8 pouces.