Siliciumcarbid har en Mohs hårdhed på 9,2-9,5, kun næst efter diamant. Den er meget skør og har lav brudsejhed, samtidig med at den tilbyder fremragende højtemperaturbestandighed, korrosionsbestandighed og strålingsbestandighed. Det er imidlertid vanskeligt og dyrt at behandle, og det kræver flere trin, såsom skæring, afløftning, ætsning og polering. Behandlingskvalitet påvirker direkte ledningstabet, modstå spændingsniveau og levetid for strømenheder. I øjeblikket er trådskæring meget udbredt på grund af dens lave omkostninger, enkle udstyrsstruktur og egnethed til masseproduktion, og diamantskærende værktøjer er også relativt nemme at få. Trådskæring forårsager imidlertid betydeligt materialetab og har ekstremt lav forarbejdningseffektivitet.
Materialetab forårsaget af ledningsskæring
Under trådskæring frembringer højhastighedsbevægelsen af skæretråden ikke kun skæretab med en skærebredde svarende til tråddiameteren; fordi waferoverfladen, der er fremstillet ved trådskæring, er meget ru, kræves efterfølgende slibning og polering og andre efterbehandlingsprocesser. I sidste ende kan kumulativt materialetab nå op på 30%-50% af det samlede råmateriale. Multi-wire saveprocessen kræver også løsninger til at afkøle snittet og rense snavs, hvilket genererer store mængder siliciumholdig affaldsvæske. Mikro/nano-skala-partiklerne i den er svære at flokkulere og svære at genbruge, hvilket forårsager betydelig miljøpåvirkning.
Laserløft: Udførelse af en "usynlig kirurgi" inde i krystallen
Laser-lift-off er en vigtig proces for SiC-skæring og hører til intern modifikations- og lagopdelingsbehandlingsteknologi. Dens kerneprincip er laser intern fokusering modifikation plus ekstern kraft opdeling adskillelse.
Skematisk diagram af SiC krystal laser lift-off teknologi
Den første fase er intern modifikation. Ved at bruge ultrahøje penetrations- og fokusegenskaber fra ultrakorte pulslasere styres laserfokus præcist af en optisk vej og fokuseres i en forudindstillet dybde inde i siliciumcarbidwaferen. Efter højenergilaserfokusering inde i waferen, gennemgår lokalt siliciumcarbidmateriale gitterforvrængning, fasetransformation og mikrorevneudbredelse, hvilket danner et kontinuerligt, ensartet modificeret lag. Den mekaniske styrke af det modificerede lag er meget lavere end substratmaterialets, og der er ingen forarbejdningsmærker på overfladen, hvilket realiserer usynlig modifikation. Den anden fase er opdeling af adskillelse. Gennem mekanisk mikrospænding, gasblæsning eller ekstern trækkraft adskilles waferen præcist langs det indre modificerede lag, hvilket fuldender tabsfri skæring og adskillelse af hele waferen.
I modsætning til traditionel trådskæring kan berøringsfri laser-lift-off-teknologi effektivt undgå problemer såsom slid på skæreværktøjer og SiC-waferfejl forårsaget af mekanisk belastning, og derved opnå høj kvalitet og høj præcision lift-off. Laser-lift-off-teknologi forbedrer forarbejdningseffektiviteten og kvaliteten af siliciumcarbidskiver betydeligt og reducerer fremstillingsomkostningerne for siliciumcarbidsubstrater. Det har fremtrædende fordele ved høj produktionseffektivitet og lavt materialetab. Laserlift-off har en meget lille modificeret lagtykkelse, som kan forbedre materialeudnyttelsen væsentligt under klargøring af siliciumcarbidwafer. Opnåelse af højkvalitets og højeffektiv lift-off på siliciumcarbidwafers forventes at bryde igennem tekniske flaskehalse og høje omkostningsbegrænsninger og fremme markedsapplikationer, hvor siliciumcarbidenheder erstatter siliciumsubstrater. De miljømæssige virkninger af laser-lift-off-teknologi er også betydelige. I traditionelle skæreprocesser er problemerne med skærevæske og støvforurening relativt alvorlige, mens laser-lift-off, som en berøringsfri proces, kan reducere industriaffaldsemissioner. Kombineret med den effektive ydeevne af siliciumcarbidenheder i energikonvertering hjælper denne teknologi globale kulstofneutralitetsmål fra både fremstillings- og anvendelsesområdet.
Global Race: Nuværende status for udvikling af laserløft-off-teknologi
Siliciumcarbidskiver udvikler sig mod større størrelser, og laser-lift-off skæreteknologi er blevet bredt fremmet. Laserbølgelængde, pulsenergi, fokuseringsdybde og scanningsafstand er kerneparametrene, der bestemmer kontinuiteten og ensartetheden af det modificerede lag. 532 nm og 1064 nm ultrahurtige lasere har fremragende penetration i siliciumcarbid, og den fokuserede plet er mindre. Den modificerede lagtykkelse kan kontrolleres præcist ved 10-30 μm, og modificerede revner forplanter sig på en rettet måde uden at diffundere ind i enhedens funktionsområde. Gennem dynamisk polarisationskontrol og stråleformningsteknologi kan morfologien af det modificerede lag optimeres, skærefladeheden kan forbedres, og wafer-spaltningsforvridning kan effektivt undertrykkes. Indenlandsk forskning fokuserer på batchbehandlingskonsistens for store wafere, lavspændingsskæring af ultratynde wafere (50-100 μm) og optimering af snæver afstands-udstansningsteknologi. Fuldautomatisk laser-lift-off skæring af 8-tommer siliciumcarbid wafers er blevet opnået. Under optimerede procesforhold kan skæregadebredden reduceres til inden for 20 μm, matriceudbyttet overstiger 98%, og single-wafer-behandlingseffektiviteten øges med mere end 30% sammenlignet med traditionelle processer, hvilket løser problemet, at traditionel enkelt modifikation ikke kan tilpasse sig tyk wafer-behandling. Kilde: Shuoke Crystal.
Inden for krystalløftningsteknologi viste amerikanske forskere allerede i 1985, at tynde lag kunne løftes af Si- og GaAs-wafere under påvirkning af resterende trækspænding i et spændingslag. Imidlertid var tidlige krystalløftnings-eksperimentelle processer svære at kontrollere, fordi når spændingen nåede tærsklen bestemt af waferfraktursejheden, ville revner spontant generere og forplante sig tilfældigt, hvilket forårsagede ujævn løftningslagtykkelse eller endda fragmentering.
IBM udviklede en kontrolleret lift-off-teknologi. Denne metode designer et ekstra træklag til at påføre ydre kraft for at udløse brud og retningsbestemt revneudbredelse og etablerer også en teoretisk model for sammenhængen mellem kritisk spænding og spaltningslagtykkelse, hvilket giver vejledning til procesoptimering. Derudover kan wafer-niveau Si, GaN enkeltkrystaller, samt III-V solceller, integrerede kredsløb, LED'er og andre halvlederenheder, alle bruge denne teknologi til at opnå kontrolleret lift-off.
Med hensyn til industrialiseringsteknologi kan Tysklands Siltectra koldsplitsteknologi og Japans Disco-lasermodifikationsproces kontrollere SiC-skæringsmaterialetab til inden for 60 μm og har opnået 8-tommers wafer-masseproduktion; Europæiske og amerikanske producenter monopoliserer UV excimer lyskilder og har længe domineret markedet for interface lift-off udstyr til mikro-LED epitaksiale wafere.
I de senere år har den indenlandske fremgang været betydelig. Forskerhold fra Huazhong University of Science and Technology og CETC har overvundet SiC intern modifikation og crack directional control-teknologi. Virksomheder som Han's Laser og HGTECH har opnået lokalisering af UV-laserløfteudstyr, og husholdningsudstyr er gået i verifikation i LED- og strømforsyningsproduktionslinjer. På nuværende tidspunkt er indenlandske 6-tommer SiC-lift-off-procesindikatorer tæt på internationale niveauer, men energiensartetheden af 8-tommer store fulde wafere er relativt dårlig, og revneafvigelsesproblemet for N-type siliciumcarbid er ikke blevet fuldstændig løst. UV-lasere med høj effekt og optiske moduler med høj præcision er stadig afhængige af import.