Siliciumcarbid (SiC)-substrater kan bruges til at forberede strømenheder, RF-enheder og detektionsenheder, der modstår høje temperaturer, høje spændinger og stråling. Disse vil finde omfattende anvendelser inden for forbrugerelektronik, nye energikøretøjer, jernbanetransport og andre områder, der tilbyder brede anvendelsesmuligheder og betydelig strategisk betydning. Fremstillingsprocessen for enkelt-SiC-wafere involverer hovedsageligt barretræk, barreudskæring og andre procestrin med det formål at opnå SiC-wafers af høj-kvalitet af en vis tykkelse.
SiC's ekstremt høje hårdhed, skørhed og gode kemiske stabilitet gør det dog vanskeligt at bearbejde. Derfor er SiC skæreteknologi blevet et aktuelt forskningshotspot. På nuværende tidspunkt omfatter de vigtigste skæremetoder for enkelt-SiC-wafere diamantcirkulær savklingeskæring, wire Electrical Discharge Machine (WEDM), trådsavskæring, lasertermisk stress-kontrolleret brudskæring (lasertermisk cracking) og laser-stealth-skæring.
Klinge i terninger (savskæring)
Knivskæring bruger en-højpræcisionsskæresav til at skære vafler. Prøven fastgøres til en blå film, og et roterende diamantværktøj med høj-hastighed sliber mod SiC-prøven. Mekanisk belastning inducerer skørt brud i materialet, hvilket opnår adskillelse. Under skæring roterer værktøjet ved meget høje hastigheder (typisk 30.000-50.000 rpm) med et aksialt fødetryk påført. Værktøjet er typisk sammensat af diamantkorn og en bindingsmatrix med en overflade dækket af diamantpartikler i mikronstørrelse. Disse partikler genererer ekstremt høj lokal belastning ved kontakt med SiC-overfladen, hvilket forårsager mikrorevner inde i materialet. Efterhånden som værktøjet fortsætter med at udvikle sig, forplanter disse mikrorevner sig langs specifikke krystalplaner og forbinder hinanden og danner til sidst makroskopiske brud, der fuldender snittet. Skærekvaliteten påvirkes af mange faktorer: Værktøjets rotationshastighed, tilspændingshastighed og kølemiddelforbrug påvirker alle skæreresultatet væsentligt.
Vandstråleskæring
Vandstråleskæring er en forarbejdningsmetode baseret på en højtryksvandstråle. Vand sættes under tryk til ultrahøje niveauer og føres gennem en lille åbningsdyse for at danne en højhastighedsstråle, som derefter skærer materialet. Denne teknik kan opdeles i ren vandstråleskæring og slibende vandstråleskæring. Slibende vandstråleskæring blander slibende partikler (f.eks. granat eller aluminiumoxid) ind i vandstrålen, hvilket i høj grad forbedrer dens evne til at bearbejde hårde materialer.
Vandstråleskæring byder på bemærkelsesværdige fordele: dens kuldebearbejdning undgår varmepåvirkede zoner, hvilket gør den velegnet til varmefølsomme materialer; det giver høj fleksibilitet til at skære komplekse geometrier; og den er forureningsfri med lav støj. Vandstråleskæring har dog også begrænsninger: Relativ langsom skærehastighed, høj initial investering i udstyr, begrænset effektivitet ved bearbejdning af ultrahårde materialer som SiC og en tendens til at forårsage sprøde revner.
Vandstrålestyret laserskæring
Princippet for vandstrålestyret laserskæring er at bruge en vandstråle som transmissionsmedium for laserstrålen. Vandstrålen er rettet vinkelret på materialets overflade. Når laserstrålen transmitteres inde i vandstrålen, opstår total intern refleksion ved luft-jet-grænsefladen. Efter flere refleksioner ændres laserens energifordeling fra Gaussisk til en flad topprofil, før den virker på emnets overflade.
Vandstrålestyret laserskæring reducerer effektivt laserens termiske effekter. Denne teknik kræver dog indførelsen af en mikrovandstråle, hvilket øger udstyrets kompleksitet og omkostninger. Desuden er stabil kobling mellem laseren og mikrovandstrålen vanskelig at opnå, hvilket fører til korte stabile driftstider, høje vedligeholdelsesomkostninger og udfordrende drift, hvilket begrænser dens praktiske funktion. På grund af dens lave praktiske og lave forarbejdningseffektivitet er det usandsynligt, at denne metode vil blive udbredt i skive-terninger.
Laser ablationsskæring
Arbejdsprincippet for laserablationsskæring er at fokusere en laserstråle på materialets overflade. Materialet absorberer laserenergien, hvilket forårsager tvungne vibrationer af atomer i krystalgitteret, accelererer termisk bevægelse og genererer varme. Når inputenergien overstiger materialets ablationstærskel, smeltes og fordampes materialet, hvorved det fjernes. I øjeblikket kan den maksimale scanningshastighed for laserablationsskæring nå op på 1000 mm/s, hvilket giver høj behandlingshastighed. Denne metode er dog stadig afhængig af materialefjernelse, hvilket kræver fuldstændig fordampning af materialet i det laserscannede område. Den overdrevne varmetilførsel fører ofte til store varmepåvirkede zoner, termiske revner og andre termiske skader, hvilket reducerer skærekvaliteten.
Laser Stealth terninger
Laser stealth dicing er baseret på at fokusere en semi-transparent laserstråle med en specifik bølgelængde gennem et optisk fokuseringssystem til en præcis placering inde i waferen, der danner et modificeret lag. Teknologien involverer to nøgletrin: dannelse af det modificerede lag og spånadskillelse. Under laserskæringsfasen vælges laserbølgelængden i henhold til de fysiske egenskaber af det materiale, der behandles. Ved at optimere procesparametre skabes et modificeret lag inde i waferen. Dannelsen af det modificerede lag er ledsaget af mikrorevner, der strækker sig mod forsiden og bagsiden af waferen. For wafere af en vis tykkelse er laserfokus justeret til at scanne i flere dybder, hvilket tillader de modificerede lag at forbinde og danne et komplet netværk. Efter at det laserformede modificerede lag er skabt, skal waferen adskilles ved hjælp af mekanisk kraft. Typisk påføres rullepresning eller strækning for at udbrede mikrorevnerne fra det modificerede lag gennem hele wafertykkelsen, hvilket opnår fuldstændig spånadskillelse. Under det mekaniske adskillelsestrin er ensartetheden af det modificerede lag og revnekontrol afgørende for at undgå skår i materialet.