לסיליקון קרביד יש קשיות Mohs של 9.2-9.5, שני רק ליהלום. הוא שביר מאוד ובעל קשיחות שבר נמוכה, תוך שהוא מציע עמידות מצוינת בטמפרטורה גבוהה, עמידות בפני קורוזיה ועמידות בפני קרינה. עם זאת, זה קשה ויקר לעיבוד, דורש שלבים מרובים כגון חיתוך, הרמה, תחריט וליטוש. איכות העיבוד משפיעה ישירות על אובדן ההולכה, רמת המתח ועל חיי השירות של מכשירי חשמל. כיום, חיתוך תיל נמצא בשימוש נרחב בגלל העלות הנמוכה שלו, מבנה הציוד הפשוט והתאמתו לייצור המוני, וכלי חיתוך יהלומים קלים יחסית להשגה. עם זאת, חיתוך חוט גורם לאובדן חומר משמעותי ויש לו יעילות עיבוד נמוכה ביותר.
אובדן חומרי הנגרם מחיתוך חוט
במהלך חיתוך חוט, התנועה המהירה של חוט החיתוך לא רק מייצרת אובדן גרעינים ברוחב קוטר השווה לקוטר החוט; מכיוון שמשטח הוופל שהוכן על ידי חיתוך תיל הוא מחוספס מאוד, נדרשים גם תהליכי השחזה והליטוש הבאים ותהליכי גימור אחרים. בסופו של דבר, אובדן חומר מצטבר יכול להגיע ל-30%-50% מסך חומר הגלם. תהליך הניסור הרב-חוטי מצריך גם פתרונות לקירור החתך ולניקוי פסולת, תוך יצירת כמויות גדולות של נוזל פסולת המכיל סיליקון. החלקיקים בקנה מידה מיקרו/ננו שבו קשים לקיבוץ וקשים למיחזור, מה שגורם להשפעה סביבתית משמעותית.
הרמת לייזר: ביצוע "ניתוח בלתי נראה" בתוך הקריסטל
הרמת לייזר היא תהליך חשוב עבור חיתוך SiC ושייך לטכנולוגיית עיבוד פנימית ופיצול שכבות. עקרון הליבה שלו הוא שינוי מיקוד פנימי בלייזר בתוספת הפרדת פיצול כוח חיצוני.
תרשים סכמטי של טכנולוגיית הרמת לייזר קריסטל SiC
השלב הראשון הוא שינוי פנימי. באמצעות מאפייני החדירה והמיקוד האולטרה-גבוהים של לייזרים קצרים-פולסים, מיקוד הלייזר נשלט במדויק על ידי נתיב אופטי וממוקד בעומק מוגדר מראש בתוך פרוסת הסיליקון קרביד. לאחר מיקוד לייזר באנרגיה גבוהה בתוך הרקיק, חומר סיליקון קרביד מקומי עובר עיוות סריג, טרנספורמציה של פאזה והתפשטות מיקרו-סדקים, ויוצרים שכבה שונה רציפה ואחידה. החוזק המכני של השכבה המשתנה נמוך בהרבה מזה של חומר המצע, ואין סימני עיבוד על פני השטח, מה שמממש שינוי בלתי נראה. השלב השני הוא פיצול הפרדה. באמצעות מיקרו-מתח מכני, ניפוח גז או כוח חיצוני מתיחה, הפריסה מופרדת במדויק לאורך השכבה הפנימית המשתנה, ומשלימה חיתוך ללא הפסדים והפרדה של כל הפרוסה.
בניגוד לחיתוך חוטים מסורתיים, טכנולוגיית הרמת לייזר ללא מגע יכולה למנוע ביעילות בעיות כמו בלאי כלי חיתוך וכשל של פרוסות SiC שנגרמו כתוצאה מלחץ מכני, ובכך להשיג הרמה באיכות גבוהה ובדיוק גבוה. טכנולוגיית הרמת לייזר משפרת באופן משמעותי את יעילות העיבוד ואיכות של פרוסות סיליקון קרביד ומפחיתה את עלות הייצור של מצעי סיליקון קרביד. יש לו יתרונות בולטים של יעילות ייצור גבוהה ואובדן חומר נמוך. להרמת לייזר יש עובי שכבה שונה מאוד, שיכול לשפר משמעותית את ניצול החומרים במהלך הכנת פרוסות סיליקון קרביד. השגת הרמה איכותית ויעילות גבוהה על פרוסות סיליקון קרביד צפויה לפרוץ דרך צווארי בקבוק טכניים ומגבלות עלויות גבוהות, ולקדם יישומי שוק שבהם התקני סיליקון קרביד מחליפים מצעי סיליקון. ההשפעות הסביבתיות של טכנולוגיית הרמת לייזר הן גם משמעותיות. בתהליכי חיתוך מסורתיים, הבעיות של חיתוך זיהום נוזלים ואבק הן חמורות יחסית, בעוד הרמה בלייזר, כתהליך ללא מגע, יכולה להפחית את פליטת הפסולת התעשייתית. בשילוב עם הביצועים היעילים של התקני סיליקון קרביד בהמרת אנרגיה, טכנולוגיה זו מסייעת ביעדי ניטרליות פחמן גלובליים מקצה הייצור והיישומים.
מירוץ עולמי: מצב נוכחי של פיתוח טכנולוגיית הרמת לייזר
פרוסות סיליקון קרביד מתפתחות לקראת גדלים גדולים יותר, וטכנולוגיית חיתוך הרמת לייזר זכתה לקידום נרחב. אורך גל הלייזר, אנרגיית הפולס, עומק המיקוד ומרווח הסריקה הם פרמטרי הליבה שקובעים את המשכיות והאחידות של השכבה המשתנה . 532 ננומטר ו-1064 ננומטר מהירים במיוחד בעלי חדירה מצוינת לסיליקון קרביד, והנקודה הממוקדת קטנה יותר. ניתן לשלוט בעובי השכבה המשתנה במדויק ב-10-30 מיקרומטר, וסדקים מתוקנים מתפשטים בצורה מכוונת מבלי להתפזר לאזור התפקוד של המכשיר. באמצעות בקרת קיטוב דינמית וטכנולוגיית עיצוב קרן, ניתן לייעל את המורפולוגיה של השכבה ששונתה, לשפר את שטוחות החיתוך, וניתן לדכא ביעילות את עיוות פיצול פרוסות. מחקר מקומי מתמקד בעקביות עיבוד אצווה עבור פרוסות בגודל גדול, חיתוך במתח נמוך של פרוסות דקות במיוחד (50-100 מיקרומטר), ואופטימיזציה של טכנולוגיית חיתוך המות המרווחים המרווחים. הושג חיתוך לייזר אוטומטי לחלוטין של פרוסות סיליקון קרביד בגודל 8 אינץ'. בתנאי תהליך אופטימליים, ניתן להקטין את רוחב רחוב החיתוך לטווח של 20 מיקרומטר, תפוקת התבנית עולה על 98%, ויעילות עיבוד של רקיק בודד גדלה ביותר מ-30% בהשוואה לתהליכים מסורתיים, ופותר את הבעיה ששינוי יחיד מסורתי אינו יכול להסתגל לעיבוד רקיק עבה. מקור: Shuoke Crystal.
בטכנולוגיית הרמת גבישים, כבר בשנת 1985, מדענים אמריקאים הוכיחו שניתן להסיר שכבות דקות מ-Si ו- GaAs תחת פעולת מתח מתיחה שיורי בשכבת מתח. עם זאת, תהליכי הרמת גבישים מוקדמים היו קשים לשליטה מכיוון שכאשר הלחץ הגיע לסף שנקבע על ידי קשיחות שבר הפרוסות, סדקים נוצרו באופן ספונטני ומתפשטים באופן אקראי, וגורמים לעובי שכבת הרמה לא אחידה או אפילו פיצול.
יבמ פיתחה טכנולוגיית הרמה מבוקרת. שיטה זו מתכננת שכבת מתיחה נוספת כדי להפעיל כוח חיצוני כדי להפעיל שבר ולהנחות כיוונית את התפשטות הסדקים, וכן מבססת מודל תיאורטי למתאם בין מתח קריטי לעובי שכבת התפרקות, המספק הדרכה לאופטימיזציה של תהליך. בנוסף, גבישים בודדים של Si, GaN ברמת רקיק, כמו גם תאים סולאריים III-V, מעגלים משולבים, נוריות, והתקני מוליכים למחצה אחרים, יכולים כולם להשתמש בטכנולוגיה זו כדי להשיג הרמה מבוקרת.
במונחים של טכנולוגיית התיעוש, טכנולוגיית הפיצול הקר של Siltectra של גרמניה ותהליך שינוי לייזר Disco של יפן יכולים לשלוט באובדן חומר חיתוך SiC עד לטווח של 60 מיקרומטר והשיגו ייצור המוני של פרוסות בגודל 8 אינץ'; יצרנים אירופאים ואמריקאים מחזיקים במונופול על מקורות אור UV ושולטים זה מכבר בשוק ציוד הרמת הממשקים עבור פרוסות אפיטקסיאליות מסוג Micro-LED.
בשנים האחרונות ההתקדמות המקומית הייתה משמעותית. צוותי מחקר מאוניברסיטת Huazhong למדע וטכנולוגיה ו-CETC התגברו על טכנולוגיית השינוי הפנימי של SiC וטכנולוגיית בקרת הכיוונים. ארגונים כמו Han's Laser ו-HGTECH השיגו לוקליזציה של ציוד להרמת לייזר UV, וציוד ביתי נכנס לאימות בקווי ייצור LED ומכשירי חשמל. נכון לעכשיו, מחווני תהליך הרמת SiC מקומיים בגודל 6 אינץ' קרובים לרמות בינלאומיות, אך אחידות האנרגיה של פרוסות מלאות בגודל 8 אינץ' ירודה יחסית, ובעיית סטיית הסדקים של סיליקון קרביד מסוג N לא נפתרה לחלוטין. לייזרים UV בעלי הספק גבוה ומודולים אופטיים בעלי דיוק גבוה עדיין מסתמכים על יבוא.