El carburo de silicio tiene una dureza Mohs de 9,2 a 9,5, sólo superada por el diamante. Es muy frágil y tiene baja tenacidad a la fractura, al tiempo que ofrece excelente resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión y resistencia a la radiación. Sin embargo, su procesamiento es difícil y costoso y requiere múltiples pasos, como cortar, despegar, grabar y pulir. La calidad del procesamiento afecta directamente la pérdida de conducción, el nivel de tensión soportada y la vida útil de los dispositivos de potencia. Actualmente, el corte con alambre se usa ampliamente debido a su bajo costo, estructura de equipo simple y idoneidad para la producción en masa, y las herramientas de corte de diamante también son relativamente fáciles de obtener. Sin embargo, el corte con alambre provoca una pérdida sustancial de material y tiene una eficiencia de procesamiento extremadamente baja.
Pérdida de material causada por corte de alambre
Durante el corte con alambre, el movimiento a alta velocidad del alambre de corte no solo produce una pérdida de corte con un ancho de corte igual al diámetro del alambre; debido a que la superficie de la oblea preparada mediante corte con alambre es muy rugosa, también se requieren procesos posteriores de esmerilado y pulido y otros procesos de acabado. En última instancia, la pérdida acumulada de material puede alcanzar entre el 30% y el 50% de la materia prima total. El proceso de corte con varios hilos también requiere soluciones para enfriar la ranura y limpiar los residuos, lo que genera grandes cantidades de líquido residual que contiene silicio. Las partículas de micro y nanoescala que contiene son difíciles de flocular y de reciclar, lo que causa un impacto ambiental significativo.
Despegue láser: realización de una "cirugía invisible" dentro del cristal
El despegue por láser es un proceso importante para el corte de SiC y pertenece a la tecnología de procesamiento de modificación interna y división de capas. Su principio fundamental es la modificación del enfoque interno del láser más la separación de la fuerza externa.
Diagrama esquemático de la tecnología de despegue por láser de cristal de SiC
La primera etapa es la modificación interna. Utilizando las características de enfoque y penetración ultraalta de los láseres de pulso ultracorto, el enfoque del láser se controla con precisión mediante una trayectoria óptica y se enfoca a una profundidad preestablecida dentro de la oblea de carburo de silicio. Después de enfocarse con un láser de alta energía dentro de la oblea, el material de carburo de silicio local sufre una distorsión reticular, una transformación de fase y una propagación de microfisuras, formando una capa modificada continua y uniforme. La resistencia mecánica de la capa modificada es mucho menor que la del material del sustrato y no hay marcas de procesamiento en la superficie, lo que permite una modificación invisible. La segunda etapa es la separación. Mediante microtensión mecánica, soplado de gas o fuerza externa de tracción, la oblea se separa con precisión a lo largo de la capa interna modificada, completando el corte y la separación sin pérdidas de toda la oblea.
A diferencia del corte de alambre tradicional, la tecnología de despegue por láser sin contacto puede evitar eficazmente problemas como el desgaste de la herramienta de corte y la falla de la oblea de SiC causada por tensión mecánica, logrando así un despegue de alta calidad y precisión. La tecnología de despegue láser mejora significativamente la eficiencia del procesamiento y la calidad de las obleas de carburo de silicio y reduce el costo de fabricación de los sustratos de carburo de silicio. Tiene ventajas destacadas de alta eficiencia de producción y baja pérdida de material. El despegue por láser tiene un espesor de capa modificado muy pequeño, lo que puede mejorar significativamente la utilización del material durante la preparación de obleas de carburo de silicio. Se espera que lograr un despegue de obleas de carburo de silicio de alta calidad y alta eficiencia supere los cuellos de botella técnicos y las limitaciones de alto costo, y promueva aplicaciones de mercado en las que los dispositivos de carburo de silicio reemplacen los sustratos de silicio. Los efectos medioambientales de la tecnología de despegue láser también son importantes. En los procesos de corte tradicionales, los problemas de contaminación del polvo y del fluido de corte son relativamente graves, mientras que el despegue por láser, como proceso sin contacto, puede reducir las emisiones de desechos industriales. Combinada con el rendimiento eficiente de los dispositivos de carburo de silicio en la conversión de energía, esta tecnología ayuda a alcanzar los objetivos globales de neutralidad de carbono tanto desde el punto de vista de la fabricación como de la aplicación.
Carrera global: estado actual del desarrollo de la tecnología de despegue láser
Las obleas de carburo de silicio se están desarrollando hacia tamaños más grandes y se ha promovido ampliamente la tecnología de corte por despegue por láser. La longitud de onda del láser, la energía del pulso, la profundidad de enfoque y el espaciado de escaneo son los parámetros centrales que determinan la continuidad y uniformidad de la capa modificada. Los láseres ultrarrápidos de 1064 nm y . 532 nm tienen una excelente penetración en el carburo de silicio y el punto enfocado es más pequeño. El espesor de la capa modificada se puede controlar con precisión entre 10 y 30 μm, y las grietas modificadas se propagan de manera dirigida sin difundirse en el área funcional del dispositivo. A través del control de polarización dinámica y la tecnología de conformación del haz, se puede optimizar la morfología de la capa modificada, se puede mejorar la planitud del corte y se puede suprimir eficazmente la deformación por división de la oblea. La investigación nacional se centra en la coherencia del procesamiento por lotes de obleas de gran tamaño, el corte con baja tensión de obleas ultrafinas (50 a 100 μm) y la optimización de la tecnología de troquelado con espacios estrechos. Se ha logrado un corte por despegue láser totalmente automatizado de obleas de carburo de silicio de 8 pulgadas. En condiciones de proceso optimizadas, el ancho de la calle de corte se puede reducir a 20 μm, el rendimiento del troquel supera el 98 % y la eficiencia del procesamiento de una sola oblea aumenta en más del 30 % en comparación con los procesos tradicionales, resolviendo el problema de que la modificación única tradicional no puede adaptarse al procesamiento de obleas gruesas. Fuente: Cristal Shuoke.
En la tecnología de despegue de cristales, ya en 1985, los científicos estadounidenses demostraron que se podían desprender capas delgadas de obleas de Si y GaAs bajo la acción de tensiones de tracción residuales en una capa de tensión. Sin embargo, los primeros procesos experimentales de despegue de cristales eran difíciles de controlar porque cuando la tensión alcanzaba el umbral determinado por la tenacidad a la fractura de la oblea, las grietas se generaban espontáneamente y se propagaban aleatoriamente, provocando un espesor desigual de la capa de despegue o incluso fragmentación.
IBM desarrolló una tecnología de despegue controlado. Este método diseña una capa de tracción adicional para aplicar fuerza externa para desencadenar la fractura y guiar direccionalmente la propagación de la grieta, y también establece un modelo teórico para la correlación entre la tensión crítica y el espesor de la capa de desconchado, proporcionando orientación para la optimización del proceso. Además, los monocristales de Si y GaN de nivel de oblea, así como las células solares III-V, los circuitos integrados, los LED y otros dispositivos semiconductores, pueden utilizar esta tecnología para lograr un despegue controlado.
En términos de tecnología de industrialización, la tecnología de división en frío Siltectra de Alemania y el proceso de modificación láser Disco de Japón pueden controlar la pérdida de material de corte de SiC dentro de 60 μm y han logrado una producción en masa de obleas de 8 pulgadas; Los fabricantes europeos y americanos monopolizan las fuentes de luz excimer UV y han dominado durante mucho tiempo el mercado de equipos de despegue de interfaz para obleas epitaxiales Micro-LED.
En los últimos años, el progreso interno ha sido significativo. Equipos de investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong y CETC han superado la modificación interna de SiC y la tecnología de control direccional de crack. Empresas como Han's Laser y HGTECH han logrado la localización de equipos de despegue por láser UV, y los equipos domésticos han entrado en verificación en líneas de producción de dispositivos LED y de energía. En la actualidad, los indicadores nacionales del proceso de despegue de SiC de 6 pulgadas están cerca de los niveles internacionales, pero la uniformidad energética de las obleas completas de gran tamaño de 8 pulgadas es relativamente pobre y el problema de desviación de grietas del carburo de silicio tipo N no se ha resuelto por completo. Los láseres UV de alta potencia y los módulos ópticos de alta precisión todavía dependen de las importaciones.