ความแข็งรองจากเพชรเท่านั้น

ซิลิคอนคาร์ไบด์มีความแข็ง Mohs อยู่ที่ 9.2–9.5 รองจากเพชรเท่านั้น มีความเปราะสูงและมีความเหนียวแตกหักต่ำ ขณะเดียวกันก็ทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดกร่อน และต้านทานรังสีได้ดีเยี่ยม อย่างไรก็ตาม การประมวลผลเป็นเรื่องยากและมีค่าใช้จ่ายสูง ซึ่งต้องใช้หลายขั้นตอน เช่น การตัด การยกออก การแกะสลัก และการขัดเงา คุณภาพการประมวลผลส่งผลโดยตรงต่อการสูญเสียการนำไฟฟ้า การทนต่อระดับแรงดันไฟฟ้า และอายุการใช้งานของอุปกรณ์ไฟฟ้า ปัจจุบัน การตัดลวดถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีต้นทุนต่ำ โครงสร้างอุปกรณ์ที่เรียบง่าย และเหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมาก และเครื่องมือตัดเพชรก็ค่อนข้างหาง่ายเช่นกัน อย่างไรก็ตาม การตัดลวดทำให้สูญเสียวัสดุจำนวนมากและมีประสิทธิภาพในการประมวลผลต่ำมาก

การสูญเสียวัสดุที่เกิดจากการตัดลวด

ในระหว่างการตัดลวด การเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงของลวดตัดไม่เพียงแต่ทำให้เกิดการสูญเสียรอยตัดโดยมีความกว้างของรอยตัดเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางลวดเท่านั้น เนื่องจากพื้นผิวแผ่นเวเฟอร์ที่เตรียมโดยการตัดด้วยลวดมีความหยาบมาก จึงจำเป็นต้องมีการเจียร ขัดเงา และกระบวนการตกแต่งอื่น ๆ ในภายหลัง ท้ายที่สุดแล้ว การสูญเสียวัสดุสะสมอาจสูงถึง 30%–50% ของวัตถุดิบทั้งหมด กระบวนการเลื่อยแบบหลายลวดยังต้องใช้วิธีแก้ปัญหาเพื่อระบายความร้อนให้กับรอยตัดและทำความสะอาดเศษซาก ทำให้เกิดของเหลวเสียที่มีซิลิคอนจำนวนมาก อนุภาคขนาดไมโคร/นาโนที่อยู่ในนั้นยากต่อการตกตะกอนและรีไซเคิลได้ยาก ทำให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างมาก

Laser Lift-Off: การทำ "การผ่าตัดที่มองไม่เห็น" ภายในคริสตัล

การยกออกด้วยเลเซอร์เป็นกระบวนการที่สำคัญสำหรับการแบ่งส่วน SiC และเป็นของการปรับเปลี่ยนภายในและเทคโนโลยีการประมวลผลแบบแยกชั้น หลักการสำคัญของมันคือการปรับเปลี่ยนการโฟกัสภายในด้วยเลเซอร์บวกกับการแยกแรงภายนอก

แผนผังของเทคโนโลยีการยกออกด้วยเลเซอร์คริสตัล SiC

ขั้นตอนแรกคือการปรับเปลี่ยนภายใน ด้วยการใช้การเจาะทะลุที่สูงเป็นพิเศษและคุณลักษณะการโฟกัสของเลเซอร์พัลส์ที่สั้นเกินปกติ การโฟกัสของเลเซอร์จะถูกควบคุมอย่างแม่นยำโดยเส้นทางแสง และโฟกัสที่ความลึกที่กำหนดไว้ล่วงหน้าภายในแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ หลังจากที่เลเซอร์พลังงานสูงมุ่งความสนใจไปที่แผ่นเวเฟอร์ วัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์ในท้องถิ่นจะเกิดการบิดเบี้ยวของโครงตาข่าย การเปลี่ยนเฟส และการแพร่กระจายของรอยแตกขนาดเล็ก ทำให้เกิดชั้นที่ปรับเปลี่ยนอย่างต่อเนื่องและสม่ำเสมอ ความแข็งแรงเชิงกลของชั้นที่แก้ไขนั้นต่ำกว่าวัสดุพื้นผิวอย่างมาก และไม่มีเครื่องหมายการประมวลผลบนพื้นผิว ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่มองไม่เห็น ขั้นตอนที่สองคือการแบ่งแยก ด้วยแรงตึงระดับไมโครเชิงกล การเป่าด้วยแก๊ส หรือแรงดึงภายนอก เวเฟอร์จะถูกแยกอย่างแม่นยำตามชั้นที่ปรับเปลี่ยนภายใน ทำให้การตัดและการแยกเวเฟอร์ทั้งหมดเสร็จสมบูรณ์โดยไม่สูญเสียคุณภาพ

เทคโนโลยีการยกออกด้วยเลเซอร์แบบไม่สัมผัสต่างจากการตัดลวดแบบดั้งเดิม สามารถหลีกเลี่ยงปัญหาต่างๆ เช่น การสึกหรอของเครื่องมือตัดและความล้มเหลวของเวเฟอร์ SiC ที่เกิดจากความเครียดทางกลได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้มีการยกออกที่มีคุณภาพสูงและมีความแม่นยำสูง เทคโนโลยีการยกด้วยเลเซอร์ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการประมวลผลและคุณภาพของเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ได้อย่างมาก และลดต้นทุนการผลิตของซับสเตรตซิลิกอนคาร์ไบด์ มีข้อได้เปรียบที่โดดเด่นคือประสิทธิภาพการผลิตสูงและการสูญเสียวัสดุต่ำ การยกออกด้วยเลเซอร์มีความหนาของชั้นที่ได้รับการดัดแปลงเพียงเล็กน้อย ซึ่งสามารถปรับปรุงการใช้วัสดุได้อย่างมากในระหว่างการเตรียมแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ การบรรลุการยกระดับคุณภาพและประสิทธิภาพสูงบนเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์นั้น คาดว่าจะสามารถขจัดปัญหาคอขวดทางเทคนิคและข้อจำกัดด้านต้นทุนที่สูงได้ และส่งเสริมการใช้งานในตลาดซึ่งอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์จะมาแทนที่พื้นผิวซิลิกอน ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของเทคโนโลยีการยกออกด้วยเลเซอร์ก็มีความสำคัญเช่นกัน ในกระบวนการตัดแบบดั้งเดิม ปัญหามลพิษของของไหลและฝุ่นในการตัดค่อนข้างรุนแรง ในขณะที่การยกออกด้วยเลเซอร์ซึ่งเป็นกระบวนการแบบไม่สัมผัส สามารถลดการปล่อยของเสียทางอุตสาหกรรมได้ เมื่อรวมกับประสิทธิภาพที่มีประสิทธิภาพของอุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ในการแปลงพลังงาน เทคโนโลยีนี้จะช่วยให้บรรลุเป้าหมายความเป็นกลางของคาร์บอนทั่วโลกจากทั้งด้านการผลิตและการใช้งาน

การแข่งขันระดับโลก: สถานะปัจจุบันของการพัฒนาเทคโนโลยี Laser Lift-Off

เวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์กำลังพัฒนาไปสู่ขนาดที่ใหญ่ขึ้น และเทคโนโลยีการตัดด้วยเลเซอร์ยกออกก็ได้รับการส่งเสริมอย่างกว้างขวาง ความยาวคลื่นเลเซอร์ พลังงานพัลส์ ความลึกของการโฟกัส และระยะห่างในการสแกนเป็นพารามิเตอร์หลักที่กำหนดความต่อเนื่องและความสม่ำเสมอของเลเซอร์ที่เร็วเป็นพิเศษของชั้น. 532 นาโนเมตรและ 1064 นาโนเมตรที่มีการแทรกซึมที่ดีเยี่ยมในซิลิคอนคาร์ไบด์ และจุดที่โฟกัสมีขนาดเล็กลง ความหนาของชั้นที่แก้ไขสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำที่ 10–30 μm และรอยแตกที่แก้ไขจะแพร่กระจายในลักษณะโดยตรงโดยไม่แพร่กระจายไปยังพื้นที่การทำงานของอุปกรณ์ ด้วยการควบคุมโพลาไรเซชันแบบไดนามิกและเทคโนโลยีการสร้างลำแสง ทำให้สามารถปรับสัณฐานวิทยาของชั้นที่แก้ไขให้เหมาะสมได้ ความเรียบในการตัดสามารถปรับปรุงได้ และสามารถระงับการบิดเบี้ยวของการแยกเวเฟอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ การวิจัยในประเทศมุ่งเน้นไปที่ความสม่ำเสมอในการประมวลผลเป็นชุดสำหรับเวเฟอร์ขนาดใหญ่ การตัดเวเฟอร์แบบบางพิเศษโดยใช้แรงกดต่ำ (50–100 μm) และการเพิ่มประสิทธิภาพของเทคโนโลยีไดคัทที่มีระยะห่างแคบ ประสบความสำเร็จในการตัดเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ขนาด 8 นิ้วด้วยเลเซอร์แบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบ ภายใต้เงื่อนไขของกระบวนการที่ได้รับการปรับปรุง ความกว้างของถนนตัดสามารถลดลงได้ภายใน 20 μm อัตราผลตอบแทนของแม่พิมพ์เกิน 98% และประสิทธิภาพการประมวลผลแบบแผ่นเวเฟอร์เดี่ยวเพิ่มขึ้นมากกว่า 30% เมื่อเทียบกับกระบวนการแบบเดิม ซึ่งช่วยแก้ปัญหาที่การปรับเปลี่ยนครั้งเดียวแบบดั้งเดิมไม่สามารถปรับให้เข้ากับการประมวลผลเวเฟอร์หนาได้ ที่มา: Shuoke Crystal

ในเทคโนโลยีการดึงออกของคริสตัล ในช่วงต้นปี 1985 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันได้แสดงให้เห็นว่าชั้นบางๆ สามารถถูกยกออกจากเวเฟอร์ Si และ GaAs ได้ภายใต้การกระทำของความเค้นดึงที่ตกค้างในชั้นความเค้น อย่างไรก็ตาม กระบวนการทดลองการยกออกของคริสตัลในช่วงแรกนั้นควบคุมได้ยาก เนื่องจากเมื่อความเครียดถึงเกณฑ์ที่กำหนดโดยความทนทานต่อการแตกหักของแผ่นเวเฟอร์ รอยแตกจะเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและแพร่กระจายแบบสุ่ม ทำให้เกิดความหนาของชั้นการยกออกที่ไม่สม่ำเสมอหรือแม้แต่การแตกเป็นชิ้น

IBM พัฒนาเทคโนโลยีการยกออกที่มีการควบคุม วิธีการนี้ออกแบบชั้นแรงดึงเพิ่มเติมเพื่อใช้แรงภายนอกเพื่อกระตุ้นการแตกหักและกำหนดทิศทางการแพร่กระจายของรอยแตก และยังสร้างแบบจำลองทางทฤษฎีสำหรับความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นวิกฤติและความหนาของชั้นการหลุดร่อน ซึ่งเป็นแนวทางในการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ นอกจากนี้ Si ระดับเวเฟอร์, ผลึกเดี่ยว GaN รวมถึงเซลล์แสงอาทิตย์ III-V, วงจรรวม, LED และอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ ทั้งหมดสามารถใช้เทคโนโลยีนี้เพื่อให้บรรลุการควบคุมการยกออก

ในแง่ของเทคโนโลยีอุตสาหกรรม เทคโนโลยีการแยกความเย็น Siltectra ของเยอรมนีและกระบวนการดัดแปลงเลเซอร์ดิสโก้ของญี่ปุ่น สามารถควบคุมการสูญเสียวัสดุในการหั่น SiC ให้อยู่ภายใน 60 μm และประสบความสำเร็จในการผลิตเวเฟอร์จำนวนมากขนาด 8 นิ้ว ผู้ผลิตในยุโรปและอเมริกาผูกขาดแหล่งกำเนิดแสง UV excimer และครองตลาดอุปกรณ์ยกอินเทอร์เฟซสำหรับเวเฟอร์ epitaxial แบบ Micro-LED มายาวนาน

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความก้าวหน้าภายในประเทศมีความสำคัญมาก ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Huazhong และ CETC สามารถเอาชนะเทคโนโลยีการปรับเปลี่ยนภายใน SiC และเทคโนโลยีการควบคุมทิศทางการถอดรหัสได้ องค์กรต่างๆ เช่น Han's Laser และ HGTECH ประสบความสำเร็จในการแปลอุปกรณ์การยกด้วยเลเซอร์ UV ในแต่ละท้องถิ่น และอุปกรณ์ภายในประเทศได้เข้าสู่การตรวจสอบในสายการผลิต LED และอุปกรณ์กำลัง ในปัจจุบัน ตัวบ่งชี้กระบวนการยก SiC ขนาด 6 นิ้วในประเทศนั้นใกล้เคียงกับระดับสากล แต่ความสม่ำเสมอของพลังงานของเวเฟอร์แบบเต็มขนาดใหญ่ขนาด 8 นิ้วนั้นค่อนข้างแย่ และปัญหาการเบี่ยงเบนรอยแตกของซิลิคอนคาร์ไบด์ชนิด N ยังไม่ได้รับการแก้ไขอย่างสมบูรณ์ เลเซอร์ยูวีกำลังสูงและโมดูลออปติคอลที่มีความแม่นยำสูงยังคงต้องพึ่งพาการนำเข้า